【经验】以SLM2304S为例介绍HVIC栅极驱动器的基本功能、外围电路设计、参数选型、layout注意事项
上海数明半导体HVIC栅极驱动器SLM2304S用于驱动最高600V的N沟道MOSFET或IGBT,兼容IR2304(S)系列,广泛应用于BLDC,大功率DC-DC电源,家电,步进驱动器,逆变器等领域。本文旨在介绍栅极驱动器的基本功能,外围电路设计,参数选型,以及layout注意事项,方便工程师设计应用。
UVLO
SLM2304S集成了高低边欠压保护功能(UVLO),特别是高边欠压保护功能可以有效防止上电启动过程中高边误输出,避免出现上电时炸机现象。当VCC/VBS电压下降至VCCUV-/VBSUV阈值以下时关闭输出,VCC/VBS电压上升至VCCUV+/VBSUV+阈值以上时才打开输出。0.7V迟滞电压以防止VCC/VBS电压抖动而误触发欠压保护。
互锁功能
SLM2304S有两路输入,HIN和LIN,分别控制高边输出HO以及低边输出LO。HIN和HO同相位,LIN和LO同相位。为防止输入控制出错,例如输入同为高,输出也同为高,从而导致MOS/IGBT共通的情况,SLM2304S采用了互锁设计,即当两路输入均为高时,输出均为低,确保输出端的安全。当然,如果客户的应用就是需要输出HO和LO同为高的情况,我们推荐去掉了互锁功能的SLM2106B来满足这类特殊的应用。
典型应用线路
VS脚生产负压的原因和对策
·VS脚生产负压的原因
自举式电源是一种应用广泛,给高边栅极驱动电路供电的方法,用来驱动高边N沟道的MOS或者IGBT。自举式电源技术具有结构简单,成本低的优点,但也存在缺点,其一是占空比无法做到100%,受到自举电容刷新电荷所需时间,VBS欠压保护阈值的限制,其二是会导致开关器件的源极看到负压,可能导致HVIC的输出错误。
自举式驱动电路最大的难点在于:当开关器件关断时,其源极的负电压会使负载电流突然流过续流二极管,如图 1所示。该负电压会给栅极驱动电路的输出端造成麻烦,因为它直接影响驱动电路或 PWM 控制集成电路的源极 VS 引脚,可能会明显地将某些内部电压下拉到地以下,如图 2所示。另外一个问题是,自举电容 CBOOT,通过自举二极管 DBOOT,被电源 VDD 瞬间充电。由于 VDD 电源以地作为基准,自举电容产生的最大电压等于VDD 加上源极上的负电压振幅,可能会使自举电容处于过压状态,会有打坏电容甚至导致芯片VB/HO被打坏,短路到VS的风险。所以设计中应尽量减小VS的负压。
图1 半桥应用电路
图2 关断期间的VS波形
图3 DC-DC电源
图4 关断期间的波形
如图3 所示,低边续流二极管的前向偏置是已知的将VS下拉到COM(地) 以下的原因之一;图4 描述了高边N 沟道MOSFET 关断期间的电压波形。主要问题出现在整流器换向期间,仅仅在续流二极管开始箝压之前。在这种情况下,电感LS1 和LS2 会将VS电压压低到COM 以下,该负电压的振幅是:
VS−COM=−(VRBOOT +VFDBOOT)−(LS1+LS2)di/dt(1)
从等式(1)可以看到,该负电压的放大倍数正比于寄生电感和开关器件的关断速度,di/dt ;它由栅极驱动电阻,RGATE 和开关器件的输入电容,Ciss 决定。Ciss是Cgs与Cgd 的和,称为米勒电容。
●如何降低VS负压?
