使用高速栅极驱动器 IC 驱动 SiC MOSFET

IX6611 为栅极提供从零到负 10V 的负电压和从 12V 到 25V 的正电压，只要负电压和正电压之间的差值不超过 30V。它能够提供高达 ±10A 的栅极充电/放电电流，下降和上升脉冲边缘的传播延迟均为 50ns，可防止脉冲失真。IX6611 包含脉冲变压器隔离应用所需的电路块，允许将信号源/接收器（如微控制器单元 (MCU)）与高功率电路进行电气隔离，从而保持双向通信。这可在发生故障时为 MCU 提供必要的反馈信号。
　　它还实现了监控/保护功能，如电源欠压和过压锁定、热关断以及开关设备过流和过压保护。它设计为在 -40°C 至 +125°C 的温度范围内工作，并且采用带裸露焊盘的 16 引脚 SOIC 封装。
　　IX6611 功能
　　IX6611具有以下特点：
　　信号输入/输出与脉冲变压器兼容，可与电气隔离的 MCU 通信
　　10 A 峰值拉电流和灌电流栅极驱动，具有独立的拉电流和灌电流输出
　　负栅极驱动能力可驱动 IGBT 或 SiC MOSFET。
　　具有可调消隐时间的过流保护。
　　先进的有源钳位保护
　　欠压和过压锁定保护。
　　两个 1 安培脉冲变压器驱动器用于故障信号通信。
　　IX6611 旨在为高功率开关设备提供栅极驱动，将输入的 PWM 逻辑信号转换为 +15 V/-5 V（相对于 COMMON）双极栅极驱动信号，具有典型的 ±10 A 峰值驱动电流能力。独立的正极和负极栅极驱动器输出允许优化开启/关闭时间，而无需外部二极管选择不同值的串行栅极电阻（参见图 1a，电阻 R1 和 R2）。内部死区时间电路消除了源极和汇极输出的交叉传导。

　　如果不需要栅极电压的负偏移，则 VEE 和 PVEE 输入应连接到 COMMON。在这种情况下，不使用负电压源；内部逻辑由内部 VDD 源供电。VCC 电压应至少比数据表中显示的 UVLO 阈值高 5 V，以避免检测到 UVLO 条件。过流比较器相对于 COMMON 具有 300 mV 阈值，旨在检测过流条件。电流检测可以通过使用低值电流检测电阻、具有次级电流检测输出的 MOSFET/IGBT 或去饱和事件来实现（参见图 1a、1b 和 2）。

　　使用 IX6611 ICM 比较器和电流检测电阻进行过流保护。
　　图 1a：使用 IX6611 ICM 比较器和电流检测电阻实现过流保护。
　　过流故障保护
　　如果发生过流故障，驱动器的输出将被强制为低电平，并持续到该周期的剩余时间。在下一个 PWM 栅极驱动周期开始时，将恢复正常运行。
　　由于检测电压较低，可能需要在电流检测输入端添加噪声滤波器（R5C4）。
　　当发生过流时，输出故障脉冲发生器会产生一个 200ns 的窄脉冲，故障控制逻辑使用该脉冲将故障情况传达给 MCU。

　　OC 比较器的输入在开关设备关闭期间接地，并在开关设备开启后立即保持接地一段时间，以防止误跳闸。前沿消隐电路设置消隐时间，可通过外部电容器进行编程（见图 1a，电容器 C3）。

　　使用 IX6611 ICM 比较器、电流检测电阻器和附加比较器进行过流保护。
　　图 1b：使用 IX6611 ICM 比较器、电流检测电阻器和附加比较器实现过流保护。
　　功率耗散
　　如果电流检测电阻上的功耗过高，或者很难找到具有适当限流值的电流检测电阻，则可以使用额外的比较器，如图 2b 所示。在这种情况下，可以在电流检测电阻上的功耗相对较小的情况下精确调整所需电流。

