如何使用高速栅极驱动器IC驱动碳化硅MOSFET？

碳化硅 （SiC） MOSFET 成为 MOSFET 市场的可见部分，需要能够提供负电压的特殊栅极驱动器
碳化硅 （SiC） MOSFET 成为 MOSFET 市场的可见部分，需要特殊的栅极驱动器，能够在 MOSFET 关断状态下为栅极提供负电压、高充电/放电脉冲电流，并且足够快以在纳秒范围内操作栅极。IC IX6611是一款智能高速栅极驱动器，可轻松用于驱动碳化硅（SiC）MOSFET以及标准MOSFET和IGBT。
只要负电压和正电压之差不超过30V，IX6611就为栅极提供从零到负10V的负电压和从12V到25V的正电压。它能够提供高达 ±10A 的栅极充电/放电电流，具有相同的 50ns 传播延迟，用于下降和上升脉冲边沿，从而防止脉冲失真。IX6611包含脉冲变压器隔离应用所需的电路模块，允许将微控制器单元（MCU）等信号源/接收器与保持双向通信的高功率电路进行电气隔离。这在发生故障时为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、热关断以及开关器件过流和过压保护。该器件设计工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，采用带裸焊盘的 16 引脚 SOIC 封装。
IX6611特点
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，用于驱动 IGBT 或 SiC MOSFET。
具有可调消隐时间的过流保护。
先进的主动箝位保护
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设计用于为高功率开关器件提供栅极驱动，将输入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。独立的正极和负栅极驱动器输出允许优化开/关时间，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灌电流输出的交叉导通。
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所示的 UVLO 阈值高 5 V，以避免检测 UVLO 条件。过流比较器具有相对于COMMON的300 mV阈值，设计用于检测过流条件。电流检测可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）。

图 1a：使用 IX6611 ICM 比较器和电流检测电阻的过流保护。
过流故障保护
如果发生过流故障，驱动器的输出在周期的剩余时间内被强制为低电平。正常工作在下一个PWM栅极驱动周期开始时恢复。
由于检测电压较低，可能需要在电流检测输入端安装噪声滤波器（R5C4）。
当发生过流时，输出故障脉冲发生器产生一个200ns的窄脉冲，故障控制逻辑使用该脉冲将故障条件传达给MCU。
OC比较器的输入在开关器件的关断时间内接地，并在开关器件导通后立即保持接地固定时间，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（参见图 1a，电容器 C3）。

图 1b：使用 IX6611 ICM 比较器、电流检测电阻和附加比较器的过流保护。
功耗
如果电流检测电阻的功耗过高，或者很难找到具有合适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相对较小的功耗下对所需电流进行精密调整。
传统的IGBT去饱和保护或SiC MOSFET的高压RDC_ON降触发的保护也可以使用漏极至源极两端的大比率电阻分压器来实现（见图2）。电阻分压器R13/R14在其值方面有两个限制。R14两端的压降应高于300mV，以便在RDC_ON发生去饱和事件/高压降时触发ICM比较器，并且当开关器件处于关断状态时，不应加载高压源。最小分压器的电流应高于1μA，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行连接，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/集电极电压上方的下一个整数除以500V。

图 2：使用 IX6611 ICM 比较器和去饱和电压的过流保护。
电阻R5仅用于噪声过滤目的，通过适当的电源板设计可以省略。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，并且应该是具有低电容的快进恢复，如 Diodes 公司的 1N4448HWS-7-F。
当开关器件栅极电压为负时，电容C4由IX6611内部的2 kOhms开关短路。该开关允许 C4 在栅极电压变高且电容器 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电容值，但会降低系统抗扰度。

图 3：使用 IX6611 ACL 比较器的有源钳位。
有源箝位保护用于在感性负载以高电流关闭时保护开关器件免受漏极/集电极过压情况的影响。如果触发ACL比较器，则允许开关器件保持导通，直到电感中存储的能量不足以产生集电极过压条件。
ACL 比较器
IX6611采用相对于负栅极电压源（VEE）具有3.1 V阈值的ACL比较器，可用于实现应用电路图（图3）所示的高级有源钳位技术。ACL比较器监视电阻分压器R3/R4的电压，该分压器通过箝位二极管ZD1、ZD2连接到IGBT集电极。如果IGBT集电极电压超过等于VZD1 + VZD2 + VZD3 + VEE阈值的值，电流开始流入OUTN栅极驱动器输出，从而在ZD3两端产生压降。电阻分压器的选择应使R4两端的压降超过ACL比较器阈值3.1 V，即VZD3*R4 / （R3 + R4）相对于VEE》3.1 V。触发ACL比较器迫使栅极驱动器输出进入三态状态，并且由于击穿二极管电流向IGBT栅极充电，IGBT开始导通。
一旦IGBT导通，其集电极电压下降，二极管从击穿中恢复，ACL比较器接通OUTN输出，迫使IGBT栅极为低电平。该序列可以重复数次，直到外部电感中的能量耗散。ACL 比较器仅在驱动器的输出 OUTP 关闭时处于活动状态。正常工作在下一个 PWM 栅极驱动周期开始时恢复。
二极管 D1、D2 可在 IGBT 栅极电压变为比 VCC 更正或比 VEE 更负的情况下保护 IGBT 栅极免受过压的影响。二极管D3可防止栅极驱动器OUTP输出在电流低于VCC时将电流排放到集电极中。
这种技术很少用于MOSFET，如果不需要此功能，可以通过将ACL比较器的输入连接到VEE引脚来轻松禁用。
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脉冲启动后出现UVLO或OVLO条件，则在下一个PWM脉冲到来之前，这些条件将被忽略。
如果正电源从故障状态中恢复，则在下一个PWM脉冲上恢复正常工作。UVLO电路在高于3V的VCC下工作，并保持栅极驱动器输出低电平，直到VCC升至UVLO门限以上。
故障信息通信
故障信息以窄脉冲的形式传送到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。