★Layout上减小寄生电感LS1/LS2
★降低开关器件的开关速度
★在开关节点串一个小电阻,如下图中的RVS电阻(几欧姆以内),接自举电容后再到,和自举电容形成RC滤波,可以限制VS脚的下冲电压。不过需要注意这个电阻串在开关器件开启和关闭的路径上,计算门级电阻时需要考虑此阻值
★如在VS串电阻后仍不足以限制VS负压,则可以在靠近SLM2304S芯片的COM和VS脚之间并联一个快恢复二极管,朝向VS,来钳位VS的负压图5闭锁情况下的波输入输出形
图5 闭锁情况下的波输入输出形
如果VS下冲超过规格书中标称的规格,则栅极驱动IC 将损坏,或者高边输出暂时无法对输入转换做出响应,如图5和图6所示。建议设计中留一定余量,保证系统的可靠性。图5显示闭锁情况,即高边输出无法通过输入信号改变。这种情况下,半桥拓扑的外部、主电源、高边和低边开关中发生短路。图6显示遗漏情况,即高边输出无法对输入转换做出响应。这种情况下,高边栅极驱动器的电平转换器将缺少工作电压余量。需要注意的是,大多数事实证明高边通常不需要在一个开关动作之后立即改变状态。
图6 信号丢失情况下的波
自举电路的设计
●选择自举电容值
自举电容(CBOOT) 每次都被充电,此时,低边驱动器导通,输出电压略低于栅极驱动器的电源电压(VDD)。自举电容仅当高边开关导通的时候放电。自举电容给高边电路提供电源(VBS),首先要考虑的参数是高边开关处于导通时,自举电容的最大电压降。允许的最大电压降(VBOOT) 取决于要保持的最小栅极驱动电压( 对于高边开关)。如果VGSMIN 是最小的栅-源极电压,电容的电压降必须是:
ΔVBOOT = VDD − VF − VGSMIN (2)
其中:
VDD= 栅极驱动器的电源电压
VF=自举二极管正向电压降
计算自举电容为:
CBOOT=QTOTAL/ΔVBOOT (3)
其中QTOTAL 是电容器的电荷总量。
自举电容的电荷总量通过等式4 计算:
QTOTAL=QGATE+(ILKCAP+ILKGS+IQBS+ILK+ILKDIODE)*tON+QLS(4)
其中:
QGATE = 栅极电荷的总量
ILKGS = 开关栅-源级漏电流
ILKCAP = 自举电容的漏电流
IQBS =自举电路的静态电流
ILK = 自举电路的漏电流
QLS= 内部电平转换器所需要的电荷,对于所有的高压栅极驱动电路
tON = 高边导通时间
ILKDIODED = 自举二极管的漏电流
另外一般的,可以根据经验公式粗略估算自举电容值:
CBOOT>10*Ciss (5)
●选择自举电阻值
自举电阻起到限制自举电容充电电流的作用,可防止电容过充,特别在一些VS负压较大的情况下,能降低VS-VB以及电容过压的风险。该电阻典型值5~10ohm,会增加VBS时间常数。当计算最大允许的电压降(VBOOT) 时,必须考虑该自举电阻引入的电压降。如果该电压降太大或电路不能提供足够的充电时间,我们可以使用一个快速恢复或超快恢复二极管。
●自举二极管的选择
在高边器件开通时,自举二极管必须能够阻止高压,并且应是快恢复或超快恢复二极管,以减小从自举电容向电源VCC的回馈电荷。如果电容需要长期贮存电荷时,高温反向漏电流指标也很重要。一般建议自举二极管的反向耐压值和所选MOS/IGBT的电压规格一致,trr<100ns。
VDD供电
VDD电压一般在12~15V左右,输入电容要靠近芯片VDD和COM脚。一般输入电容配置为一个电解(10~100uF)+100nF瓷片电容,电解电容提供能量,100nF瓷片滤波,吸收可能的电压尖峰。
逻辑输入
一般的,逻辑输入脚可以直接连接前级控制器的输出。但如空间允许,或应用环境干扰大且逻辑输入高电平比较低(如3.3V), 还 是 建 议 在 逻 辑 输 入 前 加RC滤波,电阻串在控制器输出和逻辑输入之间,逻辑输入脚对地并一个电容,如100R,100pF。
另外,需要注意一些MCU或者软件中,如果输入控制器只输出高电平以及高阻态,低电平需要靠HIN/LIN内部的下拉电阻来实现,则建议在HIN/LIN预留一个下拉电阻的位置。因SLM2304S HIN/LIN内部下拉电阻为500K欧姆左右,在一些噪声干扰比较大的应用中,可能出现HIN/LIN被误触发高电平的情况,此时外部加一个10K以内的下拉电阻即可解决。
门级电阻值的选取
门级电阻在栅极驱动路径上会影响真实的驱动电流,开关损耗以及上升/下降沿,合适的阻值可以有效限制降低噪声和振铃,避免EMI问题。理论上,驱动输出可以直接和开关器件的gate直接连接,但如果没有选取一个合适的门级电阻值,由于layout和和器件本身的寄生电感,电容,高速的dv/dt,di/dt,体二极管的反向恢复时间等因 素,会导致驱动电路面临EMI,以及高度dv/dt导致的共通等问题。