　　传统的 IGBT 去饱和保护或 SiC MOSFET 由 RDC_ON 上的高压降触发的保护也可以通过使用跨漏极到源极的大比例电阻分压器来实现（见图 2）。电阻分压器 R13/R14 在其值方面有两个限制。在发生去饱和事件/RDC_ON 上的高压降时，R14 上的电压降应高于 300mV，以触发 ICM 比较器，并且当开关设备处于关闭状态时，它不应加载高压源。最小分压器的电流应高于 1?A，以防止 ICM 输入电流的影响。电阻器 R13 通常是低压廉价电阻器的串联，例如额定电压为 500V 的标准 1206 SMD 电阻器。串联电阻的数量应为漏极/集电极电压除以 500V 后的下一个整数。

　　使用 IX6611 ICM 比较器和去饱和电压进行过流保护。
　　图 2：使用 IX6611 ICM 比较器和去饱和电压实现过流保护。
　　电阻器 R5 仅用于噪声过滤目的，如果电源板设计得当，可以省略它。否则，它应尽可能靠近 ICM 引脚。二极管 D1 用于保护驱动器免受负电压尖峰的影响，并且应为具有低电容的快速正向恢复二极管，例如 Diodes Incorporation 的 1N4448HWS-7-F。
　　当开关器件栅极电压为负时，电容器 C4 由 IX6611 内部的 2 kOhms 开关短路。该开关允许 C4 在栅极电压升高且电容器 C3 设置的消隐时间到期后开始充电。如果需要更短的去饱和事件响应时间，则可以降低 C3 和 C4 电容器的值，但代价是降低系统抗噪性。

　　使用 IX6611 ACL 比较器进行有源钳位。

　　图 3：使用 IX6611 ACL 比较器进行有源钳位。
　　有源钳位保护用于在电感负载以高电流关闭时保护开关设备免受漏极/集电极过压情况的影响。如果触发 ACL 比较器，则允许保持开关设备导通，直到电感器中存储的能量不足以产生集电极过压情况。
　　ACL 比较器
　　IX6611 采用 ACL 比较器，其阈值为 3.1 V（相对于负栅极电压源 (VEE)），可用于实施高级有源钳位技术，如应用电路图 (图 3) 所示。ACL 比较器监测电阻分压器 R3/R4 处的电压，该分压器通过钳位二极管 ZD1、ZD2 连接到 IGBT 集电极。如果 IGBT 集电极电压超过 VZD1 + VZD2 + VZD3 + VEE 阈值，电流将开始流入 OUTN 栅极驱动器输出，从而在 ZD3 上产生电压降。应选择电阻分压器，使 R4 上的电压降超过 ACL 比较器阈值 3.1 V，即 VZD3*R4 / (R3 + R4) > 3.1 V（相对于 VEE）。触发 ACL 比较器会强制栅极驱动器输出进入三态状态，并且由于击穿二极管电流对 IGBT 栅极充电，IGBT 开始导通。
　　一旦 IGBT 导通，其集电极电压就会下降，二极管从击穿中恢复，ACL 比较器会打开 OUTN 输出，从而迫使 IGBT 栅极处于低电平。此序列可能会重复多次，直到外部电感中的能量消散。仅当驱动器的输出 OUTP 处于关闭状态时，ACL 比较器才会处于活动状态。在下一个 PWM 栅极驱动周期开始时，恢复正常操作。
　　当 IGBT 栅极电压高于 VCC 或低于 VEE 时，二极管 D1、D2 可保护 IGBT 栅极免受过压。当栅极电压低于 VCC 时，二极管 D3 可保护栅极驱动器 OUTP 输出，防止电流流入集电极。
　　该技术很少与 MOSFET 一起使用，如果不需要此功能，可以通过将 ACL 比较器的输入连接到 VEE 引脚轻松禁用它。
　　IX6611 包含欠压和过压锁定比较器（分别为 UVLO 和 OVLO），用于监控正电源端子。如果在 PWM 脉冲开始时，正电源电压低于 UVLO 阈值或高于 OVLO 阈值，则栅极驱动器输出被驱动为低电平，并跳过该 PWM 脉冲。但是，如果在 PWM 脉冲启动后发生 UVLO 或 OVLO 情况，则这些情况将被忽略，直到下一个 PWM 脉冲到来。
　　如果正电源从故障状态恢复，则在下一个 PWM 脉冲上恢复正常运行。UVLO 电路在 VCC 高于 3V 时开始运行，并保持栅极驱动器输出低电平，直到 VCC 升至 UVLO 阈值以上。
　　故障信息通讯

