深入解析 onsemi NCV51705：高性能 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片

在電力電子領(lǐng)域，SiC MOSFET 以其卓越的性能逐漸成為眾多應(yīng)用的首選功率器件。而一款優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)于充分發(fā)揮 SiC MOSFET 的性能至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討 onsemi 推出的 NCV51705 單通道 6A 高速低側(cè) SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片。

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產(chǎn)品概述

NCV51705 專為驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 晶體管而設(shè)計(jì)。它能夠提供最大允許的柵極電壓，以實(shí)現(xiàn)盡可能低的傳導(dǎo)損耗。在開關(guān)過(guò)程中，通過(guò)提供高峰值電流，有效降低了開關(guān)損耗。此外，該芯片還具備板載電荷泵，可產(chǎn)生用戶可選的負(fù)電壓軌，提高了 dV/dt 抗擾度和關(guān)斷速度。同時(shí)，它還提供一個(gè)外部可訪問(wèn)的 5V 軌，用于為數(shù)字或高速光耦合器的次級(jí)側(cè)供電，減少了隔離柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中偏置解決方案的復(fù)雜性。并且，NCV51705 還具備欠壓鎖定監(jiān)測(cè)等重要保護(hù)功能。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

汽車級(jí)認(rèn)證

該芯片符合 AEC - Q100 汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度范圍達(dá)到 1 級(jí)，能夠適應(yīng)汽車應(yīng)用中的復(fù)雜環(huán)境，為汽車電子系統(tǒng)提供可靠的驅(qū)動(dòng)解決方案。

高峰值輸出電流

采用分離輸出級(jí)設(shè)計(jì)，源極和漏極的峰值輸出電流能力均達(dá)到 6A，并且允許獨(dú)立調(diào)整導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程，為不同的應(yīng)用需求提供了靈活的驅(qū)動(dòng)能力。

擴(kuò)展正電壓額定值

在導(dǎo)通期間，能夠?yàn)?SiC MOSFET 提供高效的工作電壓，確保其穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

可調(diào)板載穩(wěn)壓電荷泵

通過(guò)電荷泵產(chǎn)生負(fù)電壓，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷功能，同時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)整負(fù)電壓的大小，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

內(nèi)置負(fù)電荷泵

進(jìn)一步增強(qiáng)了芯片的驅(qū)動(dòng)能力和可靠性，確保在各種工況下都能快速、準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET。

可訪問(wèn)的 5V 參考/偏置軌

為數(shù)字振蕩器供電提供了便利，同時(shí)也可作為低功耗偏置電源，為其他電路提供穩(wěn)定的電源支持。

可調(diào)欠壓鎖定

可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)置欠壓鎖定閾值，保護(hù)芯片和 SiC MOSFET 在電壓異常時(shí)免受損壞。

去飽和功能

通過(guò)監(jiān)測(cè) SiC MOSFET 的漏源電壓，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。

小尺寸低寄生電感封裝

采用 QFN24 可焊?jìng)?cè)翼封裝，減小了芯片的尺寸和寄生電感，提高了系統(tǒng)的高頻性能和穩(wěn)定性。

引腳功能與電氣特性

引腳功能

NCV51705 共有 24 個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，IN+ 和 IN - 用于輸入非反相和反相邏輯電平 PWM 信號(hào)或使能/禁用信號(hào)；XEN 作為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)標(biāo)志，可用于故障檢測(cè)和同步控制；SGND 為信號(hào)地，PGND 為功率地；VEESET 用于選擇負(fù)偏置電壓；VCH 為電荷泵的穩(wěn)壓偏置電壓；OUTSNK 和 OUTSRC 分別為下拉和上拉驅(qū)動(dòng)輸出等。

電氣特性

芯片的電氣特性涵蓋了多個(gè)方面，包括電源電壓、輸出電流、頻率范圍、溫度范圍等。例如，電源電壓 VDD 的范圍為 - 0.3V 至 28V，最大工作頻率為 500kHz，結(jié)溫范圍為 - 55°C 至 150°C。在不同的測(cè)試條件下，還給出了詳細(xì)的電氣參數(shù)，如工作電流、靜態(tài)電流、輸出電壓等，為工程師的設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。

典型應(yīng)用

汽車應(yīng)用

在汽車逆變器、轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，NCV51705 能夠?yàn)?SiC MOSFET 提供高效、可靠的驅(qū)動(dòng)，提高系統(tǒng)的效率和性能。例如，在電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中，它可以幫助實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的功率轉(zhuǎn)換，提升車輛的續(xù)航能力和動(dòng)力性能。

功率因數(shù)校正（PFC）和 AC - DC、DC - DC 轉(zhuǎn)換器

在這些應(yīng)用中，NCV51705 的高峰值輸出電流和快速開關(guān)特性能夠有效降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率，減少系統(tǒng)的發(fā)熱和能量損耗。

應(yīng)用配置與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輸入配置

NCV51705 提供了非反相和反相兩種輸入邏輯配置。在非反相輸入邏輯中，PWM 信號(hào)輸入到 IN+，IN - 可作為使能功能；在反相輸入邏輯中，PWM 信號(hào)輸入到 IN -，IN+ 可作為使能功能。通過(guò)合理配置輸入信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì) SiC MOSFET 的精確控制。

驅(qū)動(dòng)狀態(tài)報(bào)告（XEN）

XEN 信號(hào)是芯片輸出狀態(tài)的 5V 數(shù)字表示，可用于故障檢測(cè)和同步控制。當(dāng) XEN 為高電平時(shí)，SiC MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)。通過(guò)監(jiān)測(cè) XEN 信號(hào)和 PWM 輸入信號(hào)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。同時(shí)，在半橋功率拓?fù)渲校琗EN 信號(hào)還可以提供同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)功率晶體管的交叉導(dǎo)通保護(hù)。

