深入解析onsemi NCP51705：高性能SiC MOSFET驅(qū)動芯片

在功率電子領(lǐng)域，碳化硅（SiC）MOSFET憑借其低導(dǎo)通損耗、高開關(guān)速度等優(yōu)勢，逐漸成為高頻、高效功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理想選擇。而一款優(yōu)秀的驅(qū)動芯片對于充分發(fā)揮SiC MOSFET的性能至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討onsemi推出的NCP51705單6A高速低側(cè)SiC MOSFET驅(qū)動芯片。

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一、芯片概述

NCP51705主要用于驅(qū)動SiC MOSFET晶體管。為了實(shí)現(xiàn)盡可能低的導(dǎo)通損耗，它能夠向SiC MOSFET器件提供最大允許的柵極電壓。通過在開關(guān)過程中提供高峰值電流，有效降低了開關(guān)損耗。此外，為了提高可靠性、增強(qiáng)dV/dt抗擾能力并實(shí)現(xiàn)更快的關(guān)斷速度，該芯片還利用板載電荷泵生成用戶可選擇的負(fù)電壓軌。同時，它還提供一個外部可訪問的5V軌，為數(shù)字或高速光隔離器的次級側(cè)供電，以實(shí)現(xiàn)完全兼容并簡化隔離柵極驅(qū)動應(yīng)用中的偏置解決方案。

二、芯片特性

2.1 高峰值輸出電流

采用分離輸出級，允許獨(dú)立調(diào)整導(dǎo)通和關(guān)斷過程。源極和漏極的峰值電流能力均達(dá)到6A，能夠滿足SiC MOSFET快速開關(guān)的需求。

2.2 擴(kuò)展正電壓額定值

在導(dǎo)通期間，為SiC MOSFET的高效運(yùn)行提供擴(kuò)展的正電壓額定值，確保器件在不同工作條件下的穩(wěn)定性。

2.3 用戶可調(diào)內(nèi)置負(fù)電荷泵

可實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷和強(qiáng)大的dV/dt抗擾能力，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

2.4 可訪問的5V參考/偏置軌

為數(shù)字振蕩器供電，同時具備可調(diào)欠壓鎖定功能，保障系統(tǒng)在不同電源條件下的正常運(yùn)行。

2.5 其他保護(hù)功能

包括去飽和功能、熱關(guān)斷功能（TSD）等，有效保護(hù)芯片和外部器件免受異常情況的損害。

2.6 小尺寸低寄生電感封裝

采用WQFN24封裝，減小了寄生電感，提高了芯片的高頻性能。

三、典型應(yīng)用

NCP51705適用于多種工業(yè)應(yīng)用，如驅(qū)動SiC MOSFET工業(yè)逆變器、電機(jī)驅(qū)動器，以及PFC、AC - DC和DC - DC轉(zhuǎn)換器等。這些應(yīng)用通常對功率轉(zhuǎn)換效率和開關(guān)速度有較高要求，NCP51705能夠很好地滿足這些需求。

四、引腳連接與功能

4.1 引腳連接

NCP51705采用24引腳QFN封裝，各引腳具有特定的功能。例如，IN+和IN - 用于輸入非反相和反相邏輯電平PWM信號或使能/禁用信號；SGND為信號地；VEESET用于選擇負(fù)偏置電壓；VCH為電荷泵的穩(wěn)壓偏置電壓等。

4.2 輸出邏輯

芯片的輸出邏輯根據(jù)IN+和IN - 的輸入狀態(tài)進(jìn)行變化。當(dāng)輸入信號滿足特定條件時，OUTSRC和OUTSNK會輸出相應(yīng)的電平，以控制SiC MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。

五、電氣特性

5.1 絕對最大額定值

規(guī)定了芯片在不同參數(shù)下的最大允許值，如電源電壓（VDD）、偏置軌電壓（V5V）、電荷泵電源電壓（VCH）等。超過這些額定值可能會損壞芯片，影響其可靠性。

5.2 熱特性

包括熱阻（θJA）、結(jié)溫（TJ）、存儲溫度（TSTG）等參數(shù)。了解這些熱特性有助于在設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)時確保芯片在安全的溫度范圍內(nèi)工作。

5.3 推薦工作條件

給出了芯片正常工作時各參數(shù)的推薦范圍，如正電源電壓（VDD）、負(fù)電源電壓（VEE）、電荷泵電源電壓（VCH）等。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量使芯片工作在這些推薦條件下，以保證其性能和可靠性。

5.4 電氣特性參數(shù)

詳細(xì)列出了芯片在不同工作條件下的各項(xiàng)電氣參數(shù)，如工作電流（IDD）、靜態(tài)電流（IQDD1、IQDD2）、欠壓鎖定閾值（VDDUV+、VDDUV - ）等。這些參數(shù)是評估芯片性能和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

