栅级驱动及工业汽车MCU

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2022-06-28 11:40:21 4

概述
闸级功率放大器（Gate Driver），也称栅（闸）级驱动器，可以让控制集成电路产生的小功率讯号来驱动功率晶体（例如IGBT或是功率级MOSFET）的闸极。栅级驱动器可能是附在功率晶体上甚至集成进MCU内部，也有可能是独立的元件。栅级驱动器会包括位准转换器以及放大器电路。

目的

MOSFET和双极性晶体管不同，MOSFET在没有切换（切换导通或是切换关断）时，不需要固定的功率输入。MOSFET的隔离栅极会形成电容器（栅极电容），在每一次切换导通或关闭时，会需要充电或放电。晶体管的基极至少需要特定的电压才能导通，同样的，闸极电容需要一定的电压才能充电，让晶体导通。同样的，若要关断晶体，也需要释放电容器上的电荷，因此闸极电容也需要放电。

在功率晶体导通或是关断，不会立刻就切换到完全导通或是完全不导通的状态，切换过程中可能会有短暂时间通过大电流，且功率晶体上有较大的电压。因此在切换时会使晶体发热，若控制不当，甚至会破坏功率晶体。因此有需要使切换时间越短越好，以降低其切换损失。一般的切换时间约在微秒等级。晶体的切换时间和驱动闸极需要的电流成反比。因此切换电流一般会要求在数百毫安的等级，甚至会到数安培的大小，因为一般的闸极电压会在10-15V之间，切换时会需要消耗数瓦特的功率。假如需要高速的切换大电流，例如直流-直流转换器或是大型的电动机，会将数个功毫安并联，以提供够大的切换电流及功换功率。

功率晶体的切换信号一般是由逻辑电路或是单片机提供，其输出信号的电流一般会限制在数毫安。若功率晶体直接以此信号驱动，其切换速度会非常的慢，而且产生的切换损失很大。在切换时，栅极电容会快速的抽电流，可能会从逻辑电路或是单片机抽取过多的电流，造成元件的*损坏。为了避免此一情形，会在逻辑电路及单片机输出电路和功率晶体之间加上栅级驱动器。

常见的BLDC直流无刷电机仿真分析（Gate Driver）应用框图

栅级驱动器在H桥中的应用

H桥的高电压端驱动器会使用电荷泵作为栅级驱动器，以切换高电压端n-channel的功率MOSFET及绝缘栅双极晶体管。使用这类元件的原因是其性能*，但是需要比电源轨电压小一些的闸级电压。若半桥的中心点电压降低时，电容可以透过二极管充电，电荷会在稍晚时间驱动高电压端的FET栅极，使其电压略高于电源轨电压，使此导通。此法可以让桥式电路定期切换，也避免了隔离的电源供应器，可以在高电压端及低电压端都使用效率较好的n-channel元件。

NXP集成GateDriver的工业电机及汽车应用的MCU

S12ZVM混合信号MCU，适用于汽车和工业电机控制应用

16位S12MagniV?S12ZVM混合信号微控制器系列提供了最小、高效、可扩展的三相电机控制解决方案，适用于工业和汽车的无刷直流(BLDC)电机、永磁同步电机(PMSM)或开关磁阻电机(SRM)控制应用。

S12ZVM MCU集成了12 V至5 V的稳压器、LIN物理层或CAN物理层以及栅极驱动器单元(GDU)，以控制六个功率MOSFET。

特征

增强型S12Z内核，50 MHz总线频率
16kB - 256kB闪存(ECC)
128B - 1kB EEPROM (ECC)
2kB - 32kB RAM (ECC)
6通道PMF 15位PWM，用于电机控制与死区时间、故障管理
双12位模数转换器(ADC)
同步ADC转换的可编程触发单元(PTU)
3.5至20V工作电压范围
CAN物理层(仅限S12ZVMC256)
LIN物理层(仅限S12ZVML128、S12ZVML64、S12ZVML32和S12ZVML31)
6个功率MOSFET的栅极驱动电路 (GDU)
面向电流测量/感应的2个运算放大器

应用

工业控制

三相交流感应电机
无刷直流电机(BLDC)控制
永磁同步电机(PMSM)
电机驱动器
运动控制和机器人

汽车电子

暖通空调(HVAC)

常见的集成了GDU闸级驱动单元的MCU电机应用电路框图

常见的MCU+Gate Driver+MOSFET电机驱动框图

某国产品牌MCU厂家内部集成了GDU框图

GDU单元的承受及输出电压参数值

隔离型半桥驱动内部结构

低电压控制器实现对高压MOSFET驱动应用中，采用电隔离高压高能量MOSFET瞬态成为安全与高性能的必选项。

延展阅读

Gate Driver

The gate driver is used to control the external N-Channel MOSFET by setting the GATE to ANODE voltage to the corresponding mode of operation. There are four defined modes of operation that the gate driver operates under forward regulation, full conduction mode, reverse current protection and VDS clamp mode according to the ANODE to CATHODE voltage. These modes of operation are described in more detail in the Regulated Conduction Mode, Full Conduction Mode, Reverse Current Protection Mode and VDS Clamp Mode sections. Figure 8-2 depicts how the modes of operation vary according to the ANODE to CATHODE voltage of the LM74701-Q1. The threshold between forward regulation mode and conduction mode is when the ANODE to CATHODE voltage is 50 mV. The threshold between forward regulation mode and reverse current protection mode is when the ANODE to CATHODE voltage is –11 mV. The threshold between reverse current protection mode and VDS clamp mode is when the ANODE to CATHODE voltage is –39-V typical.

Gate Driver Mode Transitions

Before the gate driver is enabled following three conditions must be achieved:

The EN pin voltage must be greater than the specified input high voltage.
The VCAP to ANODE voltage must be greater than the undervoltage lockout voltage.
The ANODE voltage must be greater than VANODE POR Rising threshold.

If the above conditions are not achieved, then the GATE pin is internally connected to the ANODE pin, assuring that the external MOSFET is disabled. After these conditions are achieved, the gate driver operates in the correct mode depending on the ANODE to CATHODE voltage.

英飞凌EiceDRIVER?系列的Gate Driver家族

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