深入解析 NCP51563：高性能隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器

在電力電子領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 等功率開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵組件。今天，我們將深入探討 onsemi 推出的 NCP51563 隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，它具備諸多卓越特性，能滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

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產(chǎn)品概述

NCP51563 是一款隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，源極和灌極峰值電流分別可達(dá) 4.5 - A 和 9 - A，專為快速開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，可有效驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 功率開(kāi)關(guān)。它具有短且匹配的傳播延遲，輸入到每個(gè)輸出之間有 5 kVRMS 的內(nèi)部電流隔離，兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器之間有內(nèi)部功能隔離，允許高達(dá) 1850 VDC 的工作電壓。該驅(qū)動(dòng)器可用于雙低端、雙高端開(kāi)關(guān)或半橋驅(qū)動(dòng)器的任何可能配置，并具有可編程死區(qū)時(shí)間。ENA/DIS 引腳可在設(shè)置為低或高時(shí)分別同時(shí)關(guān)閉兩個(gè)輸出，以實(shí)現(xiàn)啟用或禁用模式。此外，它還提供獨(dú)立的欠壓鎖定（UVLO）和死區(qū)時(shí)間調(diào)整等重要保護(hù)功能。

特性亮點(diǎn)

靈活配置

NCP51563 具有高度的靈活性，可作為雙低端、雙高端或半橋柵極驅(qū)動(dòng)器使用。這種靈活的配置方式使得它能夠適應(yīng)不同的電路設(shè)計(jì)需求，無(wú)論是在簡(jiǎn)單的電路還是復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，都能發(fā)揮出色的性能。

強(qiáng)大的輸出電流能力

它具備 4.5 - A 峰值源電流和 9 - A 峰值灌電流輸出能力，能夠?yàn)楣β书_(kāi)關(guān)提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，確保開(kāi)關(guān)的快速、穩(wěn)定切換。在實(shí)際應(yīng)用中，這種強(qiáng)大的輸出電流能力可以有效降低開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的效率。

獨(dú)立的 UVLO 保護(hù)

兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器都具有獨(dú)立的欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng)電源電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，UVLO 會(huì)禁用柵極驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)，從而保護(hù)功率開(kāi)關(guān)免受過(guò)低電壓的影響，提高系統(tǒng)的可靠性。

高共模瞬態(tài)抗擾度

共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）大于 200 V/ns，這意味著該驅(qū)動(dòng)器能夠在高共模電壓變化的環(huán)境下保持穩(wěn)定的輸出，有效抵抗共模干擾，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

可編程功能

用戶可以通過(guò) ANB 引腳選擇單輸入或雙輸入模式，還能設(shè)置啟用或禁用模式。此外，死區(qū)時(shí)間也可以通過(guò)外部電阻進(jìn)行編程，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)死區(qū)時(shí)間的精確要求。

隔離與安全

NCP51563 提供 5 kVRMS 的 1 分鐘隔離（符合 UL1577 要求）和 8000 VPK 的加強(qiáng)隔離電壓（符合 VDE0884 - 11 要求），并獲得了 CQC 認(rèn)證（GB4943.1 - 2011）和 SGS FIMO 認(rèn)證（IEC 62386 - 1）。同時(shí)，它是無(wú)鉛器件，符合環(huán)保要求。

典型應(yīng)用

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，NCP51563 的快速開(kāi)關(guān)特性和強(qiáng)大的輸出電流能力能夠確保電機(jī)的高效運(yùn)行。它可以精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的性能和可靠性。

隔離式轉(zhuǎn)換器

在 DC - DC 和 AC - DC 電源供應(yīng)服務(wù)器、電信和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，NCP51563 可用于隔離式轉(zhuǎn)換器中。其隔離特性能夠有效防止不同電路之間的干擾，提高電源的穩(wěn)定性和安全性。

UPS 和太陽(yáng)能逆變器

在不間斷電源（UPS）和太陽(yáng)能逆變器中，NCP51563 可以為功率開(kāi)關(guān)提供可靠的驅(qū)動(dòng)，確保系統(tǒng)在各種工況下都能正常工作。它的高共模瞬態(tài)抗擾度和可編程功能能夠適應(yīng)復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和效率。

電氣特性

電源部分

• 初級(jí)電源：VDD 靜態(tài)電流典型值為 500 μA，VDD 欠壓鎖定（UVLO）閾值和遲滯特性確保了電源的穩(wěn)定供應(yīng)。
• 次級(jí)電源：VCCA 和 VCCB 在不同輸入條件下的靜態(tài)電流和 UVLO 閾值也有明確的規(guī)定，不同的 UVLO 版本適用于不同的應(yīng)用需求。

邏輯輸入部分

INA、INB 和 ANB 引腳的邏輯輸入電壓范圍為 0 - 18 V，ENA/DIS 引腳的邏輯輸入電壓范圍為 0 - 5.0 V。對(duì)于啟用版本和禁用版本，分別有不同的高低電平閾值和邏輯遲滯。

死區(qū)時(shí)間和重疊部分

最小死區(qū)時(shí)間為 0 ns，死區(qū)時(shí)間可以通過(guò)外部電阻 RDT 進(jìn)行編程控制。OUTA 和 OUTB 之間的重疊閾值電壓也有明確的規(guī)定。

柵極驅(qū)動(dòng)部分

OUTA 和 OUTB 的源極和灌極峰值電流在不同條件下有相應(yīng)的數(shù)值，輸出電阻在高電平和低電平狀態(tài)下也有規(guī)定，輸出電壓在不同負(fù)載電流下也有明確的范圍。