图7
图8
图7,图8两图分别为驱动电路元件示意图以及等效电路图,门级电阻值RGATE可以通过如下步骤计算:
LS=1/[CISS*(2*pi*fR)2](6)
RG=XL/Q=w*LS/Q=1/(CISS*2*pi*fR*Q) (7)
其中,
LS是栅极驱动线路上的寄生电感
Ciss=CGS+CGD,规格书可查
fR是RGATE=0时实测出来的VS振铃频率,如下示意图9,fR测得为3.75MHz
RG=RGATE+ROH or LO+RG,I,ROH or LO是HVIC输出级上拉/下拉电阻值,规格书可以查,RG,I是开关器件内寄生的栅极网状电阻,一般在~1欧姆左右,较小可忽略,部分规格书中没有提到此参数
Q是谐振电路中的Q值,一般取值0.5~1之间,Q越小,RGATE越大,栅极电压上升/下降越慢
根据等式7,即可算出理论上的RGATE,但一般实际情况中,还需要在开关速度,开关器件温度,dv/dt,EMI等因素上折中,再确定合适的门级电阻值。
图9 RGATE=0R
快关电路
如下图,如希望快速关断来提升效率,或担心关断太慢导致共通,则可以在输出门级电阻并一个开关二极管+一个电阻的路径,来提高关断速度,此时关断速度由二极管的反向恢复时间决定,还可通过Rg(off)来调整关断速度。
Rgs和Cgs的作用
Rgs一般选10K阻值,用作电荷泄放路径,防止未工作时开关器件GS之间电荷累计导致VGS过压,打坏器件。Cgs一般可作预留,非必要器件,主要用来降低Cgd/Cgs比例,防止开关过程中的米勒效应导致gate被Cgd耦合起来,半桥开关器件共通,钳住gate电压。该电容若需要的话,典型值一般在1~2.2nF,注意如果太大会导致开关器件开启慢,开关损耗大,器件温度变高。
PCB布局走线建议
●考虑所有功率开关的配合放置,减少驱动输出线路以及开关器件电流路径,走线长度
●CVDD/CBOOT去耦电容和栅极电阻的布局和布线,应尽可能靠近驱动芯片管脚
●避免互连链路。它会显著增加电感
●降低封装体距离PCB板的高度,以减少引脚电感效应
●自举二极管应尽可能靠近自举电容
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ROHM(罗姆)电机驱动器选型指南(英文)
目录- Motor Drivers Introduction Motor Drivers Selection Brushed DC/Stepper Motor Drivers Brushless DC Motor Drivers IPM/Gate Driver/ Power Device Shunt Resistors Motor Drivers Motor Drivers Selection by Application Package List Motor Drivers Selection Table
型号- RQ3L090GN,BD63130AFM,SH8MA2,BD16938AEFV-C,BU6821G,BD64350MUV,BD6981FVM,BD6231HFP,R6009JND3,R6020JNJ,SH8MA4,SH8MA3,BM63574S-VA,BD63282EFV,BM63574S-VC,BD68620EFV,R6025JNZ,R6025JNX,R60XXJNJ,BD6212FP,BD6231F,BD61243FV,BM6243FS,RGS30TSX2D,RGTXTM65D,BD63242EFV,BD16912EFV-C,BD69060GFT,HP8M51,RGS50NL65D,GMR,RQ7L055BG,BD6758KN,QH8MA2,QH8MA4,QH8MA3,BD63725BEFV,RJ1G12BGN,RGTXXTS65D,RGT40TS65D,BD6230F,BD6961F,BD65492MUV,RGTXXBM65D,BM62351MUV,BM62380MUV,BD62130AEFJ,BU24038GW,RGT50TM65D,BD62220AEFV,BD6968FVM,RD3P200SN,RS1G180GN,BD16852EFV-C,R6007JNJ,RJ1P12BBD,AG087DGD3,RGT50NS65D,SH8MC5,RGS60TS65D,RGS00TS65D,RGS00TS65E,BD63576NUX,BM6244FS,R6042JNZ4,RSJ301N10,RGT40TM65D,HP8M31,RMS338NA-005,R6018JNX,BD6995FV,BD63511EFV,SH8MB5