Other Parts Discussed in Post: UCC27624, UCC27524A-Q1

作者： Terry Liang

摘要

        隨著新能源時代的到來，車載充電機（OBC）以及光伏逆變器（PV inverter）等新能源應用帶來了數字控制開關電源的高速發展。

       在開關電源的組成中，柵極驅動器作為連接控制級與功率級的橋梁，對系統的正常運行至關重要。在新能源汽車市場，尤其是關乎人身安全的車載充電器應用中，對柵極驅動器的可靠性的要求越來越高。本文以低側驅動器為例，列舉出在柵極驅動器的潛在失效風險以及對應的設計指南，以便提高柵極驅動器的可靠性。

       同時本文也介紹了TI最新推出的 UCC27624是雙路低側柵極驅動器，，低至-10V輸入端口負壓承受能力以及強大的抗電流反灌能力，使得該芯片適合高噪聲和輔助供電變壓器驅動的應用場景;具有5A的驅動能力和最大30V的驅動電壓，高速低延遲的開關特性。能有效驅動金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)等功率開關 。

      在UCC27524A-Q1的應用案例中，通常會有兩種失效現象：

1. 芯片外圍引腳無開短路和阻抗異常現象，但是OUTA、OUTB無輸出；

2. 芯片輸出引腳OUTA或OUTB出現對地、VDD供電短路或者阻抗偏低；

失效分析結果通常會顯示芯片內部邏輯電路或者是輸出功率級損壞，而這些損壞的原因往往指向外部應用電路設計。下面本文針對幾種常見的引起失效的原因進行說明并給出應對策略：

UCC27524A-Q1內部框圖

VDD noise and pulse

          如前所述，UCC27524A-Q1具有高驅動能力以及高速的開關特性。因此，在功率開關管導通以及關斷的瞬態過程中，會在VDD偏執電壓供電回路產生較高di/dt，進而耦合線路中的寄生電感，產生電壓脈沖。如果電壓脈沖過高，則可能造成芯片損壞。

          另一方面，VDD 經內部LDO給芯片內部電路供電。當VDD的電源噪聲過大， 則容易把噪聲傳導到內部電路，比如邏輯控制電路，從而引發電流尖峰，造成內部電路功耗以及應力增加，長期工作則容易損壞。

          針對以上兩個問題，可通過以下方式得到更干凈的電源軌：

1. 盡可能靠近VDD引腳放置電容，以減小線路寄生電感；

2. VDD引腳需要兩種電容，一方面需要容值稍大的電容（比如1uF），穩定電壓同時給驅動芯片提供能量。另一方面，考慮到電容的頻率特性，大容值電容由于材質以及封裝大小等原因，在高頻處反而呈現電感屬性。因此另外還需要小容值小封裝的貼片陶瓷電容（比如1uF），用于濾除高頻噪聲，而且小容值電容應更靠近VDD引腳。

Input negative voltage pulse

        驅動輸入PWM信號通常由PWM控制器或者MCU提供，而這些器件由于系統限制，可能遠離驅動芯片。另一方面，驅動與功率管的放置也存在類似問題，因此功率地，驅動地以及控制地之間都存在一定寄生電感。而隨著開關電源功率以及開關速度的提升，di/dt也隨之迅速提升，耦合前述的寄生電感，則不同地之間的電平會有瞬態正負壓脈沖。其中，驅動輸入信號疊加這種地平面脈沖后，可能有超過輸入引腳耐壓的尖峰，從而損壞驅動芯片的輸入級。

 針對這個問題，可通過以下方法優化設計：

1. 增大驅動電阻，從而降低開關速度，減小功功率級di/dt值。但這種方法增加了開關損耗，尤其隨著功率級開關頻率的提升，開關損耗占整機功耗比例越發顯著，因此需要權衡系統需求設計；

2. 優化layout，盡可能把驅動，功率管以及控制器靠近放置，減小寄生電感；

3. 在驅動輸入引腳增加輸入RC低通濾波網絡，濾除相關高頻噪聲。選擇合適的時間常數，減小輸入波形畸變同時盡可能衰減目標頻率的噪聲。

OUTx voltage pulse

      和前述輸入級風險類似，驅動芯片輸出級由于線路寄生電感以及高速的驅動電流瞬態過程，OUTx 引腳處會有正負壓脈沖。幸運的是，驅動芯片輸出級的內置mosfet體二極管可以在電壓脈沖產生時把能量續流到地或者VDD，從而一定程度增強了輸出級的電壓脈沖承受能力。但是考慮到體二極管的導通壓降較大，損耗較高。嚴重的電壓脈沖仍然有降低芯片壽命，甚至損壞芯片的風險。

        針對這個問題，可通過以下方法優化設計：

1. 類似前述問題，優化layout，OUTx 引腳靠近功率開關的柵極放置從而減小寄生電感；

2. 選擇合適的鉗位二極管，并把它靠近放置在OUTx引腳，以便吸收脈沖能量，降低內部體二極管的損耗；

3. 在OUTx 引腳增加合適的磁珠，吸收高頻尖峰能量。

UCC27624

       按照以上建議對低側柵極驅動芯片進行設計，可以大大提高電路工作的可靠性。同時，考慮到SiC MOSFET等寬禁帶開關器件的普及，在此類應用中，驅動電壓以及開關頻率提高，功率管對寄生參數更加敏感。為了覆蓋這種更惡劣的應用場景，簡化系統設計，TI推出的新一代低側柵極驅動芯片UCC27624針對以上提到的風險點，作出了相應優化，大大提升了芯片的魯棒性：

1. 高達30V的VDD最大耐壓值，提升了安全裕度；

2. 提高了內部LDO的噪聲抑制能力，從而提升了芯片在噪聲環境中的魯棒性；

3. 低至-10V的輸入耐壓能力；

4. 更寬的輸出電壓脈沖承受能力，以及-5A的反向脈沖電流承受能力。

  總結          

       本文分析了低側柵極驅動器輸入，輸出以及供電級可能遇到的風險，并分別提出相應優化措施，提高系統在日益惡劣的工況中運行的可靠性。另外，本文還介紹了TI 新一代柵極驅動器UCC27624針對這些風險作出的改進。有助于工程師設計出魯棒性更強的系統。

參考文獻

How to overcome negative voltage transients on low-side gate drivers' inputs

UCC27524A-Q1 DATASHEET

UCC27624 DATASHEET