六、典型性能特性

文檔中給出了多個典型性能特性曲線，如工作電流與工作電壓、工作頻率的關(guān)系，傳播延遲時間與工作電壓的關(guān)系等。通過這些曲線，我們可以直觀地了解芯片在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

七、應(yīng)用信息

7.1 輸入配置

NCP51705的輸入（IN+和IN - ）為TTL兼容，內(nèi)部上拉至正確狀態(tài)，默認(rèn)處于非激活狀態(tài)。輸入閾值具有約0.4V的滯回電壓，允許輸入信號具有一定的噪聲容限。在非反相輸入邏輯中，PWM信號輸入到IN+，IN - 可作為使能功能；在反相輸入邏輯中，PWM信號輸入到IN - ，IN+可作為使能功能。

7.2 驅(qū)動狀態(tài)報(bào)告（XEN）

XEN信號是NCP51705驅(qū)動輸出狀態(tài)的5V數(shù)字表示。它可作為故障標(biāo)志，在半橋功率拓?fù)渲?，還可提供同步信號，用于實(shí)現(xiàn)功率晶體管的交叉導(dǎo)通（重疊）保護(hù)。

7.3 信號地和功率地

信號地（SGND）為所有由5V軌（V5V）偏置的控制邏輯提供接地，功率地（PGND）為高電流柵極驅(qū)動電路提供參考電位。建議在PCB上用短而低阻抗的走線將SGND和PGND連接在一起。同時，在VDD和PGND、VEE和PGND之間應(yīng)連接旁路電容，以濾除高頻噪聲。

7.4 可編程VEE電壓（VEESET）

VEE電壓由VCH設(shè)定，可通過VEESET引腳進(jìn)行編程。NCP51705提供了多種VEESET引腳的連接選項(xiàng)，如將VEESET連接到V5V可設(shè)置VEE為 - 5V，連接到SGND可禁用電荷泵等。

7.5 電荷泵配置

只需三個外部電容（CCH、CF和CVEE）即可建立負(fù)VEE電壓軌。電荷泵的開關(guān)頻率內(nèi)部設(shè)定為390kHz，當(dāng)VDD > 7V時，VEE輸出釋放。

7.6 輸出（OUTSNK和OUTSRC）

NCP51705的輸出采用純MOS低阻抗圖騰柱輸出級，可實(shí)現(xiàn)全VEE到VDD的軌到軌開關(guān)。輸出壓擺率主要由VDD、VEE和SiC MOSFET的Ciss決定，導(dǎo)通和關(guān)斷功能各有雙專用引腳，可獨(dú)立控制柵極振鈴和dVDS/dT過渡。

7.7 可編程欠壓鎖定（UVSET）

通過在UVSET和SGND之間連接一個電阻，可設(shè)置欠壓鎖定（UVLO）的開啟閾值。該功能可保護(hù)MOSFET，確保VDD高于已知閾值時才允許輸出開關(guān)。

7.8 正偏置電壓（VDD和SVDD）

VDD為驅(qū)動OUTSRC提供正偏置電壓，SVDD為內(nèi)部5V穩(wěn)壓器提供輸入偏置電壓。建議在VDD和SVDD之間插入一個小電阻，以防止VDD上的開關(guān)噪聲耦合到控制邏輯中。

7.9 過流保護(hù)（DESAT）

通過監(jiān)測SiC MOSFET的漏源電壓，當(dāng)DESAT引腳電壓超過7.5V時，觸發(fā)過流保護(hù)。該功能可通過兩個外部組件實(shí)現(xiàn)，同時可通過連接DESAT引腳到地來禁用保護(hù)功能。

7.10 5V偏置（V5V）

V5V為內(nèi)部5V偏置軌的旁路電容引腳，推薦電容值為2.2μF。該引腳可提供高達(dá)10mA的電流，適用于為數(shù)字隔離器等低功率電路供電。

八、PCB設(shè)計(jì)指南

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時，為了優(yōu)化SiC柵極驅(qū)動的性能，應(yīng)盡量減小寄生電感和電容的影響。具體建議包括：將SiC驅(qū)動器盡可能靠近SiC MOSFET；將VDD、SVDD、V5V、電荷泵和VEE電容盡可能靠近芯片；避免驅(qū)動輸入和DESAT靠近高dV/dT走線；在高溫條件下使用熱過孔降低熱阻；使用寬走線用于OUTSRC、OUTSNK和VEE相關(guān)的主柵極驅(qū)動路徑。

九、總結(jié)

NCP51705是一款功能強(qiáng)大的SiC MOSFET驅(qū)動芯片，具有高峰值輸出電流、擴(kuò)展正電壓額定值、用戶可調(diào)負(fù)電荷泵等多種特性，適用于多種工業(yè)應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理配置芯片的引腳和參數(shù)，同時注意PCB設(shè)計(jì)的優(yōu)化，以充分發(fā)揮芯片的性能，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。你在使用類似驅(qū)動芯片時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。