,R6030JNZ,RF4L070BG,R6030JNX,R6070JNZ4,BD63007MUV,BM63577S-VA,RGT20NL65D,R6007JNX,RQ3G100GN,BD67891MUV,BM64378S-VA,BD63800MUF-C,BM63577S-VC,BD63720AEFV,RGS60NL65D,BD6380EFV,R6009JNX,R6020JNZ4,R6009JNJ,BD6422EFV,BM6249FS,RGS30NL65D,RQ3G150GN,BM63575S-VC,BD6211F,BM6241FS,RGT30TM65D,BM63575S-VA,BD68710EFV,R6004JNJ,BD63521EFV,BD63030EKV-C,BD63035EFV-M,BD6385EFV,R6030JNZ4,RX3G18BBG,BD6232HFP,BD6982FVM,RS1P600BE,RMS335ND-007,BM65364S-VA,BD16939AEFV-C,BM65364S-VC,RS1L180GN,BD63710AEFV,RX3G07BBG,QH8KA2,QH8KA1,BD16950EFV-C,RMS338ND-003,QH8KA3,BD6965NUX,BD69830FV,BD63001AMUV,BD6222FP,BD6210F,RF4G100BG,RGT,RGS,BD6964FVM,BD6389FM,BD63005AMUV,UT6KC5,RSJ650N10,BD63003MUV,BD63520AEFV,BU6823G,RGSXXNL65D,BM63375S-VA,BD63940EFV,BD61248NUX,BM64377S-VA,BM63375S-VC,BD6232FP,QH8MB5,RQ7G080BG,RGT00TS65D,BD6964F,BD65499MUV,RGS80TSX2D,BD6221F,BM6242FS,R6006JND3,BD63620AEFV,BD63150AFM,RS1L120GN,BD16805FV-M,R60XXJNX,R60XXJNZ,BD6376GUL,BD6423EFV,AG073DGS4,BD62110AEFJ,BU24020GU,RGS40NL65D,RGTXNL65D,RGSXXTS65D,RGSXXTS65E,RD3XXXXBG,BD6210HFP,RD3P08BBD,RGT16BM65D,RGT16TM65D,BD63524AEFV,QH8MC5,BD63730EFV,R6020JNX,R6020JNZ,BD65494MUV,BD63801EFV,BD62017AFS,BD6220F,BD63525AEFV,BD67173NUX,BD6736FV,RX3L18BBG,BD63251MUV,BU24033GW,BD63572MUV,BD6211HFP,BD63002AMUV,SH8K41,BD2310G,BM6247FS,BD63565EFV,RF4XXXXBG,UT6KB5,BD6381EFV,BD63731EFV,R60XXJND3,LTR18,RQ7XXXXBG,RGT20TM65D,RGT8NS65D,BU69090NUX,BD68720EFV,RGT40NL65D,BD63573NUV,BD61251FV,AG070DGS4,BD6222HFP,BD62210AEFV,SH8K39,R6004JND3,LTR10,RGT30NS65D,BM64070MUV,BD65496MUV,BD68715EFV,BD6382EFV,RD3G07BBG,RQ3XXGN,BU6909AGFT,BD16860AEKV-C,RGT16NL65D,BD63960EFV,RGS50TSX2D,RJ1G08CGN,BD62120AEFJ,BD65491FW,BD63715AEFV,BD63910MUV,R6004JNX,RD3L07BBG,QH8KB5,BM6248FS,BD65491FV,BD69730FV,QH8KB6,R6025JNZ4,BD62018AFS,BD63610AEFV,RX3L07BBG,RS1XXXXGN,AG004DGD3,BD63510AEFV,RGT40NS65D,RGTXXNS65D,BM64300MUV-EVK-001,BD62321HFP,BD6387EFV,RMS118NA-009,BD63015EFV,BM64300MUV,R6007JND3,RMS332ND-010,QH8KC6,QH8KC5,SH8K52,QS8M51,BM63374S-VA,BM63374S-VC,RGT80TS65D,UT6MA2,