现代功率电子应用是基于功率半导体器件的开关技术，而所有功率开关器件均需要合适的栅极驱动解决方案。栅极驱动器作为连接功率器件与微控制器的重要器件，通过接收来自微控制器 (MCU/DSP) 的控制信号，提供功率开关器件栅极所需驱动电压，实现功率器件开通与关断，从而完成各类功率电子应用。
必易微新推出的栅极驱动器 KP85402，聚焦家用电器、工业新能源等应用场合，可为客户提供高可靠性、低成本栅极驱动解决方案。
KP85402 产品亮点
KP85402 开关节点耐压为 650V，输出峰值拉电流和灌电流能力分别为 300mA 和 1000mA，专用于驱动功率 MOSFETs 或 IGBTs。KP85402 在开关节点 VS 瞬态 -60V(100ns) 情况下可保证系统正常工作，可支持 100V/ns 的 dv/dt 变化。
此外，KP85402 具有完善保护功能，包括：输入浮空或输入脉冲宽度不足时，输出保持低电平；内置互锁和死区保护功能，可防止高低侧驱动同时打开；同时具有高侧和低侧 UVLO 保护，系统可靠性强。
图 2. KP85402 典型应用电路
针对家用电器、工业新能源等应用场合，可靠性是客户器件选型的首要考虑因素。对栅极驱动器而言，可靠性可从以下几个方面来衡量。
亮点 1
开关节点负压能力
在半桥拓扑应用中，通常使用感性负载，同时因为功率器件自身寄生电感和功率回路寄生电感，在高侧功率管关断时，续流回路在开关节点会产生负压。该负压包含一个由寄生电感 L3、L4 导致的较大动态尖峰负压和一个由线路寄生电阻以及下管体二极管 D2 导通导致的较低静态负压，如图 3 所示。
图 3. 开关电流路径及 VS 电压
当开关节点负压越大时，栅极驱动芯片内部器件承受更高电压应力，更容易击穿失效。同时开关节点 VS 负压越大，导致栅极驱动芯片高侧供电节点 HB 瞬态电压越低，当 HB 电压低于参考地 COM 时，内部寄生二极管导通可能引起逻辑错误或者芯片烧毁，影响栅极驱动器的可靠工作。因此，更高的开关节点负压承受能力可以提升恶劣工况下功率系统的可靠性。
KP85402 开关节点负压能力测试波形如图 4 所示，在 VDD 电源电压为 15V，VS 瞬态负压 -60V(100ns) 条件下，高侧输出逻辑无异常，芯片未损坏；在输入 HIN 控制信号为 20kHz 开关频率条件下，开关节点负压拉到 -10V，输入信号 HIN 仍能准确控制输出信号 HO。
图 4. KP85402 开关节点负压测试波形
根据实测数据，在同样测试条件下，综合对比测试市面上几款同类产品，必易微 KP85402 负压承受能力与国际一线品牌承受能力相当，处于国内先进水平。
表 1. 负压能力对比
亮点 2
开关节点
高 dv/dt 噪声抑制能力
高压半桥栅极驱动器高侧驱动电路多采用自举式电路结构，利用栅极驱动器内部的电平移位电路可将低压逻辑控制信号传递至高侧。由于高侧控制驱动电路参考于开关节点 VS，在高速开关状态下，芯片内部的寄生电流会通过耦合路径传递至低压侧，当芯片内部存在失配时，会产生差模干扰信号，从而影响正确的输入输出逻辑。
KP85402 采用必易微特有的电平位移和共模噪音抑制技术，可有效抑制开关节点高速开关过程中产生的共模噪音干扰，防止误触发，从而保证系统正常可靠运行。根据实测数据，KP85402 开关节点 dv/dt 在 100V/ns 时，高侧 HO 输出未发生异常，并具有较大的可靠性裕量。
图 5. 输出开关节点 dv/dt 变化 (109V/nS)
亮点 3
更低的传播延迟与延迟匹配
在半桥开关电路中，传播延迟与延迟匹配是栅极驱动器的关键参数，更低的传播延迟意味着更快的响应能力，如短路保护或精确限流就要求控制回路响应时间足够短。
此外，栅极驱动器的高侧与低侧之间的传播延迟可能也会有所不同，由于芯片内部电路和器件之间的差异 (例如高侧驱动器的传播延迟比低侧驱动器更长)，高低侧输出的高电平驱动信号可能会在某些开关周期 (甚至包含死区时间) 内重叠，如果发生这种情况，将会出现短路并导致功率开关器件或负载损坏。综合对比测试市面上几款同类产品，必易微 KP85402 具有更低的传播延迟与延迟匹配。
图 6. 传播延迟对半桥开关的影响
表 2. 传播延迟与延迟匹配对比
亮点 4
较高的驱动电流能力
半桥开关电路存在串扰问题，例如低侧开关器件保持关断，高侧开关器件打开时，开关节点 VS 电压被迅速拉高至母线电压 VBUS 的过程中，低侧开关器件米勒电容两端电压快速变化，产生位移电流 Igd，并通过栅极关断电阻以及 LO 内部等效下拉电阻产生电压降，如果这个电压降大于低侧开关器件的开通阈值，低侧器件就会开通，从而导致半桥电路直通甚至损坏。KP85402 驱动灌电流能力为 1000mA，具有更强的位移电流吸收能力。
另一方面，在实际应用系统中，工程师们总是在开关损耗和 EMI 表现之间权衡。在开关损耗允许的范围内，栅极驱动器的输出与开关器件栅极之间往往会串联适当驱动电阻，以限制开关器件的开通速度，从而优化 EMI 表现。不同功率段，该优化的驱动电流不同。更大的驱动电流意味着能够适配更宽范围的功率应用。相比于市面上几款同类产品，必易微 KP85402 产品，具有较高的峰值驱动电流能力。
图 7. 半桥电路串扰问题
表 3. 峰值驱动电流对比
亮点 5
其他可靠性表现
KP85402 还集成有高低侧欠压锁定 (UVLO) 功能，确保半桥栅极驱动器驱动的外围功率器件有足够的栅极电压，可以完全打开功率器件。KP85402 集成内部互锁和死区保护功能，在输出状态改变时，可自动插入死区，确保栅极驱动器高低侧一侧打开前，另一侧完全关断，防止高低侧共通的情况发生。
此外，KP85402 还集成有输入脉冲滤波功能。实际应用系统在功率器件开关时会产生较大的 dv/dt 和 di/dt，该开关噪声会耦合到与栅极驱动器相连的控制信号线，栅极驱动器的输入端会产生电压尖峰干扰，并使驱动器产生错误的驱动信号，导致开关器件误开通与误关断，使得系统无法正常工作。KP85402 内部集成的输入脉冲滤波器能够滤除这些尖峰噪声信号，保证系统可靠运行。
图 8. KP85402 综合性能参数表现
总结、样品及资料获取
综合对比测试市面上几款同类产品，必易微 KP85402 具有高可靠性、高性价比以及优异的性能指标。可满足大多数风筒、吊扇、烟机、逆变电源、不间断电源等应用需求。
