柵級驅動及工業汽車MCU

印寧華|印寧華|Indining China|

2022-06-28 14:53:21 54

概述
閘級功率放大器（Gate Driver），也稱柵（閘）級驅動器，可以讓控制集成電路產生的小功率訊號來驅動功率晶體（例如IGBT或是功率級MOSFET）的閘極。柵級驅動器可能是附在功率晶體上甚至集成進MCU內部，也有可能是獨立的元件。柵級驅動器會包括位準轉換器以及放大器電路。

目的

MOSFET和雙極性晶體管不同，MOSFET在沒有切換（切換導通或是切換關斷）時，不需要固定的功率輸入。MOSFET的隔離柵極會形成電容器（柵極電容），在每一次切換導通或關閉時，會需要充電或放電。晶體管的基極至少需要特定的電壓才能導通，同樣的，閘極電容需要一定的電壓才能充電，讓晶體導通。同樣的，若要關斷晶體，也需要釋放電容器上的電荷，因此閘極電容也需要放電。

在功率晶體導通或是關斷，不會立刻就切換到完全導通或是完全不導通的狀態，切換過程中可能會有短暫時間通過大電流，且功率晶體上有較大的電壓。因此在切換時會使晶體發熱，若控制不當，甚至會破壞功率晶體。因此有需要使切換時間越短越好，以降低其切換損失。一般的切換時間約在微秒等級。晶體的切換時間和驅動閘極需要的電流成反比。因此切換電流一般會要求在數百毫安的等級，甚至會到數安培的大小，因為一般的閘極電壓會在10-15V之間，切換時會需要消耗數瓦特的功率。假如需要高速的切換大電流，例如直流-直流轉換器或是大型的電動機，會將數個功毫安并聯，以提供夠大的切換電流及功換功率。

功率晶體的切換信號一般是由邏輯電路或是單片機提供，其輸出信號的電流一般會限制在數毫安。若功率晶體直接以此信號驅動，其切換速度會非常的慢，而且產生的切換損失很大。在切換時，柵極電容會快速的抽電流，可能會從邏輯電路或是單片機抽取過多的電流，造成元件的*損壞。為了避免此一情形，會在邏輯電路及單片機輸出電路和功率晶體之間加上柵級驅動器。

常見的BLDC直流無刷電機仿真分析（Gate Driver）應用框圖

柵級驅動器在H橋中的應用

H橋的高電壓端驅動器會使用電荷泵作為柵級驅動器，以切換高電壓端n-channel的功率MOSFET及絕緣柵雙極晶體管。使用這類元件的原因是其性能*，但是需要比電源軌電壓小一些的閘級電壓。若半橋的中心點電壓降低時，電容可以透過二極管充電，電荷會在稍晚時間驅動高電壓端的FET柵極，使其電壓略高于電源軌電壓，使此導通。此法可以讓橋式電路定期切換，也避免了隔離的電源供應器，可以在高電壓端及低電壓端都使用效率較好的n-channel元件。

NXP集成GateDriver的工業電機及汽車應用的MCU

S12ZVM混合信號MCU，適用于汽車和工業電機控制應用

16位S12MagniV?S12ZVM混合信號微控制器系列提供了最小、高效、可擴展的三相電機控制解決方案，適用于工業和汽車的無刷直流(BLDC)電機、永磁同步電機(PMSM)或開關磁阻電機(SRM)控制應用。

S12ZVM MCU集成了12 V至5 V的穩壓器、LIN物理層或CAN物理層以及柵極驅動器單元(GDU)，以控制六個功率MOSFET。

特征

增強型S12Z內核，50 MHz總線頻率
16kB - 256kB閃存(ECC)
128B - 1kB EEPROM (ECC)
2kB - 32kB RAM (ECC)
6通道PMF 15位PWM，用于電機控制與死區時間、故障管理
雙12位模數轉換器(ADC)
同步ADC轉換的可編程觸發單元(PTU)
3.5至20V工作電壓范圍
CAN物理層(僅限S12ZVMC256)
LIN物理層(僅限S12ZVML128、S12ZVML64、S12ZVML32和S12ZVML31)
6個功率MOSFET的柵極驅動電路 (GDU)
面向電流測量/感應的2個運算放大器

應用

工業控制

三相交流感應電機
無刷直流電機(BLDC)控制
永磁同步電機(PMSM)
電機驅動器
運動控制和機器人

汽車電子

暖通空調(HVAC)

常見的集成了GDU閘級驅動單元的MCU電機應用電路框圖

常見的MCU+Gate Driver+MOSFET電機驅動框圖

某國產品牌MCU廠家內部集成了GDU框圖

GDU單元的承受及輸出電壓參數值

隔離型半橋驅動內部結構

低電壓控制器實現對高壓MOSFET驅動應用中，采用電隔離高壓高能量MOSFET瞬態成為安全與高性能的必選項。

延展閱讀

Gate Driver

The gate driver is used to control the external N-Channel MOSFET by setting the GATE to ANODE voltage to the corresponding mode of operation. There are four defined modes of operation that the gate driver operates under forward regulation, full conduction mode, reverse current protection and VDS clamp mode according to the ANODE to CATHODE voltage. These modes of operation are described in more detail in the Regulated Conduction Mode, Full Conduction Mode, Reverse Current Protection Mode and VDS Clamp Mode sections. Figure 8-2 depicts how the modes of operation vary according to the ANODE to CATHODE voltage of the LM74701-Q1. The threshold between forward regulation mode and conduction mode is when the ANODE to CATHODE voltage is 50 mV. The threshold between forward regulation mode and reverse current protection mode is when the ANODE to CATHODE voltage is –11 mV. The threshold between reverse current protection mode and VDS clamp mode is when the ANODE to CATHODE voltage is –39-V typical.

Gate Driver Mode Transitions

Before the gate driver is enabled following three conditions must be achieved:

The EN pin voltage must be greater than the specified input high voltage.
The VCAP to ANODE voltage must be greater than the undervoltage lockout voltage.
The ANODE voltage must be greater than VANODE POR Rising threshold.

If the above conditions are not achieved, then the GATE pin is internally connected to the ANODE pin, assuring that the external MOSFET is disabled. After these conditions are achieved, the gate driver operates in the correct mode depending on the ANODE to CATHODE voltage.

英飛凌EiceDRIVER?系列的Gate Driver家族

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