深入解析 onsemi NCx57080y/NCx57081y 高电流单通道 IGBT/MOSFET 栅极驱动器

在高功率应用领域，工程师们一直在寻找能够提升系统效率和可靠性的关键组件。onsemi 的 NCx57080y 和 NCx57081y 高电流单通道 IGBT/MOSFET 栅极驱动器就是这样一款出色的产品。今天，我们就来深入剖析这款驱动器的特点、应用以及使用中的关键要点。

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产品概述

NCx57080y 和 NCx57081y 具有 3.75 kVrms 内部电流隔离，专为高功率应用中的高系统效率和可靠性而设计。它接受互补输入，根据引脚配置，提供了多种选项，如主动米勒钳位（版本 A）、负电源（版本 B）以及单独的高低（OUTH 和 OUTL）驱动器输出（版本 C），为系统设计带来了极大的便利。该驱动器可适应 3.3 V 至 20 V 的宽范围输入偏置电压和信号电平，采用窄体 SOIC - 8 封装。
 

框图

一、产品概述

NCx57080y 和 NCx57081y 是 onsemi 推出的高电流单通道 IGBT/MOSFET 栅极驱动器，具备 3.75 kVrms 内部电流隔离特性。在高功率应用里，系统的效率和可靠性至关重要，而这款驱动器正能满足这两方面的需求。它接受互补输入，并且依据不同的引脚配置，提供了多种实用选项。比如版本 A 具备主动米勒钳位功能，版本 B 支持负电源，版本 C 则提供单独的高低（OUTH 和 OUTL）驱动器输出，这极大地方便了系统设计。该驱动器可适应 3.3 V 至 20 V 的宽范围输入偏置电压和信号电平，采用窄体 SOIC - 8 封装，在空间利用上也较为出色。

二、产品特性

1. 高输出电流：拥有高达 ±6.5 A 的高峰值输出电流，能够为 IGBT/MOSFET 提供强劲的驱动能力，确保其稳定工作。
2. 低钳位电压降：在版本 A 中，低钳位电压降特性消除了对负电源的需求，有效防止了虚假栅极导通现象，提高了系统的稳定性。
3. 短传播延迟与精确匹配：具备短传播延迟且能精确匹配，保证了信号传输的及时性和准确性，减少了信号失真。
4. 栅极钳位与主动下拉：在短路时能够对 IGBT/MOSFET 栅极进行钳位，并实现主动下拉，保护器件免受损坏。
5. 宽偏置电压范围：包括负 VEE2（版本 B），能适应不同的电源环境，增强了驱动器的通用性。
6. 逻辑输入兼容性：支持 3.3 V、5 V 和 15 V 逻辑输入，方便与各种逻辑电路接口。
7. 高隔离电压：达到 3.75 kVRMS VISO (I - O)，满足 UL1577 要求，同时还获得了多项安全和法规认证，如 UL1577 认证、DIN VDE V 0884 - 11 认证（待通过），确保了使用的安全性。
8. 高抗干扰能力：具有高瞬态抗扰度和高电磁抗扰度，能在复杂的电磁环境中稳定工作。
9. 汽车级应用支持：NCV 前缀适用于汽车和其他有独特场地和控制变更要求的应用，经过 AEC - Q100 认证且具备 PPAP 能力。
10. 环保特性：该器件无铅、无卤素/无溴化阻燃剂，符合 RoHS 标准，响应了环保需求。

三、典型应用

1. 电机控制：在电机控制系统中，该驱动器能够为 IGBT/MOSFET 提供稳定的驱动信号，确保电机的精确控制和高效运行。
2. 不间断电源 (UPS)：为 UPS 中的功率器件提供可靠的驱动，保障在市电中断时能够及时切换到备用电源，维持设备的正常运行。
3. 汽车应用：凭借其汽车级的认证和特性，可用于汽车电子系统中的功率转换和控制，如电动汽车的电机驱动等。
4. 工业电源：在工业电源领域，能够提高电源的效率和可靠性，满足工业设备对电源的高要求。
5. 太阳能逆变器：帮助太阳能逆变器将直流电转换为交流电，提高太阳能的利用效率。
6. 暖通空调 (HVAC)：用于 HVAC 系统中的压缩机控制等，实现节能和稳定运行。