信號(hào)地和功率地

SGND 是所有由 5V 軌偏置的控制邏輯的地，PGND 是高電流柵極驅(qū)動(dòng)電路的參考電位。為了減少開關(guān)過(guò)程中的地彈差異，建議將 SGND 和 PGND 引腳通過(guò)短而低阻抗的走線連接在一起。同時(shí)，在 VDD 和 PGND 之間、VEE 和 PGND 之間分別連接旁路電容，以提供穩(wěn)定的電源和濾波。

可編程 VEE 電壓

VEE 電壓可以通過(guò) VEESET 引腳進(jìn)行編程設(shè)置。根據(jù)不同的連接方式，可以實(shí)現(xiàn) - 3V、 - 5V、 - 8V 等不同的負(fù)偏置電壓，也可以通過(guò)外部電壓偏置進(jìn)行編程。此外，還可以選擇禁用電荷泵，使用外部負(fù)電壓軌，以滿足不同的應(yīng)用需求。

電荷泵配置

電荷泵僅需要三個(gè)外部電容器（(C{CH})、(C{F}) 和 (C{VEE})）即可建立負(fù) VEE 電壓軌。開關(guān)頻率內(nèi)部設(shè)定為 390kHz，當(dāng) (V{DD}>7V) 時(shí)，VEE 輸出開始工作，當(dāng) VEE 超過(guò)設(shè)定幅度的 80% 時(shí)，VEE 電源軌被認(rèn)為足夠，VEE 欠壓鎖定不再阻止開關(guān)動(dòng)作。

輸出配置

NCV51705 的輸出采用純 MOS 低阻抗圖騰柱輸出級(jí)，確保了從 VEE 到 VDD 的全軌到軌開關(guān)。通過(guò)在每個(gè)輸出引腳和 SiC MOSFET 柵極之間連接單個(gè)電阻，可以獨(dú)立控制柵極振鈴和 (dV_{DS}/dT) 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì) SiC MOSFET 開關(guān)過(guò)程的精細(xì)調(diào)節(jié)。

可編程欠壓鎖定（UVSET）

UVLO 對(duì)于保護(hù) MOSFET 至關(guān)重要。通過(guò)在 UVSET 和 SGND 之間連接一個(gè)電阻，可以設(shè)置 UVLO 開啟閾值。允許的 (R_{UVSET}) 范圍為 80k 至 140k，以確保啟動(dòng)期間的安全操作。同時(shí)，為了防止 UVSET 引腳受到噪聲干擾，建議在 UVSET 和 SGND 之間連接一個(gè) 10nF 至 100nF 的陶瓷電容。

正偏置電壓（VDD 和 SVDD）

VDD 為驅(qū)動(dòng) 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 VDD 和 SVDD 來(lái)自同一電壓源，但可以在 SVDD 輸入處使用一個(gè)小的 RC 濾波器，以防止 VDD 上的開關(guān)噪聲耦合到控制邏輯中。

過(guò)流保護(hù)（DESAT）

NCV51705 的 DESAT 功能可以通過(guò)僅使用兩個(gè)外部組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)監(jiān)測(cè) SiC MOSFET 的漏源電壓，當(dāng) DESAT 引腳電壓超過(guò) 7.5V 時(shí)，觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，減少 QNOT 輸出的導(dǎo)通時(shí)間。在選擇 (R{1}) 時(shí)，需要考慮其對(duì)電流限制和響應(yīng)時(shí)間的影響，典型值范圍為 5kΩ 至 10kΩ。

5V 偏置（V5V）

V5V 是內(nèi)部 5V 偏置軌的旁路電容引腳，推薦電容值為 2.2μF。至少需要在引腳附近放置一個(gè) 1μF 的高質(zhì)量高頻陶瓷電容，以確保 5V 軌的穩(wěn)定性。該 5V 軌可作為低功耗偏置電源，為其他電路提供電源支持。

PCB 設(shè)計(jì)指南

在進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，為了優(yōu)化 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)的性能，需要考慮以下幾點(diǎn)：

1. 布局緊湊：將 SiC 驅(qū)動(dòng)器盡可能靠近 SiC MOSFET，減少寄生電感和電容的影響。
2. 電容放置：將 VDD、SVDD、V5V、電荷泵和 VEE 電容盡可能靠近芯片，以提供穩(wěn)定的電源和濾波。
3. 避免干擾：驅(qū)動(dòng)輸入和 DESAT 引腳應(yīng)遠(yuǎn)離高 dV/dT 走線，以防止噪聲干擾導(dǎo)致異常操作。
4. 散熱設(shè)計(jì)：在高溫環(huán)境下工作時(shí)，使用熱過(guò)孔將芯片的散熱墊與其他層連接，降低熱阻。注意不要將散熱墊連接到 SGND 或 PGND。
5. 走線設(shè)計(jì)：使用寬走線來(lái)連接 OUTSRC、OUTSNK 和 VEE 等與主柵極驅(qū)動(dòng)路徑相關(guān)的引腳，以降低電阻和電感。

總結(jié)

onsemi 的 NCV51705 是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片。它具有豐富的特性和靈活的配置選項(xiàng)，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，合理配置芯片的引腳和參數(shù)，同時(shí)注意 PCB 設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮芯片的性能，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)。你在使用類似驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。