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文檔簡介

車用柵驅(qū)動設(shè)我國新能源汽車及關(guān)鍵零部件技術(shù)大規(guī)模目標(biāo)?!笆濉标P(guān)于新能源汽車規(guī)劃主要目標(biāo)是2020年要建立起完善的電動汽車動力系統(tǒng)科技體系和技術(shù)系統(tǒng),實現(xiàn)各類電動汽車的,促進(jìn)新能源汽車新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速成長期?!笆濉毙履芸煽啃院统杀镜年P(guān)鍵因素。電機驅(qū)動系統(tǒng)的元器件包括柵驅(qū)動和功率模塊,柵驅(qū)動的性能和可靠性直接影響的開關(guān)損耗和,最終決定電機系統(tǒng)的能效和可靠性。車用柵驅(qū)動正朝著高開關(guān)速度、集成保護(hù)功能的智能方向發(fā)展,進(jìn)而最大化電機系統(tǒng)能效、提高系統(tǒng)可靠性。目前,車用驅(qū)動全部依賴進(jìn)一,改變中國的高端、制造裝備、工藝與材料依賴引進(jìn)、受制于人的局面,必須像解決鋼鐵問題一樣,解決“中國芯”的問題,以支撐中國未來30年的發(fā)展。柵驅(qū)動的在提高新能源汽車高端技術(shù)含量、市場競爭力、以及自主可控可持續(xù)發(fā)展方面具有重要意義和實際價值。車用柵驅(qū)動的研發(fā)符合“中國制造2025”寬禁帶半導(dǎo)體電力電子布局需求,實現(xiàn)訴求。車用柵驅(qū)動的作用是在汽車控制系統(tǒng)的指令下提供足夠的電流用以驅(qū)。柵驅(qū)動通常需要能為提供15-20V的正向電壓幅度,實現(xiàn)器件開啟使其工作在最小導(dǎo)通電阻區(qū);同時能提供-5V以下的負(fù)向電壓幅度,減小柵電模式下的開關(guān)損耗。柵驅(qū)動具有足夠高的峰值電流充電能力和柵極電荷泄放能力,以及短的延遲時間,才能保證 有足夠快的開關(guān)頻率。柵驅(qū)動中邏輯控制電路與高壓驅(qū)動部分通常需要有效電,將低壓控制電路和高壓驅(qū)動電路電氣分開,目前采用的電氣方法主要有以下幾種:光耦:基于光耦的柵驅(qū)動電路對集成電路工藝的耐壓能力要求不高、電氣隔離可靠性高等特點,在車用柵驅(qū)動中為主流技術(shù)。光耦的主要問題是延遲時間長、對噪聲敏感、帶寬低。但是對于工作頻率在~10kHz左右的汽車領(lǐng)域是綽綽有余。Avago車用柵驅(qū)動主要采用光耦技術(shù),其代表產(chǎn)品ACPL38JT、ACPL34JT、ACPL32JT等,該可以提供2.5A峰值電流、最大延遲280ns、共模抑制(CMR)大于30kV/μs。ToshibaTLP5214也采用光耦技術(shù),峰值輸出電流4A,CMR35kV/μs、最大延遲150ns、電壓等級5000Vms電平移位自舉:常用于半橋電路驅(qū)動,需要一個二極管和自舉電容。當(dāng)下管導(dǎo)的源端為浮動狀態(tài),從而實現(xiàn)了輸入與輸出的。但是自舉方式并沒有實現(xiàn)電氣的完全、電壓等級很低,自舉電容功耗大、充放電時間影響占空比。變壓器:可提高電壓等級,但是寄生電容導(dǎo)致共模干擾嚴(yán)重、寬占空比工作模式需要復(fù)雜電路設(shè)計。近年來提出無磁心變壓器技術(shù),InfineonEicedrive產(chǎn)品系列采用該技術(shù),典型產(chǎn)品2ED020I12FA為雙溝道驅(qū)動,可驅(qū)動600V/1200 、2Arailtorail輸綜上,鑒于汽車上電機工作頻率通常在~10kHz、需求緊湊型、體積小、電氣等級高等特點,光耦技術(shù)以其獨有的穩(wěn)定特性逐漸成驅(qū)動的主流技術(shù)。柵驅(qū)動除具有對充放電基本功能,還可以集成一些智能保護(hù)功能,從而減少控制器內(nèi)部功能模塊,縮小控制器體積,增大控制器的能量密度。