深入剖析NCP51820：GaN功率開關(guān)的高速半橋驅(qū)動(dòng)器

引言

在電力電子領(lǐng)域，隨著氮化鎵（GaN）功率開關(guān)的廣泛應(yīng)用，對(duì)高性能驅(qū)動(dòng)器的需求也日益增長(zhǎng)。安森美（onsemi）的NCP51820高速半橋驅(qū)動(dòng)器，專為驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)型（e - mode）GaN功率開關(guān)而設(shè)計(jì)，滿足了離線半橋功率拓?fù)涞膰?yán)格要求。本文將深入剖析NCP51820的特性、參數(shù)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師提供全面的參考。

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產(chǎn)品概述

NCP51820是一款高速柵極驅(qū)動(dòng)器，適用于驅(qū)動(dòng)GaN功率開關(guān)，如高電子遷移率晶體管（HEMT）和柵極注入晶體管（GIT）。它采用先進(jìn)的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，提供了短且匹配的傳播延遲，高側(cè)驅(qū)動(dòng)的共模電壓范圍為 - 3.5 V至 + 650 V（典型值），低側(cè)驅(qū)動(dòng)的共模電壓范圍為 - 3.5 V至 + 3.5 V。此外，該器件在高速開關(guān)應(yīng)用中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)的dV/dt額定值高達(dá)200 V/ns，確保了穩(wěn)定的開關(guān)性能。

關(guān)鍵特性

集成驅(qū)動(dòng)與保護(hù)

• 集成高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器：支持650 V電壓，推薦用于軟開關(guān)應(yīng)用。
• 欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)：為VDD高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動(dòng)器提供保護(hù)，確保在電壓異常時(shí)可靠工作。
• 熱關(guān)斷（TSD）功能：基于器件的管芯結(jié)溫進(jìn)行熱保護(hù)，防止過(guò)熱損壞。

高速性能

• 快速上升和下降時(shí)間：1 ns的上升和下降時(shí)間，優(yōu)化了GaN器件的開關(guān)性能。
• 短傳播延遲：最大傳播延遲小于50 ns，匹配傳播延遲小于5 ns，確保精確的開關(guān)控制。

靈活的死區(qū)時(shí)間控制

用戶可編程的死區(qū)時(shí)間控制，可防止交叉導(dǎo)通，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。

電氣參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

NCP51820的各項(xiàng)電壓、電流和溫度參數(shù)都有明確的最大額定值，例如VDD的范圍為 - 0.3 V至20 V，VDDH和VDDL的范圍為 - 0.3 V至5.5 V，TJ的最大工作結(jié)溫為150°C等。超過(guò)這些額定值可能會(huì)損壞器件，影響其功能和可靠性。

推薦工作條件

在推薦工作條件下，VDD的范圍為9 V至17 V，VSW - SGND的最大直流偏移電壓為580 V等。遵循這些條件可以確保器件的正常運(yùn)行和性能穩(wěn)定。

電氣特性

包括電源供應(yīng)部分、自舉電源部分、柵極驅(qū)動(dòng)器電源部分、輸入邏輯部分、死區(qū)時(shí)間部分和保護(hù)部分等的電氣特性。例如，VDD的靜態(tài)電流IQDD典型值為100 μA，工作電流IPDD典型值為1.5 mA等。

引腳功能與應(yīng)用

引腳分配

NCP51820共有15個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有特定的功能，如VDDH為高側(cè)驅(qū)動(dòng)器正偏置電壓輸出，HOSRC和HOSNK分別為高側(cè)驅(qū)動(dòng)器源極和漏極輸出等。了解這些引腳功能對(duì)于正確使用器件至關(guān)重要。

應(yīng)用信息

偏置電源電壓（VDD）

VDD為數(shù)字輸入、內(nèi)部邏輯功能、高側(cè)自舉偏置和低側(cè)調(diào)節(jié)器提供偏置。只需一個(gè)VDD旁路電容CVDD，連接在VDD和SGND引腳之間，即可滿足濾波需求。UVLO保護(hù)功能對(duì)于保護(hù)GaN FET和功率級(jí)非常重要。

高側(cè)自舉電壓（VBST）

由自舉電流限制電阻R BST、二極管D BST和自舉電容CVBST組成。CVBST的選擇需要考慮GaN的總柵極電荷Q G和允許的VBST壓降ΔV BST。D BST需要具有高電壓額定值、高速、低電流和低結(jié)電容的特性。R BST的作用是限制峰值充電電流，通常選擇1 Ω < R BST < 10 Ω。

