Hands-On 基於e-Compressor SiC 方案 Onsemi NCV57100 柵極驅動器簡介

簡介

       世平集團基於 Onsemi 的柵極驅動器和 SiC 技術，開發了一款適用於 800V 車用電空調壓縮機的解決方案。在本文中，我將以世平集團的 800V e-Compressor SiC 方案為例，深入解析其中採用的安森美(Onsemi)柵極驅動器 NCV57100 的核心特性及其應用。 

一、柵極驅動器NCV57100 特徵與參數

       安森美（Onsemi）的柵極驅動器 NCV57100 是一款隔離型單通道 IGBT/SiC 驅動器，專為高性能應用設計。該驅動器集成了多項先進功能，包括互補輸入、主動米勒鉗位、過壓與欠壓保護、Desat 過流保護，以及 Fault 輸出和 Ready 輸出。此外，它還為 SiC 器件提供了獨立的高電平（OUTH）和低電平（OUTL）分立輸出功能，進一步提升了驅動的靈活性和可靠性。

1.1 引腳定義 & 參數
 

▲ 圖 1.1

1. VEE2A & VEE2 副邊電源的負電壓引腳,它們在晶片內部是連接在一起的。
2. DESAT 檢測 SiC 退飽和現象，當發生 Desat 響應時，IN±將進入無響應狀態（5us），並進行 OUTL 軟關斷，防止 SiC 過壓擊穿。
3. GND2 副邊電源的 0V 參考點，與 VEE2、VDD2 的退耦電容選型應 100nF + 至少10uF 電容器並聯。
4. OUTH 提供 VDD2 電源至 SiC 的柵極，最大灌電流 7A。
5. VDD2 副邊電源的正電壓引腳。
6. OUTL 提供 VEE2 電源至 SiC 的柵極，最大拉電流 7A。
7. CLAMP 米勒鉗位引腳，在 SiC 關斷期間，當柵極超過 VEE2+Vclamp-THR(2V) 時，CLAMP 引腳開始動作（內部 N mos 打開），回流路經不再經過 OUTL ,在 Layout 時此引腳應短而粗。
8. GND1 & GND1A 原邊電源的參考地，它們在晶片內部是連接在一起的。
9. IN+ PWM 信號邏輯輸入正，內部下拉 50KΩ 電阻。
10. IN- PWM 信號邏輯輸入負，內部上拉 50kΩ 電阻，IN+、IN- 需提供一對互補 PWM 信號。
11. RDY VDD1&VDD2 電源良好的指示引腳，內部開漏並上拉50 kΩ電阻，當發生過欠壓時 RDY 將輸出低，在三相半橋設計中可用邏輯與門將6路信號轉為1路輸出至 MCU。
12. FLT 故障輸出引腳，內部開漏並上拉 50kΩ 電阻,當 Deast 發生響應時，FLT 引腳拉低，在三相半橋設計中可用邏輯或門將6路信號轉為1路輸出至 MCU。
13. RST 有兩種功能，第一種，用於使能（拉高）該器件開始工作。第二種，用於測試 Desat 引腳響應功能。
14. VDD1 原邊電源的正電壓引腳（3V 或 5V）, 退耦電容選型應 100nF + 至少 1uF 電容器並聯。

二、世平 E-compressor  SiC方案Onsemi NCV57100柵極驅動器關鍵特性應用

2.1 VCLAMP米勒鉗位功能 & 原理

        米勒鉗位的主要原理是防止功率管的誤導通。以半橋電路為例，下圖2.1 展示了無米勒鉗位和帶米勒鉗位情況下的柵極電壓變化示意圖。

        當上橋功率管（HS）導通時，由於電路中存在雜散電感，下橋功率管會受到一定的尖峰電壓過沖影響（序號 ①，dv/dt 斜率越大，尖峰電壓越高）。這種現象通過功率管的米勒電容（Cmiller，序號 ②）產生米勒電流，並流經下橋功率管的柵極。

       在沒有米勒鉗位功能的柵極驅動器中，米勒電流的放電路徑是通過柵極電阻（RG）到 OUTL（序號 ③）。這一過程中，米勒電流（Imiller）與柵極電阻（RG）相乘，會在柵極上形成一定的電壓積累，可能導致下橋功率管的誤導通（序號 ④）。

       相比之下，帶有 VCLAMP 米勒鉗位功能的柵極驅動器（如 NCV57100）能夠在下橋功率管關斷時實時監測柵極電壓。當檢測到柵極電壓超過設定閾值（VEE + Vclamp_THR）時，CLAMP 引腳會主動拉低電壓，改變米勒電容的放電路徑，從而將柵極電壓鉗位在一定範圍內（序號④）。這種設計有效避免了因米勒效應引起的誤導通問題，提高了電路的可靠性。

▲ 圖 2.1

2.2 DESAT 退保和檢測功能 & 原理

      用作當外部發生短路（例如相與相短路）時，為了保護功率管免於因過流而燒毀的保護功能。如圖2.2 所示，當 OUTX 為高電平時，恆流源 IDESAT_CHG（500μA）開始工作，通過 SiC 形成迴路，此時 Cblank 的電荷不會積累。此時，Cblank 的電壓由以下部分組成：HV 二極體的導通電壓 + (IDESAT_CHG × Rs_DESAT) + (流經功率管的 IDS × Rdson)。

       當 SiC 發生過流短路時，DS 之間的電壓會迅速升高，恆流源開始對 Cblank 進行充電。當 Cblank 的電壓達到 DESAT 閾值電壓時，OUTX 進入軟關斷模式（關斷電流為 50mA），此時 OUTX 的電壓會緩慢下降（因為雜散電感的存在，高 di/dt 可能導致 SiC 過壓擊穿）。
                                                                                                                                                   

▲ 圖 2.2

       同時，我們還可以通過調節 Rs-DESAT 的阻值來實現對 SiC 管的提前關斷保護。例如，在世平 e-Compressor SiC 方案的測試案例中，通過利用 DESAT 引腳實現對 SiC 管 70A 峰值電流的保護，如圖2.3所示。

▲ 圖 2.3

三、總結

       在本文中，我們介紹了 Onsemi NCV5100 這款柵極驅動器的特徵與參數，並結合世平 800V e-Compressor SiC 方案應用場景，幫助工程師在設計 SiC 方案時選擇最優的解決方案，以滿足不同應用需求並提升系統性能。

四、參考文獻

(1) Onsemi NCV57100 Datasheet.pdf

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