此外,智能保護(hù)功能的集成使得電機的穩(wěn)定性和可靠性得以極大提高。這些功能包括正常工作狀態(tài)下和故障狀態(tài)下的保護(hù)。例如,典型三相逆變器的功率很容易在以下幾種模式下?lián)p壞:相或者母電源短路,噪聲或計算錯誤造成的控制信號失效,負(fù)載造成的過載,柵驅(qū)動電路元器件失效。在這些錯誤模式下,通過的電流迅速增大,增大功耗,當(dāng)電流超過其飽和電流集電極-發(fā)射極電壓()超過飽和電壓水平后,器件功耗迅速增大,轉(zhuǎn)換成熱量燒毀器件。柵驅(qū)動必須集成過流保護(hù)和關(guān)斷功能電路,而且這些電路本身應(yīng)該是高速、低功耗、小尺寸。電路提供快速的當(dāng)?shù)劐e誤診斷和關(guān)閉是理想的解決方案。例如,ao車用柵驅(qū)動38JT、34JT、32JT等全部集成了 過流保護(hù)、位(Millrclam、 軟關(guān)斷(t tn-、欠壓保護(hù))等保護(hù)功能模塊。過流保護(hù)功能。當(dāng)工作在短路狀態(tài)下,高壓母線上的電壓直接降在上,C、E兩端電壓VCE迅速上升,電流瞬時增大,產(chǎn)生過多熱量將燒毀 動電路應(yīng)該具有檢測VCE功能,檢測其超過一定閾值后,開啟一個柵電荷較小的MOSFET 中很高的短路電流,并關(guān)斷器件,這能稱為DESAT。DESAT錯誤檢測電路在器件剛開啟的短時間內(nèi)是不工作的,這可以允許C端電壓降在DESAT閾值以下。這段時間稱為DESATblankingtime,由內(nèi)部充電電流、DESAT閾值電壓、外部DESAT電容決定。欠壓鎖定(UVLO)。當(dāng)柵驅(qū)動電源電壓低于一定值時,輸出電壓低于 柵電壓時,在低柵壓下開啟,導(dǎo)致工作在導(dǎo)通電阻很高的狀態(tài)下,增大其開關(guān)損 在較低柵偏壓情況下開啟。UVLO保護(hù)功能有源鉗位功能(activemillerclam)。半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,由于效應(yīng),開啟的一個dVce/dt傾向于開啟關(guān)斷的,為避免該效應(yīng),應(yīng)該提供一低阻通道盡快對關(guān)斷柵電荷進(jìn)行放電,通常為低阻MOSFET。另外,柵電荷通過柵驅(qū)動中下拉管放電,當(dāng)該下拉管漏極和源極電壓差小于一定閾值(2V)后,開啟低阻clamMOSFET進(jìn)行放電還可以減小器件關(guān)斷時間。具備有源電容鉗位功能的柵驅(qū)動不需要提供負(fù)柵極電壓。undershoote,又稱為below-groundvoltage。這種現(xiàn)象發(fā)生于高邊 半橋流入負(fù)載情況。高邊關(guān)閉,電感負(fù)載中的電流不能突然改變,需要低邊wheeling二極管續(xù)流,該二極管由高壓反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)為正向?qū)顟B(tài),半橋輸出端被拉低到接地電位以下。undershoote出現(xiàn)的另一原因是與半橋串聯(lián)的寄生電感在高dI/dt情況下誘導(dǎo)的電壓降造成的。鑒于此,本項目擬開展車用柵驅(qū)動研發(fā)工作。采用光耦技術(shù),設(shè)計單通 (desatution(UVLO、有源鉗位(activemillerclam)等保護(hù)功能。推動 進(jìn)程,推動自主可控的新能源汽車的穩(wěn)健發(fā)展。我國是電機技術(shù),高能效電機技術(shù)的掌握將促進(jìn)我國節(jié)能減排承諾的兌現(xiàn),實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展。