動(dòng)態(tài)電氣特性

包括導(dǎo)通和關(guān)斷傳播延遲、脈沖寬度失真、通道間延遲匹配等參數(shù)，這些參數(shù)在不同的測(cè)試條件下有相應(yīng)的典型值和最大值，確保了驅(qū)動(dòng)器在動(dòng)態(tài)工作時(shí)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

保護(hù)功能

欠壓鎖定保護(hù)

NCP51563 為初級(jí)側(cè)的 VDD 和次級(jí)側(cè)的 VCCA、VCCB 提供欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)。當(dāng)電源電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出將被禁用，防止功率開(kāi)關(guān)在低電壓下工作，保護(hù)設(shè)備安全。

交叉導(dǎo)通保護(hù)

在半橋類型的死區(qū)時(shí)間控制模式下，交叉導(dǎo)通保護(hù)可以防止高端和低端開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，避免短路故障。當(dāng) DT 引腳被拉至 VDD 時(shí)，允許高端和低端開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，提供了一定的拓?fù)潇`活性。

可編程死區(qū)時(shí)間控制

死區(qū)時(shí)間可以通過(guò)外部電阻 RDT 進(jìn)行編程控制，避免兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出之間的交叉導(dǎo)通。當(dāng) DT 引腳開(kāi)路時(shí)，有最小死區(qū)時(shí)間限制；當(dāng) DT 引腳接特定電阻時(shí)，死區(qū)時(shí)間根據(jù)電阻值進(jìn)行調(diào)整；當(dāng) DT 引腳拉至 VDD 時(shí)，允許輸出重疊。

應(yīng)用信息

電源供應(yīng)建議

在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸出到柵極的電流來(lái)自 VCCA 和 VCCB 電源引腳。因此，VCCA 和 VCCB 引腳應(yīng)使用至少為柵極電容 10 倍且不小于 100 nF 的電容進(jìn)行旁路，并盡可能靠近器件放置，以實(shí)現(xiàn)去耦。推薦使用 100 nF 的陶瓷表面貼裝電容和幾微法的表面貼裝電容并聯(lián)。此外，VCCX 從 5 - V 到 6 - V 的上升時(shí)間在初始啟動(dòng)時(shí)應(yīng)至少為 16 μs。

輸入級(jí)

NCP51563 的輸入信號(hào)引腳基于 TTL 兼容輸入閾值邏輯，與 VDD 電源電壓無(wú)關(guān)。輸入信號(hào)引腳的阻抗典型值為 200 kΩ，INA、INB 和 ANB 引腳拉至 GND 引腳，ENA/DIS 引腳在啟用版本中拉至 VDD 引腳，在禁用版本中拉至 GND 引腳。為了減少系統(tǒng)噪聲和地彈的影響，建議在輸入信號(hào)引腳添加 RC 濾波器，但需要注意在良好的抗噪性和傳播延遲之間進(jìn)行權(quán)衡。

輸出級(jí)

輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)采用上拉和下拉結(jié)構(gòu)，上拉結(jié)構(gòu)由 PMOS 級(jí)組成，下拉結(jié)構(gòu)由 NMOS 器件組成。在 25°C 時(shí)，上拉和下拉開(kāi)關(guān)的輸出阻抗能夠提供約 +4.5 A 和 - 9 A 的峰值電流，在 - 40°C 時(shí)，最小灌電流和源電流分別為 - 7 A 和 +2.6 A。

驅(qū)動(dòng)電流能力考慮

峰值源電流和灌電流能力應(yīng)大于平均電流?？梢愿鶕?jù)所需的柵極電荷和開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)器電流額定值，以確保驅(qū)動(dòng)器能夠滿足功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)需求。

柵極電阻考慮

柵極電阻的大小可以減少寄生電感和電容引起的振鈴電壓，但會(huì)限制柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的電流能力?？梢酝ㄟ^(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算由導(dǎo)通和關(guān)斷柵極電阻引起的受限電流能力值。

輸出級(jí)負(fù)偏置應(yīng)用電路

對(duì)于 SiC MOSFET 的應(yīng)用，需要考慮其獨(dú)特的工作特性。通過(guò)在柵極驅(qū)動(dòng)上施加負(fù)偏置可以提高 SiC MOSFET 的抗噪能力，抑制意外導(dǎo)通?？梢圆捎秒p隔離偏置電源或使用齊納二極管在隔離電源上實(shí)現(xiàn)負(fù)偏置。

PCB 布局指南

元件放置

• 保持輸入/輸出走線盡可能短，以減少寄生電感和電容的影響。
• 避免使用過(guò)孔，以保持低信號(hào)路徑電感。
• 電源旁路電容和柵極電阻應(yīng)盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器放置。
• 柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡可能靠近開(kāi)關(guān)器件，以減少走線電感，避免輸出振鈴。

接地考慮

• 在高速信號(hào)層下方設(shè)置實(shí)心接地平面。
• 在 VSSA 和 VSSB 引腳旁邊設(shè)置實(shí)心接地平面，并使用多個(gè) VSSA 和 VSSB 過(guò)孔，以減少寄生電感，最小化輸出信號(hào)的振鈴。

高壓（VISO）考慮

• 為確保初級(jí)和次級(jí)側(cè)之間的隔離性能，不要在驅(qū)動(dòng)器器件下方放置任何 PCB 走線或銅。
• 建議進(jìn)行 PCB 切槽，以防止可能影響 NCP51563 隔離性能的污染。

總結(jié)

NCP51563 是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，具有靈活的配置、強(qiáng)大的輸出電流能力、完善的保護(hù)功能和良好的電氣特性。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、隔離式轉(zhuǎn)換器、UPS 和太陽(yáng)能逆變器等眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，它都能發(fā)揮重要作用。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和電路設(shè)計(jì)，合理選擇和使用 NCP51563，并遵循其應(yīng)用信息和 PCB 布局指南，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。你在使用類似柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。