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主流半橋驅(qū)動芯片如何發(fā)展:先增效再降本

Robot Vision ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:李寧遠 ? 2021-10-28 08:00 ? 次閱讀
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在直流電機中,單片機提供的電壓電流一般不足以驅(qū)動直流電機,只能作為驅(qū)動信號。所以要在它們之間加一個Motor Driver,即驅(qū)動器。半橋驅(qū)動器的作用就是通過功率管產(chǎn)生交流電觸發(fā)信號,從而產(chǎn)生大電流進一步驅(qū)動電機。相比于全橋,半橋驅(qū)動電路成本偏底,電路也更容易形成,而全橋電路成本高,電路相對復雜。當然,全橋電路不容易產(chǎn)生瀉流,而半橋電路在振蕩轉換之間容易使波形變壞,產(chǎn)生干擾。
在半橋驅(qū)動電路中一般都會加入死區(qū)設置,如果不加入死區(qū),那么在一個電力電子器件尚未完全關閉時另一個電子器件就已經(jīng)完全開啟,這樣會形成短路,從而燒壞器件。因此半橋驅(qū)動芯片中如何降低死區(qū)時間要求,是一處十分體現(xiàn)性能的要點。
其實主流大廠的這一類型芯片,性能都非常高,各家獨有技術加持下的產(chǎn)品可以說各有所長,在效率拉不開明顯差距的情況下,降低成本提升性價比成了主流半橋驅(qū)動芯片另一個比拼的重點。

Infineon 半橋驅(qū)動芯片

Infineon在半橋驅(qū)動上可以說是集大成者,他們的半橋驅(qū)動芯片通常帶有兩個互鎖通道。這里不再對IR2104這款耳熟能詳?shù)陌霕蝌?qū)動做贅述,大家對他太熟悉了。
我們來看看最新推出的650 V半橋驅(qū)動,一個絕緣體上硅(SOI)柵極驅(qū)動器IC,具有高電流(2.5 A)和低電流(0.7 A)兩個選項,強度和抗擾度都很優(yōu)秀。
(2ED2101S06F,Infineon)
首先說說英飛凌的絕活,絕緣體上硅(SOI)技術。該技術本質(zhì)上是一種高壓的電平轉換技術,集成了BSD,每個晶體管都被埋入的二氧化硅隔開。該技術表現(xiàn)在芯片強大的抗負瞬態(tài)電壓能力以及低電平轉換損耗上。
2ED2101S06F就是基于該技術的半橋柵極驅(qū)動器。該系列在高邊和低邊柵極驅(qū)動上有0.29 A拉電流和0.7 A灌電流。SOI給該器件帶來的抗負瞬態(tài)電壓能力足有100V,在行業(yè)內(nèi)絕對的領先。同時,由于器件中不存在寄生晶閘管結構,因此在所有溫度和電壓條件下都不會發(fā)生閉鎖。
該器件在延遲會上稍遜一些,為90ns,但這不影響出色負瞬態(tài)電壓帶來的極高耐用性和抗噪性,以及SOI技術帶來降低50%電平轉換損失這些極優(yōu)異的性能。除此之外,集成BSD在節(jié)省空間,降低BOM成本上很有優(yōu)勢。

ST 半橋驅(qū)動芯片

ST電機驅(qū)動器涵蓋也非常廣,從單橋到半橋到多通道驅(qū)動器。在高壓應用上,ST的半橋驅(qū)動優(yōu)勢會比起同行更明顯,其中一個主要原因就是獨家的BCD“offline” 技術。
(L6384E,ST)
上圖中的L6384E是ST旗下高壓半橋驅(qū)動器,即采用了BCD“offline” 技術。通過該技術,L6384E高側浮動部分能夠在高達600 V的電壓軌下工作,兩個設備輸出可以分別接收650 mA和400 mA,但由于是單輸入配置,只有一個輸出會驅(qū)動高壓。死區(qū)時間功能可進一步防止兩股輸出的交叉?zhèn)鲗?,還能通過連接到DT/SD引腳的外部電阻器進行調(diào)節(jié)。
在性能指標上,除了650 mA和400 mA的驅(qū)動能力,L6384E能提供全溫度范圍內(nèi)±50 V/ns的dV/dt抗擾度。在1nF負載下,開關在rise階段延遲僅為50ns,在fall階段延遲也只有30ns。同時,UVLO 保護和 V CC電壓鉗技術也給予了該器件充足的可靠性。
L6384E保證了保證低壓側和高壓側部分之間的匹配延遲,從而簡化設備的高頻操作。邏輯輸入與CMOS兼容,便于與控制設備接口。
同樣的,該器件內(nèi)部也集成了BSD,效率提高還不夠,還要讓設計更緊湊。

TI 半橋驅(qū)動芯片

這里沒有選取TI的高壓系列,我們來看看TI的低壓半橋柵極驅(qū)動器,TI低壓系列性能足夠穩(wěn)定,系統(tǒng)也足夠可靠。在低壓應用上TI沒有集成BSD,畢竟不是高壓應用,但在效率提高上TI通過降低死區(qū)時間讓效率更近了一步。
一般將半橋驅(qū)動按總線電壓分為低壓高壓兩類,低于120V的半橋驅(qū)動器相對有更快的傳播延遲,可實現(xiàn)更快的切換并提高整體系統(tǒng)效率。
(UCC27282,TI)
UCC27282,120V半橋柵極驅(qū)動器,是TI在低于120V半橋驅(qū)動應用下最重要的產(chǎn)品之一。 UCC27282屬N溝道MOSFET驅(qū)動器,通過此器件可在基于半橋或同步降壓配置的拓撲中控制兩個N溝道MOSFET。該系列有一項極為突出的能力,因為UCC27282具有3.5A的峰值灌電流和2.5A的峰值拉電流以及較低的上拉和下拉電阻,因此在MOSFET米勒平臺轉換期間,器件能以最小的開關損耗驅(qū)動大功率MOSFET。
為了保證器件穩(wěn)定性和靈活性,UCC27282配置了很多功能。輸入引腳和HS引腳能夠承受較大的負電壓,輸入引腳為-5V,HS引腳為-14V,因此提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。輸入互鎖進一步提高了高噪聲應用中的穩(wěn)健性和系統(tǒng)可靠性。在高頻應用中5V UVLO容許極端的工況,還能提升效率。
在死區(qū)設置上,UCC27282較小的16ns傳播延遲和1ns匹配延遲可最大限度降低死區(qū)時間要求,這是TI在提升效率上的技術關鍵。

小結

在半橋驅(qū)動上,這三家?guī)缀踉谛袠I(yè)內(nèi)有壓倒性的優(yōu)勢,這幾大廠商都有自己的獨有技術來降低電平轉換損耗和死區(qū)時間以此來提高效率,同時集成BSD來減少成本節(jié)省空間也漸成行業(yè)趨勢,尤其是在高壓應用領域,畢竟性價比是用戶極為看重的。
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