柵驅(qū)動技術(shù)廣泛應(yīng)用在新能源汽車DC/DC、DC/AC、充電項目的實施,通過--模塊-整車完整技術(shù)鏈上的通力合作,以新能源汽車用 需求為牽引,開展研究工作,逐步實現(xiàn)進(jìn)口的替代適用,同時,開發(fā)有特色的柵驅(qū)動,為寬禁帶半導(dǎo)體功率技術(shù)的貢獻(xiàn)力量有自主知識的柵驅(qū)動技術(shù)。具備大功率柵極充放電功能,具備去飽環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),掌握技術(shù)。與市場通用功能兼容,實現(xiàn)新能源汽車中/MOSFET逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器中的替代使用示范,逐步推進(jìn)的進(jìn)程設(shè)計一款可以驅(qū)動150A以上的 位等保護(hù)功能,同時滿足汽車環(huán)境對耐高壓和耐高溫可靠。具體指標(biāo)如下:溫度范圍:-40°Cto+125°CDC-DC輸出穩(wěn)定電壓:20V峰值輸出電流:2.5Amax鉗位電流:1.7A光耦共模抑制比(CMR):15kV/μS@1500V最大工作電壓(1)1200V 柵驅(qū)動樣件柵驅(qū)動替代使用用戶報告10培養(yǎng)骨干人員2名培養(yǎng)5本項目擬研發(fā)一款應(yīng)用于汽車柵極驅(qū)動的智能型(smart)驅(qū)動,其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖一所示,主要由輸入控制、輸出驅(qū)動、二個LED組成。輸入控制和輸出控制中分別集成了狀態(tài)和錯誤反饋、接收輸入指令的光電二極管。輸入控制包括輸入驅(qū)動模塊、DC/DC控制模塊、錯誤監(jiān)測模塊、以及接收反饋信號的光電二極管。輸出驅(qū)動包括輸出控制模塊、DESAT保護(hù)模塊、軟關(guān)斷模塊、欠壓鎖定(UVLO)模塊、有源鉗位(activemillerclam)模塊、以及輸出驅(qū)動MOSFET模圖一、結(jié)構(gòu)框LED合理指令,控制輸出端。內(nèi)置DC/DC控制模塊具有和限制外置DC/DC主邊電流的功能,同時可以第二邊輸出電壓值并將其反饋給輸入驅(qū)動模塊可避免變壓器短路防止輸出階電源電壓VCC2過壓操作。檢測到VCC2超過閾值時關(guān)閉變壓器主邊開關(guān),從而抑制過壓造成的 DC/DC控制模塊主要包括OSC振蕩器、邏輯控制、RS觸發(fā)器。供柵極信號、控制輸出端電位VO。另外,該模塊監(jiān)測到VO-VEE2小于2V時,將打開有源鉗位下拉MOS管,加快外部驅(qū)動的 輸出驅(qū)動MOSFETrail-to-rail輸出。這部分僅使用MOSFET開態(tài)時的柵壓,避免在過壓或者欠壓條件下開啟。另外,輸出驅(qū)動MOSFET模塊的內(nèi)部等效輸出電阻很小,電壓降很小,的開關(guān)行為主要由外置的柵電阻控制,這有利于柵的過壓保護(hù)模塊:VCC2VCC2大于一 壓并在有過流現(xiàn)象發(fā)生時及時并關(guān)斷器件,并且反饋錯誤信號。該模塊同時具有 VCE大于閾值后,能將 電流情況下關(guān)斷造成的尖峰脈沖。采用可編程的blankingtime設(shè)計,保障 達(dá)到飽和,blankingtime由柵驅(qū)動內(nèi)部的精確電流源和外部的電阻決定。highlypreciseinternalcurrentsourceandanexternal欠壓鎖定(UVLO)模塊實現(xiàn)UVLO保護(hù)電路設(shè)計UVLO保護(hù)功能可以電源電壓VCC2,鉗位(activemillerclam)保護(hù)模塊:半橋驅(qū)動配置下,由于 開啟,從而造成半橋短路。為避免該效應(yīng) MOSFET來實現(xiàn)鉗位。