车用栅极驱动器涵盖所有应用 助力汽车系统设计

　　内燃机（ICE）、混合动力汽车以及电动汽车继续推动新型功率半导体支持技术的发展。低压和高压应用中的功率器件需要以逐渐增加的频率运行、具有更强的抗干扰能力和更高的效率。扩展MOSFET和IGBT器件在负载管理、功率逆变器、柴油/汽油喷油器、发动机阀和电机驱动器方面的用途，使得车用栅极驱动器的需求日益增长。

　　HEV/EV汽车的电气结构在所有原始设备制造商中逐渐协调。常见构建模块反过来推动半导体制造商开发符合汽车标准（AECQ100和Q101）的新一代元件。稳健的高电流、高电压MOSFET、IGBT、高电压整流器和支持控制IC都不再罕见。飞兆半导体的AECQ100栅极驱动器系列包括所有高电流低端、高电压IC（HVIC）、高端和HVIC半桥（高和低）端栅极驱动器以适应广泛应用。

　　飞兆半导体汽车栅极驱动器产品组合的最新成员将HVIC产品线扩展到逆变器和电机驱动应用所需的高峰值电流范围。FAN7171_F085高边和FAN7190_F085高边和低边栅极驱动器IC都是使用高达+600V电压进行操作的单片器件车用系统中需要各类栅极驱动器的常用拓扑结构现在正在研发。

　　高电流低边栅极驱动器

　　从压电式喷油器到低功率转换器的接地源电路中，低边栅极驱动器常用于驱动MOSFET单栅极驱动器和双栅极驱动器均采用业界标准引脚，可选择输入逻辑电平（CMOS或TTL），使能或禁用电路，以及双逻辑输入。飞兆半导体车用低端栅极驱动器的输出阶段利用Miller Drive TM架构，该架构包括一个与MOSFET并联的双极型器件。（图1）该双极型器件旨在提供高峰值电流，用于在开启或关断周期内加速通过米勒效应平台区域的转换。并联MOSFET提供最低电压降。

　　

　　图1高电流低边栅极驱动器的MillerDriveTM架构输出级

　　常见用途包括升压转换器中的前端MOSFET，为接地源配置中的器件和MOSFET充电的PFC前端的MOSFET和IGBT。

　　双通道2A和双通道4A低边器件在50W到500W的AC功率转换器的第一阶段很常用，使用频率范围从50kHz到50kHz的标准拓扑结构。可直接在12V电池电源中工作的最常见拓扑是推挽结构。输出电压通常在170Vdc到280Vdc之间。额定功率为200w或更高升压转换器的另一项应用是用作HEV/EV高压电轨应急电源，仅用12V的电源就能够有效“启动”故障车辆。

　　

　　图2推挽前端与同步整流器输出

　　低功率转换器通常使用简单整流器进行输出。然而，高压整流器可用同步整流代替，实现更高输出功率和更高效率，如图2所示，使用诸如FAN3227_F085等双通道低边高电流栅极驱动器驱动MOSFET。

　　HVIC半桥和高边驱动器

　　使用小于1A的峰值输出电流的车用HVIC驱动器将会逐渐增多。这些驱动器可用于高达600V的高压负载。从低压电池以12V或24V运行低压负载也是很经济的。带有适当栅极电阻网络的较低输出电流可提供更低的PWM电磁辐射，从几百赫兹到几十千赫兹。

　　使用HVIC时，即使在较低电压（12V或24V）情况下，使用高边驱动器，半桥、全桥和多相桥来驱动负载仍具有实用价值和经济意义。除了HEV/EV外，如电动助力转向中，这一拓扑得到充分体现。图3显示了一个用于单端负载PWM的通用半桥配置，可进行有效再循环。此半桥拓扑可用于接地负载或连接电池的负载，以及其它各种电源电压。全桥或多相配置可用于往复雨刷、可逆流动循环泵和双向冷却风扇。

　　