高側(cè)和低側(cè)線性調(diào)節(jié)器（VDDH和VDDL）

分別為高側(cè)和低側(cè)GaN FET提供5.2 V的柵極驅(qū)動(dòng)幅度信號(hào)，確保低寄生電容，滿足高速開關(guān)要求。同時(shí)，它們都具有獨(dú)立的UVLO閾值。

開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW）和接地引腳（SGND和PGND）

SW作為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)的返回參考，對(duì)于具有源極Kelvin返回的GaN FET，應(yīng)直接連接SW到Kelvin返回。SGND是內(nèi)部控制邏輯和數(shù)字輸入的接地，PGND是低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)的返回參考。在不同應(yīng)用中，SGND和PGND的連接方式有所不同。

輸入和使能引腳（HIN、LIN和EN）

HIN和LIN是獨(dú)立的PWM輸入，為Schmitt觸發(fā)器，與TTL兼容。EN是使能引腳，默認(rèn)狀態(tài)為禁用輸出，通過(guò)拉高EN引腳可使器件進(jìn)入工作狀態(tài)。

死區(qū)時(shí)間控制（DT）

NCP51820提供四種死區(qū)時(shí)間控制模式，可根據(jù)不同的控制算法選擇合適的模式。通過(guò)連接不同的電阻或電壓到DT引腳，可以實(shí)現(xiàn)固定死區(qū)時(shí)間、可編程死區(qū)時(shí)間或禁用反交叉導(dǎo)通保護(hù)等功能。

輸出引腳（HOSRC、HOSNK、LOSRC和LOSNK）

高側(cè)和低側(cè)輸出由純MOS低阻抗圖騰柱輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)，可提供1 A的峰值源電流和2 A的峰值灌電流，確保高速度開關(guān)所需的高峰值電流。

PCB布局與熱管理

PCB布局

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)采用多層設(shè)計(jì)，合理使用接地/返回平面。優(yōu)先放置噪聲敏感組件，如VDD、VDDH、VDDL、EN和DT的旁路電容以及VBST的電容、電阻和二極管。將HO和LO的源極和漏極柵極驅(qū)動(dòng)電阻靠近GaN FET放置，確保獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)電路和專用的銅接地返回平面。

熱管理

高頻率開關(guān)GaN FET的柵極驅(qū)動(dòng)器會(huì)消耗大量功率，需要計(jì)算總功率損耗P TOTAL，包括柵極驅(qū)動(dòng)損耗P GATE和動(dòng)態(tài)預(yù)驅(qū)動(dòng)/直通電流損耗P DYNAMIC。通過(guò)熱方程T J = (P TOTAL × θ JA) + T B評(píng)估驅(qū)動(dòng)器的結(jié)溫，確保器件在可接受的溫度范圍內(nèi)工作。

影響電離電流問(wèn)題

NCP51820在某些條件下會(huì)出現(xiàn)影響電離電流，即當(dāng)橋引腳（HB）電壓小于40 V持續(xù)超過(guò)100 μs，隨后HB引腳被拉高超過(guò)150 V時(shí)，會(huì)出現(xiàn)從自舉引腳（VB）到地（GND）的電流。這種電流可能會(huì)導(dǎo)致器件熱應(yīng)力，甚至在極端情況下導(dǎo)致熱故障。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)影響電離電流的表現(xiàn)不同，可通過(guò)一些方法進(jìn)行緩解，如在相移全橋中添加并聯(lián)電阻，在高壓同步降壓轉(zhuǎn)換器中預(yù)充電輸出等。

總結(jié)

NCP51820作為一款高性能的GaN功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，具有高速、集成、保護(hù)功能豐富等優(yōu)點(diǎn)。電子工程師在使用時(shí)，需要深入了解其特性、參數(shù)和應(yīng)用要點(diǎn)，合理進(jìn)行PCB布局和熱管理，以確保系統(tǒng)的可靠性和性能。同時(shí)，要注意影響電離電流問(wèn)題，根據(jù)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的措施。希望本文能為工程師在設(shè)計(jì)和應(yīng)用NCP51820時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似驅(qū)動(dòng)器的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。