鉗位MOSFET開啟條件設(shè)定為柵驅(qū)動輸出VO與輸出驅(qū)動 dVCE/dt通過 流,更快燒毀。因此。鉗位保護(hù)模塊也可以有效控制這種短路電流正循環(huán)過程,達(dá)到保護(hù)的目的。:光耦內(nèi)部集成兩對光耦,分別由LED和光電二極管組成,二者之間由透明絕緣介質(zhì)膜分隔開,實現(xiàn)輸入控制和輸出控制電氣,包括輸入控制器端與OutputDriver間控制信號的和OutputDriver與InputDriver間反饋信號的。:IP庫。3)整體仿真。將各模塊輸入輸出端連接,外加激勵和外置電路元器件,進(jìn)行4)版圖設(shè)計根據(jù)設(shè)計電路繪制版圖后端仿真各項性能參數(shù)確保的功能性流片:設(shè)計完成后提交工藝廠流片以及安全技術(shù)需要重點考慮。搭建評估板,對封裝完成的進(jìn)行功能性能測試,給出完整性報告(二)1、光耦技光耦技術(shù)保障輸入控制和輸出驅(qū)動之間沒有電氣直接連接提高共模電壓抑(CMR)和工作絕緣電壓。高CMR額定值允許柵驅(qū)動工作在很高噪聲共模電壓環(huán)境,VCM=????=

CMR性能依賴于內(nèi)部寄生效應(yīng),LED陰極寄生電容CLC和陽極寄生電容CLA。,此封裝設(shè)計必須使內(nèi)部寄生電容減小。業(yè)界普遍采用法拉第膜提高共模,在光耦探測器上方應(yīng)用法拉第膜可以顯著提高光耦的共模抑制比法拉第ITO實現(xiàn),ITO具有導(dǎo)電特性,把由于電壓瞬變引起的使光同時,外部電路的合理配置也會對CMR產(chǎn)生很大的影響:LEDCLCCLA將共模噪聲以電流形式耦合到光電二極管LEDIF上,如果超過閾值電流,會造成V0的錯誤跳變,導(dǎo)致共模噪聲影響的開啟和關(guān)斷等誤操作。因此設(shè)計中重LEDLEDIF的影響,即避免共模瞬LEDCLACLCLED電流被分流,柵驅(qū)動2、集成故障保護(hù)技術(shù)集成錯誤保護(hù)技術(shù)包括過流保護(hù)功能、VCC2的欠壓鎖定(UVLO。以半橋直流轉(zhuǎn)換器為例,當(dāng)高邊或者低邊導(dǎo)通時,直流高壓母線上的工作在錯誤狀態(tài)時要求具有錯誤狀態(tài)的判斷、反饋、處理能力。集成錯誤保護(hù)技術(shù)的設(shè)計將為的正常工作提供安全保障。過流保護(hù)模塊將實時監(jiān)測的VCEVCE的迅速升器使之關(guān)斷器件。當(dāng)過流保護(hù)模塊檢測到錯誤之后,軟關(guān)斷功能將迅速開啟,輸出級設(shè)計MOS管可以用于對柵極緩慢放電,將的柵壓緩慢降低,從而防止在極大電流情況下關(guān)斷造成的尖峰脈沖。圖四所示正常工作狀態(tài)以及錯誤保護(hù)狀態(tài)下圖四時序波形示意極管的功能是傳輸正向?qū)娏?。?dāng)導(dǎo)通時,的導(dǎo)通電壓VCE可以通過DESAT二極管傳輸?shù)降妮敵鲆_當(dāng)關(guān)斷時,DESAT二極管可以高壓在導(dǎo)通時,DESAT引腳的電壓值為:VFDESATVCE通過配置電路的變化而變化,圖五(b)所示將一個二極管串入配置電路中使得過流保護(hù)閾值電壓降低。配置電路串入多個二極管或者DESAT二極管時:其中n為串聯(lián)進(jìn)入配置電路的二極管或DESAT二極管的個數(shù)此外,如果輸出電源電壓VCC2過低,輸出的驅(qū)動電壓VOH會隨之降低,低于閾 產(chǎn)生大量的熱功耗(ICE2RCE。欠壓保護(hù)設(shè)計設(shè)定欠壓閾值電壓為VUVLO當(dāng)VCC2<VUVLO時有源鉗位:在半橋的正常開關(guān)過程中,的集電極、柵極之間的寄生電(又稱電容可能導(dǎo)致 誤開啟TheActiveShut-Downfeatureensuresasafe 集電極、發(fā)射極之間電壓VCE迅速上升,下半橋的集電極、柵極間的電容會產(chǎn)生一個瞬間的電流,此電流經(jīng)過Rg和內(nèi)部的下拉MOS管,使得原本處于低電平的VGE產(chǎn)生一個高電平VGE高到足以驅(qū)動時,下半橋?qū)?。