　　图3 HVIC半桥

　　在中压应用（V_Load约为100V）中，如一些柴油喷射应用，高边HVIC栅极驱动器可提供卓越的性能。FAN7081_GF085、FAN7083_GF085和FAN7085_GF085都比较适合此类市场。在一些负载主要是电容性的负载配置中，在每个周期中，建立升压电容自举电压可能需要一个DC再充电路径。FAN7085_GF085为该负载配置提供了特殊功能，通过内部延迟来防止再充电路径中的击穿传导。

　　

　　图4 HVIC高边及Vboot再充电功能

　　HVIC高电流驱动器

　　高功率DC/DC转换器在HEV/EV电气系统中比较常见。这些通常都是全桥前端驱动的正向转换器。关键特性包括：

　　1. 主牵引升压转换器，将主要电池从特定充电电压（大约150V到300V）提升至驱动电压，可能是600V或者更高。额定功率由车辆牵引功率决定。

　　2. 用于附件的降压转换器，代替HEV/EV汽车的交流发电机和12V/24V电池，驱动照明、雨刷、HVAC、除霜装置、座椅、娱乐信息系统、电动窗以及其它所有低压设备。其中一些是双向的，使用低功率反向模式来替代应急电源（快速启动）升压逆变器。正向时功率可能在1.5KW到3KW之间。这些转换器必须在与牵引升压转换器相同的输入电压范围内工作。

　　3. 充电设备中的降压转换器将离线PFC升压电压（约400V）降低成一个可调充电电压。转换器的大小由其目标兼容性以及AC电源确定。

　　由于高功率要求，所需工作频率持续提高以减少磁路重量和体积。使用现今的IGBT进行的设计通常被限制为小于100kHZ。使用MOSFET的应用可能以250kHZ或者更高的功率工作。许多设计采用诸如串联谐振操作和零电压开关这类技术要驱动这些较大功率全桥应用中使用的大功率器件，进行快速开关和精度控制，飞兆半导体高电流HVIC提供超过4Amp的峰值灌电流和拉电流，加快上升和下降时间（小于15/25nS）并降低传导时间（小于150nS）。实现运行稳健性的关键特征包括采用滞洄的输入抗干扰性能和输出共桥点上允许的较大负电压摆幅。飞兆半导体将后者称之为–Vs额定值，对于所有符合AECQ100的HVIC而言，当Vb=15V时，该值通常为-9.8V。为了防止栅极驱动不足，对每个循环周期都进行欠压锁定操作。它们独立于FAN7190_F085的高低驱动器部分。

　　选择设计方面

　　进行实际设计时，栅极电路上的电阻网路必须是最小的，以便控制峰值栅极电流，提高瞬态免疫性，改善辐射，抑制诸如栅极振荡等寄生效应，在供电和省电模式下创造众所周知的“关闭”条件。注意，寄生电感、大电流通路中的偏压以及开关瞬态都是很重要。产品资料和应用指南均提供了栅极电流通路中针对导通和关断周期的重要指导。

　　在HVIC中，接在Vs和中心负载点之间如串联电阻一样简单的元件可以提高瞬态免疫性。尤其要注意自举电源以保护Vb瞬态，防止导致IC失效的过压状况。常见的一个错误是根据充电时间、栅极导通峰值电流和导通状态下的电流消耗选择自举电容的结构和电气参数。这里提供若干应用指南可帮助设计人员为低边和高边驱动电路选择元件，并根据设计选择HIVC自举元件。

　　栅极驱动器的电路模拟通常是由简单的行为模型完成的。理想电源可用于已定义的上升和下降时间，传播延迟以及数据表中的其它关键特征。电流驱动能力可使用串联输出电阻来模拟，选择该电阻用于支持峰值栅极电流以及Vb/2时的输出，如数据表所示。

　　幸运的是，HEV/EV技术的发展为今天的设计人员提供丰富的知识和参考资料，这些参考资料在几年前都并不存在。随着多个OEM的出现，产生了新一代具有广阔市场的高压系统汽车，这里也提供一些实践经验。在当今的半导体行业中，通过客户让供应商了解未来的功能需求。

　　作者：飞兆半导体公司John Hargenrader

本文转摘自电子发烧友网《汽车电子特刊》5月刊