　　故障信息以窄脉冲形式传送至 MCU。根据故障类型，故障控制逻辑从输入接口或输出故障脉冲发生器中选择窄脉冲。

　　UVLO 故障情况以 FLT1 脉冲的形式传送到 MCU，该脉冲是一个输入接口脉冲，表示 PWM 脉冲的前沿被 IX6611 传播延迟时间延迟。OVLO 故障情况以 FLT2 脉冲的形式传送到 MCU，该脉冲是一个输入接口脉冲，表示 PWM 脉冲的后沿也被 IX6611 传播延迟时间延迟。IGBT 过流情况以 FLT2 脉冲的形式从内部输出故障脉冲发生器传送到 MCU，该脉冲与过流事件同步，但不与输入 PWM 信号的前沿/后沿同步。FLT1 和 FLT2 输出为开漏结构，能够吸收高达 1 A 的电流。IX6611 输入接口在启动/停止模式下工作，RCVP 输入端的短正脉冲信号表示 PWM 脉冲的前沿，RCVN 输入端的短正脉冲表示 PWM 脉冲的下降沿。 IX6611 脉冲恢复逻辑重建 PWM 脉冲并在 OUTP/OUTN 输出处产生互补信号。
　　前缘/后缘脉冲最短可达到 100 纳秒。这样，可以使用直接 MCU 连接驱动器，或使用伏秒值较小的隔离变压器来传输持续时间从 200 纳秒到无穷大的 PWM 脉冲。因此，IX6611 不仅可用于快速切换应用，如电机驱动器、DC/DC 断路转换器或 AC/DC PFC 转换器，还可用于每天运行一次的大功率设备开关等。

　　建议对 IX6611 驱动 MOSFET 进行去耦。

　　图 5：针对 IX6611 驱动 MOSFET 的推荐去耦。
　　RCVP/RCVN 逻辑输入阈值对于逻辑“1”大于 2.2 V，对于逻辑“0”小于 1.0 V。为了抑制噪声和高频干扰，接收器使用匹配良好的全差分架构，带有 1 V 滞后施密特触发缓冲器。这样，在 MOSFET 作为栅极驱动器负载的情况下，可以将 MCU 直接连接到栅极驱动器，VEE/PVEE 和 COMMON 引脚连接在一起。栅极驱动器输入具有高阻抗，因此 MCU 输出应配置为低电流输出，而接收有关故障条件信息的 MCU 输入应配置为上拉输入。如果使用 IX6611 驱动 SiC MOSFET 或 IGBT 并且需要负电压源，则应相对于负 VEE 源发送和接收逻辑信号，这需要将 MCU 接地连接到负电压源。这可能不方便或不可能。在这种情况下，应使用隔离变压器将 MCU 和驱动器分开。这还允许将 MCU 与 IX6611 和大功率设备进行电气隔离，从而显著提高大功率应用中 MCU 的抗噪能力。

　　栅极驱动器的输入接口设计为与具有较小伏秒值的脉冲变压器兼容，例如标准以太网/10Base-T 隔离变压器 PE-68023、PE-65745、PE65454 或类似产品。