這時上下半橋均圖六鉗位示意因此需要通過一個鉗位管腳CLAMP,直接接到的柵極,通過此管腳內(nèi)部的鉗位MOS管旁路電流到地,從而消除電流對橋臂的影響。:負(fù)柵壓偏置的驅(qū)動支持負(fù)壓開關(guān),使得在關(guān)斷時速度更快,減?。?016.12016.6:柵驅(qū)動整體電路結(jié)構(gòu)確定,制定光耦封裝方案2016.72016.12:輸出控制設(shè)計與仿真(包括輸出控制模塊、DESAT保護(hù)模塊、軟關(guān)斷節(jié)點目標(biāo):完成柵驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計,確定各模塊預(yù)期輸入輸出參數(shù)2017.12017.6:輸入控制設(shè)計與仿真(包括輸入驅(qū)動模塊、DC/DC控制模塊、錯誤監(jiān)2017.72017.12:柵驅(qū)動整體系統(tǒng)級仿真,優(yōu)化設(shè)計電路結(jié)構(gòu)與參數(shù);節(jié)點目標(biāo):前仿整體結(jié)果時序和電學(xué)參數(shù)滿足設(shè)計要求。2018.12018.6:柵驅(qū)動整體系統(tǒng)版圖設(shè)計與后仿真獨立測試版圖,方便調(diào)試;進(jìn)行封裝,搭建測試平臺;2019.12019.6:柵驅(qū)動整體系統(tǒng)級測試和分模塊測試,進(jìn)行Debug;根據(jù)第一版測試Debug數(shù)據(jù),優(yōu)化相關(guān)模塊電路,2019.72019.12:進(jìn)行并完成后防真。柵驅(qū)動第二次流片及封裝,完善測試方案和節(jié)點目標(biāo):完成設(shè)計優(yōu)化,完成第二版流片2020.12020.6:提供完整的datasheet,配合用戶進(jìn)行替代應(yīng)用驗證節(jié)點目標(biāo):提供可替代適用的柵驅(qū)動。多年從事集成電路和功率器件以及材料研究工作項目申請人所在有千級凈化間和百級凈化間。擁有集成電路CAD設(shè)計平臺,具備相關(guān)測試設(shè)備。目前該款已經(jīng)提交到同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行替代性應(yīng)用實驗。CAN和LIN收發(fā)器基于國內(nèi)工藝流片,其中LIN芯片已經(jīng)通過用戶使用驗證。MCU256SRAM、16K字節(jié)的片內(nèi)可編程Flash模塊,有利于后續(xù)開發(fā)利用。這些研究集成為本項目的順利開展奠定了堅實的技課題徐大偉男,博士,中國微系統(tǒng)與,工程中心,助理研究員。2014年6月于微系統(tǒng)與獲得博士。2011.92013.9年在德國juelich交流學(xué)習(xí),從事SOI基高壓器件的研制。畢業(yè)后進(jìn)入微系統(tǒng)與研究所工程中心工作,目前正負(fù)責(zé)02專項“控制工藝研發(fā)”中LIN、CAN收發(fā)器的研究工作。LIN已經(jīng)通過用戶驗證階段,正進(jìn)行可靠性驗證。主要參與人,男,中國微系統(tǒng)與工程中心,工程師。2009年畢業(yè)于大學(xué)物理系。2009-2012年任職于燦瑞半導(dǎo)體(OCS)研發(fā)部模擬IC規(guī)范等文件以及對DEBUG參與配合設(shè)計仿真過D類功放AC-DCLDO的功能模塊。有多次流片的經(jīng)驗。作為項目主要參與設(shè)計過1)1X/2X電荷泵6路LED背光驅(qū)動,850mA電流電荷泵閃光燈驅(qū)動,1

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