从车规级驱动芯片厂商技术路线看三相栅极驱动动向

现阶段，大部分和汽车相关的芯片价格都在上涨，缺货必然伴随着涨价。车规级主控MCU、车规级电源芯片以及车规级驱动芯片，占了汽车行业缺芯的绝大部分，剩下的才是信号链通信芯片。
 
众所周知，如果能够让功率器件保持在最大输出功率上那当然是最好的，但是往往驱动是没法这么稳定的。如何在保持功率和关断间掌握好火候成了考量驱动性能的一个重难点。目前车规级的栅极驱动一般有符合标准的全桥和三相桥驱动，在低压车规级应用里有很多应用空间。
 
英飞凌：拔高工艺与性能
 
车规芯片一直都是英飞凌拿手的，这些栅极驱动器IC涵盖MOSFET、IGBT和SiC技术，在12 V至1200 V的汽车应用中总少不了这些驱动的身影。英飞凌的三相栅极驱动一般应用在低压域，诸如电动助力转向，制动助力器，MHEV起动发电机等等。

 

（图源：英飞凌）

英飞凌的驱动IC，采用了MOTIX Driver工艺，专门用于控制6至12个外部MOSFET，可以构成汽车行业高电流三相电机驱动的转换器。这类驱动除了本身工艺参数需要足够优秀外，更看重集短路检测、诊断和高输出结合。尤其是在汽车应用上，车规级应用的典型特定要求需要器件即使在低电池电压下也能实现全部功能。英飞凌的驱动中3个高端和3个低端输出级功能强大，足以驱动栅极电荷为400nC、下降和上升时间约为150ns的MOSFET。
 
在英飞凌的驱动IC上，且不看检测功能集成，其本身在低至5.5V电源栅极电压下能达到脉宽调制频率高达30kHz就已经足够惊人。PWM 0到100%的占空比配置也给予了器件相应的灵活度。较为独特的是，驱动IC的各MOSFET有单独的输入和源极连接，并通过集成最小死区时间让整个器件的效率更近了一步。0.8A和1.5A的拉/灌电流同样保证了驱动效率。
 
从另一方面看，对器件的监控也是车规级应用中越来越重视的功能。英飞凌在驱动IC上配置了安全相关应用的外部5V监控。在封装上器件VQFN48的封装，带散热焊盘确保了出色的冷却效果。作为车规级芯片大厂，英飞凌在这类驱动上的设计有很多值得参考的地方。
 
TI：车规级驱动智能化
 
TI的Smart gate drive在车规级驱动里也是极为出名的系列，主打一个“智能”。系列里的三相栅极驱动都基于TI的智能栅极驱动架构（SGD），无需任何外部栅极组件（电阻器和齐纳二极管），为外部FET提供全面保护。

 

（图源：TI）

SGD 架构首先通过优化死区时间避免了器件击穿问题的出现，再通过栅极压摆率控制技术降低电磁干扰（EMI）方面大大提高了灵活性。该架构还能通过VGS和死区插入方法防止栅极短路与栅极导通。该架构有着15mA至150mA的峰值拉电流和30mA至300mA峰值灌电流。单从架构上来说，其提供的保护和可配置性提高了设计的简单性，并为系统带来了新的智能水平。
 
三相智能栅极驱动同样支持0至100%占空比的PWM控制模式。这些模式可根据具体的控制要求减少控制器的输出外设数量，提供极大的控制灵活性。MOSFET过流保护、击穿保护、欠压闭锁等等保护特性也都一个不少地配置在器件中。Smart gate drive里DRV8XXX系列，符合车规级应用的驱动无一例外全部缺货。
 
ST：驱控与保护结合
 
ST的STDRIVE系列驱动运动控制系统上提供了广泛的电流输出驱动能力和配置选择，不仅有独立高侧和低侧驱动，还配置具有死区时间，同时STDRIVE高电压驱动器含有运算放大器和比较器能帮助设计转换器保护电路。作为运控领域的大厂，ST将控制与保护结合得很流畅。

 

（图源：ST）

STDRIVE系列的车规三相栅极驱动能提供350 mA的灌电流和200 mA的拉电流，电流驱动能力绝对的行业一流水平，总延迟极低，仅为85n，在中高功率应用中都有不少应用。STDRIVE系列的车规三相栅极驱动采用了“BCD”离线技术，该技术在大幅增强驱动能力的同时，增强了互锁和死区功能，可防止交叉传导大大提升了芯片的安全性。
 
在驱控能力已经达标的情况下，ST的三相栅极驱动系列内嵌的比较器还集成了先进的SmartSD功能，确保快速有效地防止过流、超温等故障发生，进一步增强了对器件的保护。在低侧和每个高侧驱动部分有专门的UVLO保护，可防止电源开关在低效率或危险条件下工作。在驱控和器件保护的结合上，ST的策略极为稳妥。
 
小结
 
随着汽车电子化程度和集成度越来越高，汽车中负载的种类和路数也不断增加，对各种驱动的需求也在相应增加。车规级驱动芯片可以说直接决定了元件的性能能否充分发挥。总的来说，驱动作为场控核心，这几家车规大厂都有自己的独有技术来提高驱动效率并给予器件充分的保护，在智能化上也做了很多功能的补充，给车规级驱动芯片做了相当大的性能拔高。