　　用于双脉冲测试的 SiC MOSFET 测试板示意图，其中 IX6611 作为栅极驱动器和附加比较器，以使用相同的电流检测电阻设置不同的最大漏极电流值。
　　图 6：用于双脉冲测试的 SiC MOSFET 测试板原理图，其中 IX6611 作为栅极驱动器和附加比较器，以使用相同的电流检测电阻设置不同的最大漏极电流值。
　　建议的 MCU/栅极驱动器与隔离变压器的连接如图 4 所示。
　　如果 MCU 输出电流能力较低，则应使用额外的 MOSFET（Q2、Q3）来驱动变压器。建议使用比率为 1:1.41 或 1:2 的绕组来提高驱动器（次级）侧的抗噪能力，尤其是当 MCU 电压较低（如 3.3 V 或更低）时。
　　此外，应注意 MCU 输入处的故障信号，该信号不应超过 MCU 限制，因为 IX6611 驱动变压器的绕组电压约为 5 V。
　　分流电阻 Rs 用于防止变压器绕组因寄生电容而产生振铃，寄生电容可能会在相反极性的输入端产生误触发。其值应在 20 Ω 至 50 Ω 范围内。具有低正向电压的二极管矩阵 D4、D5 仅在负载电阻 Rl 上形成正脉冲，IX6611 和 MCU 从中读取信息。建议的 Rl 电阻值应在 50 Ω 至 500 Ω 范围内，以最大限度地提高抗噪能力。减小 Rs 和 Rl 电阻值可提高抗噪能力，但也会增加变压器初级绕组的负载。
　　为避免静电积聚，应在 IX6611 COMMON 和 MCU 接地平面之间安装高压低电容（220 pF – 470 pF）电容器和/或 2 – 5 MΩ 电阻器，如图 4 所示（Cst、Rst）。
　　热关断电路
　　IX6611 包含一个热关断电路，可保护器件免受由于芯片温度过高而造成的损坏。当结温超过 150°C 时，栅极驱动器和 ACL 比较器的输入信号将被禁用，并且栅极驱动器输出将被强制为低电平。当结温降至 130°C 以下时，器件恢复正常运行。建议将封装底部焊盘焊接到与 VEE 相连的 PCB 焊盘上，以改善封装功耗。
　　IX6611 是一款高频大电流驱动器，工作于高噪声环境中，如大功率电机、电感器、加热器和其他重型工业设备。因此，应密切关注 PCB 布局，以最大限度地提高抗噪能力和驱动器性能。
　　图 5 描绘了 IX6611 驱动 SiC MOSFET 的推荐去耦示意图。建议将去耦电容分开放置在 VCC 和 PVCC 引脚之间，并尽可能靠近引脚放置。噪声滤波电容 C3 应尽可能靠近 ICM 输入，以提高抗噪能力。接地平面应连接到 COMMON 并仅在一点连接到高电流电路，以避免高电流在 IX6611 下方流动。
　　内部 VDD 稳压器为以 VEE 为基准的内部低压电路供电。稳压器由 VCC （相对于 VEE）供电，其输出电压以 VEE 为基准。外部旁路电容器 C1、C2 可容纳瞬态电流。

　　IXYS 公司 SiC MOSFET IXFN70N120SK 与 IX6611 栅极驱动器在 Vds = 600 V 和 Id = 20 A 时的性能。通道 1 – 红色 – 漏极电流（5 A/div），通道 4 – 蓝色 – 漏极电压（200 V/div）。

　　图 7：IXYS 公司 SiC MOSFET IXFN70N120SK 与 IX6611 栅极驱动器在 Vds = 600 V 和 Id = 20 A 时的性能。通道 1 - 红色 - 漏极电流（5 A/div），通道 4 - 蓝色 - 漏极电压（200 V/div）。
　　图 6 展示了用于双脉冲测试的 SiC MOSFET 测试板的示意图，其中 IX6611 用作栅极驱动器，并附加比较器以使用相同的电流检测电阻设置不同的最大漏极电流值。图 7 显示了 IXYS Corporation SiC MOSFET IXFN70N120SK 在 Vds = 600 V 和 Id = 20 A 时的性能。

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