BD6962FVM,SH8KA4,BD6373GW,BD61245EFV,SH8KA2,SH8KA1,BD68610EFV,SH8KA7,GMR320,RGT50TS65D,LTR100,RGSX5TS65E,RGT30NL65D,RJ1L06CGN,SH8M41,R6050JNZ,BU24035GW,R6006JNX,R6018JNJ,RGSX5TS65D,BM6245FS,BD6237FM,RMS308NA-008,RGS80TS65D,QSBM51,BM63573S-VC,R6012JNX,BD62221MUV,BD6425EFV,RGT8TM65D,HP8MA2,BD62105AFVM,QS8M31,BD6212HFP,LTR50,RGSXXTSX2D,BD6971FV,BM64350MUV,BM64374S-VA,BU24036MWV,SH8M31,RMS318ND-002,BM63573S-VA,RGT8BM65D,BD6226FP,BD63920MUV,RD3G03BBG,BD60223FP,RMS332SD-012,BD63241FV,RMS332SD-011,RGT8NL65D,SH8KC6,RS1G300GN,RS1G120MN,GMR50,R6050JNZ4,LTR,BM63377S-VC,RSJXXXN10,BM64375S-VA,BM63377S-VA,GMR100,RGT60TS65D,BD6735FV,QH8K51,SH8KC7,RGT16NS65D,RGT20NS65D,BD63006MUV,BD6236FP,BM6246FS,R6012JNJ,BD6236FM,RJ1L12BGN,BM62300MUV,AG086DGD3,BD2320EFJ-LA,RJ1XXXXGN,SH8K26,RD3L03BBG,BH6766FVM,BD6383EFV,QSBM31,BM62350MUV,R6006JNJ,R60XXJNX,RGT50NL65D,BM63373S-VA,BD6967FVM,BM63373S-VC,BD64220EFV,SH8KB7,SH8KB6,BD63740FM,BD6326ANUX,R60XXJNZ4,SH8M51,BD69740FV,BD6753KV,BD6225FP,SH8K12,BD63860EFV,SH8K11,RX3XXXXBG,BD61250MUV
【产品】高压侧工作电压可达200V的半桥驱动器SLM2001S,采用SOIC-8封装,栅极驱动电源范围10V~20V
数明半导体推出的SLM2001S是一款高压、高速功率MOSFET和IGBT驱动器。专有的HVIC和闩锁免疫CMOS技术能支持坚固的单片结构。逻辑输入可与标准CMOS或LSTL输出兼容,电压可低至3.3V。
产品 发布时间 : 2023-02-26
【选型】数明半导体HVIC门极驱动芯片选型指南
目录- HVIC门极驱动芯片介绍 HVIC门极驱动芯片选型表
型号- SLM2304S,SLM23364,SLM2101S,SLM2003S,SLM21364,SLM2004S,SLM2103S,SLM2005S,SLM2104S,SLM2106S,SLM2108S,SLM2110S,SLM2001S,SLM7888,SLM2186,SLM2114,SLM2136,SLM2184S,SLM21844,SLM2106B,SLM21867
数明半导体将携十款高可靠模拟驱动器芯片,亮相ELEXCON深圳国际电子展
2022年11月6日-8日,ELEXCON电子展强势来袭!本届展会聚焦“车规芯片及元件”、“嵌入式与AIoT”、“SiP与先进封测”、“国产化元器件选型”4大核心展示主题,数明半导体将携数款产品登陆ELEXCON电子展。
原厂动态 发布时间 : 2022-11-02
ROHM(罗姆)工业设备用产品选型指南(英文)
目录- Company Profile and Industrial Products Introduction Industrial Device Featured Products ICs Products Discretes Device /Modules Products Industrial Products Part Number Index