四、电气特性详解

1. 电源电压相关特性
   • 欠压锁定 (UVLO)：UVLO 功能确保了连接到驱动器输出的 IGBT/MOSFET 能够正确开关。当输入侧电源 VDD1 低于 VuvLO1 - OUT - OFF 或输出侧电源 VDD2 低于 VuvLO2 - OUT - OFF 时，IGBT/MOSFET 会被关断，输出被禁用。只有当 VDDX 上升到 VuvLOX - OUT - ON 以上，且输入信号的上升沿施加到 IN + 或 IN - 时，驱动器输出才会跟随输入信号。
   • 电源静态电流：输入侧和输出侧电源在不同状态下的静态电流较小，如输入侧在 IN + 和 IN - 为低电平时，IDD1 - 0 - 3.3、IDD1 - 0 - 5、IDD1 - 0 - 15 均为 2 mA，输出侧在无负载且 IN + 和 IN - 为低电平时，IDD2 - 0 和 IDD2 - 100 也为 2 mA，这有助于降低系统功耗。
2. 逻辑输入与输出特性
   • 输入电压阈值：IN + 和 IN - 的低输入电压 VIL 为 0 至 0.3xVDD1，高输入电压 VIH 为 0.7xVDD1 至 VDD1，且具有 0.15xVDD1 的输入滞后电压，确保了输入信号的稳定识别。
   • 输入电流：在不同的输入电压和 VDD1 下，IN - 和 IN + 的输入电流较小，如 VIN - = 0V 时，IN - 在 VDD1 为 3.3 V、5 V、15 V、20 V 时输入电流均为 100 μA，这对前级驱动电路的负载要求较低。
3. 驱动器输出特性
   • 输出高低电平电压：输出低电平 VOUTL1 和 VOUTL2 在不同的负载电流下有相应的电压降，如 ISINK = 200 mA 时，VOUTL2 为 - 0.15 至 0.3 V；输出高电平 VOUTH1 和 VOUTH2 在不同的负载电流下也有明确的电压范围，如 ISRC = 200 mA 时，VOUTH2 为 0.2 至 0.35 V。
   • 峰值驱动电流：源极和漏极的峰值驱动电流分别可达 6.5 A，能够满足 IGBT/MOSFET 的快速开关需求。
4. 米勒钳位特性（版本 A）
   • 钳位电压：在不同的负载电流和温度下，钳位电压 VCLAMP 有明确的范围，如 ICLAMP = 2.5 A 且 TA = 25°C 时，VCLAMP 为 2 至 3.5 V。
   • 钳位激活阈值：VCLAMP - THR 为 1.5 至 2.5 V，当栅极电压低于该阈值时，钳位功能启动，防止 IGBT/MOSFET 误开启。
5. IGBT 短路钳位特性
   • 在不同的输入和负载条件下，如 IN + 为低、IN - 为高且 CLAMP - OUT/OUTH = 500 mA 时，钳位电压 VCLAMP - OUTH 为 0.7 至 1.3 V，确保在短路时能够对 IGBT 进行有效保护。
6. 动态特性
   • 传播延迟：IN + 和 IN - 到输出高的传播延迟在不同的 VDD1 和负载电容下有一定的范围，如 CLOAD = 10 nF 且 VDD1 = 3.3 V 时，tPD - ON - 3.3 为 40 至 90 ns，保证了信号传输的及时性。
   • 上升和下降时间：在负载电容 CLOAD = 1 nF 时，上升时间 tRISE 和下降时间 tFALL 典型值均为 13 ns，有助于实现快速开关。

五、使用注意事项

1. 欠压锁定 (UVLO) 相关
   • 当驱动高负载栅极电容（超过 10 nF）时，要严格遵循去耦电容的布线指南，去耦电容值至少为 10 μF，同时要使用最小阻值为 2 Ω 的栅极电阻，以避免高 di/dt 对内部电路（如 UVLO2）产生干扰。
   • 驱动器上电后，需要在 IN + 施加上升沿或在 IN - 施加下降沿，输出才会开始跟随输入，这可以防止在 VDD1 或 VDD2 在输入 PWM 脉冲中间施加时输出产生部分脉冲。
2. 主动米勒钳位保护
   • 版本 A 中，为防止 IGBT/MOSFET 因米勒电容的额外电荷而开启，CLAMP 引脚应直接连接到 IGBT/MOSFET 栅极，通过低阻抗的 CLAMP 晶体管吸收米勒电流。
   • 当应用中控制单元和驱动器输入侧使用独立或分离的电源时，所有输入都应通过串联电阻进行保护，以防止驱动器电源故障时输入保护电路过载损坏驱动器。
3. 电源供应
   • 驱动器的 A 和 C 版本支持单极性电源，B 版本支持双极性电源。对于可靠驱动 IGBT/MOSFET 栅极，需要合适的外部电源电容。在大多数应用中，100 nF + 4.7 μF 低 ESR 陶瓷电容的并联组合是不错的选择；对于栅极电容超过 10 nF 的 IGBT 模块，可能需要更高的去耦电容（如 100 nF + 10 μF），并且电容应尽可能靠近驱动器的电源引脚。
   • 在双极性电源中，通常 VDD2 提供 15 V 正电压，VEE2 提供 - 5 V 负电压，负电源可以防止通过内部 IGBT/MOSFET 输入电容的动态开启；在单极性电源中，通常 VDD2 提供 15 V 正电压，版本 A 的主动米勒钳位功能可以防止因内部米勒电容引起的误开启。

六、总结

onsemi 的 NCx57080y 和 NCx57081y 高电流单通道 IGBT/MOSFET 栅极驱动器以其丰富的特性、广泛的应用场景和出色的电气性能，为高功率应用领域提供了一个可靠的解决方案。作为电子工程师，在设计高功率系统时，充分了解和合理应用这款驱动器，能够有效提升系统的效率和可靠性。大家在实际应用中是否遇到过类似驱动器的使用难题呢？欢迎在评论区分享交流。