【導(dǎo)讀】隨著新能源時(shí)代的到來，車載充電機(jī)（OBC）以及光伏逆變器（PV inverter）等新能源應(yīng)用帶來了數(shù)字控制開關(guān)電源的高速發(fā)展。
在開關(guān)電源的組成中，柵極驅(qū)動(dòng)器作為連接控制級(jí)與功率級(jí)的橋梁，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。在新能源汽車市場，尤其是關(guān)乎人身安全的車載充電器應(yīng)用中，對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的可靠性的要求越來越高。本文以低側(cè)驅(qū)動(dòng)器為例，列舉出在柵極驅(qū)動(dòng)器的潛在失效風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)指南，以便提高柵極驅(qū)動(dòng)器的可靠性。
同時(shí)本文也介紹了TI最新推出的 UCC27624是雙路低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，，低至-10V輸入端口負(fù)壓承受能力以及強(qiáng)大的抗電流反灌能力，使得該芯片適合高噪聲和輔助供電變壓器驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場景;具有5A的驅(qū)動(dòng)能力和最大30V的驅(qū)動(dòng)電壓，高速低延遲的開關(guān)特性。能有效驅(qū)動(dòng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)等功率開關(guān) 。
在UCC27524A-Q1的應(yīng)用案例中，通常會(huì)有兩種失效現(xiàn)象：
1. 芯片外圍引腳無開短路和阻抗異常現(xiàn)象，但是OUTA、OUTB無輸出；
2. 芯片輸出引腳OUTA或OUTB出現(xiàn)對(duì)地、VDD供電短路或者阻抗偏低；
失效分析結(jié)果通常會(huì)顯示芯片內(nèi)部邏輯電路或者是輸出功率級(jí)損壞，而這些損壞的原因往往指向外部應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。下面本文針對(duì)幾種常見的引起失效的原因進(jìn)行說明并給出應(yīng)對(duì)策略：
UCC27524A-Q1內(nèi)部框圖
VDD noise and pulse
如前所述，UCC27524A-Q1具有高驅(qū)動(dòng)能力以及高速的開關(guān)特性。因此，在功率開關(guān)管導(dǎo)通以及關(guān)斷的瞬態(tài)過程中，會(huì)在VDD偏執(zhí)電壓供電回路產(chǎn)生較高di/dt，進(jìn)而耦合線路中的寄生電感，產(chǎn)生電壓脈沖。如果電壓脈沖過高，則可能造成芯片損壞。
另一方面，VDD 經(jīng)內(nèi)部LDO給芯片內(nèi)部電路供電。當(dāng)VDD的電源噪聲過大， 則容易把噪聲傳導(dǎo)到內(nèi)部電路，比如邏輯控制電路，從而引發(fā)電流尖峰，造成內(nèi)部電路功耗以及應(yīng)力增加，長期工作則容易損壞。
針對(duì)以上兩個(gè)問題，可通過以下方式得到更干凈的電源軌：
1. 盡可能靠近VDD引腳放置電容，以減小線路寄生電感；
2. VDD引腳需要兩種電容，一方面需要容值稍大的電容（比如1uF），穩(wěn)定電壓同時(shí)給驅(qū)動(dòng)芯片提供能量。另一方面，考慮到電容的頻率特性，大容值電容由于材質(zhì)以及封裝大小等原因，在高頻處反而呈現(xiàn)電感屬性。因此另外還需要小容值小封裝的貼片陶瓷電容（比如1uF），用于濾除高頻噪聲，而且小容值電容應(yīng)更靠近VDD引腳。
Input negative voltage pulse
驅(qū)動(dòng)輸入PWM信號(hào)通常由PWM控制器或者M(jìn)CU提供，而這些器件由于系統(tǒng)限制，可能遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)芯片。另一方面，驅(qū)動(dòng)與功率管的放置也存在類似問題，因此功率地，驅(qū)動(dòng)地以及控制地之間都存在一定寄生電感。而隨著開關(guān)電源功率以及開關(guān)速度的提升，di/dt也隨之迅速提升，耦合前述的寄生電感，則不同地之間的電平會(huì)有瞬態(tài)正負(fù)壓脈沖。其中，驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)疊加這種地平面脈沖后，可能有超過輸入引腳耐壓的尖峰，從而損壞驅(qū)動(dòng)芯片的輸入級(jí)。