图 4：使用隔离变压器与 IX6611 的 MCU 连接。
UVLO故障条件以FLT1脉冲的形式传送到MCU，FLT1脉冲是输入接口脉冲，表示PWM脉冲的前缘被IX6611传播延迟时间延迟。OVLO故障条件以FLT2脉冲的形式传达给MCU，FLT2脉冲是代表PWM脉冲后沿的输入接口脉冲，也因IX6611传播延迟时间而延迟。IGBT过流条件作为来自内部输出故障脉冲发生器的FLT2脉冲传送到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 输出采用漏极开路架构，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代表PWM脉冲的前缘，RCVN输入端的短正脉冲信号代表PWM脉冲的下降沿。IX6611脉冲恢复逻辑重建PWM脉冲，并在OUTP/OUTN输出端产生互补信号。
前沿/后沿脉冲最小可达100 ns。这允许使用与驱动器的直接MCU连接，或具有小伏秒值的隔离变压器来传输持续时间从200 ns到无穷大的PWM脉冲。因此，IX6611不仅可以用于快速开关应用，如电机驱动器、DC/DC胸型转换器或AC/DC PFC转换器，还可以用于每天运行一次的高功率设备的开关等。

图 5：IX6611 驱动 MOSFET 的推荐去耦。
RCVP/RCVN逻辑输入阈值对于逻辑“一”大于2.2 V，对于逻辑“零”小于1.0 V。为了抑制噪声和高频干扰，在具有1 V迟滞施密特触发器缓冲器的接收器上使用匹配良好的全差分架构。这允许在MOSFET作为栅极驱动器负载的情况下将MCU直接连接到栅极驱动器，并将VEE/PVEE和公共引脚连接在一起。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，而接收故障条件信息的MCU输入应配置为上拉输入。如果IX6611用于驱动SiC MOSFET或IGBT和负电压源，则应针对需要MCU接地连接到负电压源的负VEE源发送和接收逻辑信号。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和高功率器件电隔离，从而显著提高高功率应用中MCU的抗扰度。
栅极驱动器的输入接口设计为与具有小伏秒值的脉冲变压器兼容，如标准以太网/10Base-T 隔离变压器 PE-68023、PE-65745、PE65454 或类似产品。

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，使用相同的电流检测电阻设置不同的最大漏极电流值。
推荐的带隔离变压器的MCU/栅极驱动器连接如图4所示。
如果MCU输出具有低电流能力，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，以提高驱动器（次级）侧的抗噪性，尤其是在 MCU 电压为 3.3 V 或更低时。
此外，还应注意MCU输入端的故障信号，该信号不应超过MCU限制，因为IX6611驱动变压器绕组的电压为~5 V。
分流电阻 Rs 用于防止变压器绕组在寄生电容上振铃，这可能会在极性相反的输入端产生错误触发。其值应在 20 Ω 到 50 Ω 的范围内。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。推荐的Rl电阻值应在50 Ω至500 Ω范围内，以最大限度地提高抗扰度。Rs和Rl电阻的减小值提高了抗扰度，但也增加了变压器初级侧绕组的负载。
为避免静电积聚，应在IX6611 COMMON和MCU接地层之间安装高压低电容（220 pF – 470 pF）电容器和/或2 – 5 MΩ电阻，如图4（Cst，Rst）所示。
热关断电路
IX6611包含一个热关断电路，以保护器件免受芯片温度过高造成的损坏。当结温超过150°C时，栅极驱动器和ACL比较器的输入信号被禁用，栅极驱动器输出被强制为低电平。当结温降至130°C以下时，器件恢复正常工作。 建议将封装底部焊盘焊接到与VEE相连的PCB上的焊盘上，以改善封装功耗。
IX6611是一款高频大电流驱动器，可在高功率电机、电感器、加热器和其他重型工业设备等非常嘈杂的环境中工作。因此，应密切关注PCB布局，以最大限度地提高抗噪性和驱动器性能。
图5显示了IX6611驱动SiC MOSFET的推荐去耦原理图。建议在VCC和PVCC引脚之间分离去耦电容，并将它们放置在尽可能靠近引脚的位置。噪声滤波电容C3应尽可能靠近ICM输入，以提高抗噪性。接地层应连接到COMMON并在某一点连接到大电流电路，以避免高电流在IX6611动。
内部VDD稳压器为参考VEE的内部低压电路供电。该稳压器相对于 VEE 由 VCC 供电，其输出电压以 VEE 为基准。外部旁路电容器 C1、C2 可适应瞬态电流。

图 7：采用 IX6611 栅极驱动器的 IXYS 公司 SiC MOSFET IXFN70N120SK 性能，Vds = 600 V 且 Id = 20 A。 通道 1 – 红色 – 漏极电流 （5 A/格），通道 4 – 蓝色 – 漏极电压 （200 V/格）。
图6显示了用于双脉冲测试的SiC MOSFET测试板的原理图，其中IX6611作为栅极驱动器和附加比较器，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 公司 SiC MOSFET IXFN70N120SK 在 Vds = 600 V 和 Id = 20 A 时的性能。