型号- BD7673AG,SMLEN3BC8T,BA4560RFVM,VREF25,RBQ20NS65A,RFN20NS6S,BM2LB300FJ-C,BA4560RFVT,BA4558YF-M/YFV-M/YFVM-M,GMR6432,BD7602GUL,RFUH20NS3S,BD82001FVJ-LB,SMF26V,MD56V72161C-XXTAP,RB058LAM150,BD50FA1MG-M,BD9109FVM-LB,RB088LAM-60,RB238NS150,SML-D12Y8W,VREF15,BR25H128,SML-P11DT,VS17VUA1LAM,SML-P11DR,RFUH20NS4S,RGTH40TK65,STM 431J,SCT2280KE,BA82904YFVM-C,CSL1301R2T,ECO 200,BA2902YF-LB,BA4560YFV-M,RB298T100,BD46EXX1G-M,SMF24V,BU7250G,SML-D12U1W,BD71L4LG-1,BR25H160,BR25A512,RGCL80TK60,RGPR20BM36HR,BD12732FVM,BA2903F/FV/FVM,BD12732FVJ,PTM 330,BU7251SG,BA2901YFV-M,BU21181FS,BU7251G,BD87A34FVM,LF-3011VA/VK,BU7462FVM,BD12732FVT,BD52XXG-2C,LM2903F,RBR30NS30A,BU7291G,MD56V62161M-XXTAL42X,LM339F,MD56V72161C-XXTAL42X,BA2901YFV-C,BA2902SF,SMF22V,SML-D12Y3W,LAP-601DB/DL,LAP-301DB/DL,BD2066FJ-LB,SCT2160KE,BAXXDD0T,SCM-013RT,LM2904F,BAXXDD0W,BU9829GUL-W,PTM 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Sillumin Semiconduct Non-Isolated HVIC Gate Driver and Isolated Product Introduction
型号- SLM2083D,SLM2133/35D,SLM2003S,SLM2104S,SLM2184D,SLM33X,SLM503,SLM1305,SLM5XX,SLM502,SLM501,SLM2110,SLM2003D,SLM7888,SLM2136D,SLM2104D,SLM1301,SLM2108D,SLM2181D,SLM2084D,SLM2183,SLM2184,SLM2181,SLM2101D,SLM2101S,SLM421,SLM561AXX,SLM2108,SLM2304,SLM411,SLM854,SLM2004D,SLM8847,SLM2136CF,SLM2103,SLM2104,SLM2101,SLM823X,SLM2304S,SLM27211,SLM2001D,SLM211,SLM2005S,SLM2186D,SLM2106S,SLM2304D,SLM8837,SLM401,SLM4XX,SLM8833,SLM2132,SLM8834,SLM2133,SLM8835,SLM2130,SLM2005D,SLM8836,SLM2136,SLM2106D,SLM21867,SLM2135,SLM2084,SLM2083,SLM561,SLM2103S,SLM201,SLM2XX,SLM1909,SLM2183D,SLM2130/32D,SLM883X SERIES,SLM510,SLM2001,SLM2103D,SLM8549,SLM2004,SLM6525,SLM2005,SLM2003
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品牌:数明半导体
品类:Single-Channel, High-Speed, Low-Side Gate Driver
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可定制变压器支持60W-600W范围,额定电流最高10A,漏感稳定度最小3%;支持开关变压器、电流感测变压器、栅极驱动变压器、LLC谐振变压器、PoE变压器等产品定制。SPQ为5K。
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可定制变压器电压最高4.5KV,高频30MHz;支持平面变压器、平板变压器、OBC变压器、DCDC变压器、PLC信号变压器、3D电源、电流变压器、反激变压器、直流直流变压器、车载充电器变压器、门极驱动变压器等产品定制。
最小起订量: 100000 提交需求>
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