針對(duì)這個(gè)問題，可通過以下方法優(yōu)化設(shè)計(jì)：
1. 增大驅(qū)動(dòng)電阻，從而降低開關(guān)速度，減小功功率級(jí)di/dt值。但這種方法增加了開關(guān)損耗，尤其隨著功率級(jí)開關(guān)頻率的提升，開關(guān)損耗占整機(jī)功耗比例越發(fā)顯著，因此需要權(quán)衡系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)；
2. 優(yōu)化layout，盡可能把驅(qū)動(dòng)，功率管以及控制器靠近放置，減小寄生電感；
3. 在驅(qū)動(dòng)輸入引腳增加輸入RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除相關(guān)高頻噪聲。選擇合適的時(shí)間常數(shù)，減小輸入波形畸變同時(shí)盡可能衰減目標(biāo)頻率的噪聲。
OUTx voltage pulse
和前述輸入級(jí)風(fēng)險(xiǎn)類似，驅(qū)動(dòng)芯片輸出級(jí)由于線路寄生電感以及高速的驅(qū)動(dòng)電流瞬態(tài)過程，OUTx 引腳處會(huì)有正負(fù)壓脈沖。幸運(yùn)的是，驅(qū)動(dòng)芯片輸出級(jí)的內(nèi)置mosfet體二極管可以在電壓脈沖產(chǎn)生時(shí)把能量續(xù)流到地或者VDD，從而一定程度增強(qiáng)了輸出級(jí)的電壓脈沖承受能力。但是考慮到體二極管的導(dǎo)通壓降較大，損耗較高。嚴(yán)重的電壓脈沖仍然有降低芯片壽命，甚至損壞芯片的風(fēng)險(xiǎn)。
針對(duì)這個(gè)問題，可通過以下方法優(yōu)化設(shè)計(jì)：
1. 類似前述問題，優(yōu)化layout，OUTx 引腳靠近功率開關(guān)的柵極放置從而減小寄生電感；
2. 選擇合適的鉗位二極管，并把它靠近放置在OUTx引腳，以便吸收脈沖能量，降低內(nèi)部體二極管的損耗；
3. 在OUTx 引腳增加合適的磁珠，吸收高頻尖峰能量。
UCC27624
按照以上建議對(duì)低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以大大提高電路工作的可靠性。同時(shí)，考慮到SiC MOSFET等寬禁帶開關(guān)器件的普及，在此類應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)電壓以及開關(guān)頻率提高，功率管對(duì)寄生參數(shù)更加敏感。為了覆蓋這種更惡劣的應(yīng)用場景，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，TI推出的新一代低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)芯片UCC27624針對(duì)以上提到的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，作出了相應(yīng)優(yōu)化，大大提升了芯片的魯棒性：
1. 高達(dá)30V的VDD最大耐壓值，提升了安全裕度；
2. 提高了內(nèi)部LDO的噪聲抑制能力，從而提升了芯片在噪聲環(huán)境中的魯棒性；
3. 低至-10V的輸入耐壓能力；
4. 更寬的輸出電壓脈沖承受能力，以及-5A的反向脈沖電流承受能力。
總結(jié)
本文分析了低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸入，輸出以及供電級(jí)可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)，并分別提出相應(yīng)優(yōu)化措施，提高系統(tǒng)在日益惡劣的工況中運(yùn)行的可靠性。另外，本文還介紹了TI 新一代柵極驅(qū)動(dòng)器UCC27624針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)作出的改進(jìn)。有助于工程師設(shè)計(jì)出魯棒性更強(qiáng)的系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
How to overcome negative voltage transients on low-side gate drivers' inputs
來源：TI，作者： Terry Liang
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