兩種功率驅(qū)動芯片的可靠性提升研究

史晨璐，馬奎安

中國空間技術(shù)研究院西安分院，陜西 西安 710000

0 引言

美國IR公司的IR2110與歐洲STM公司RHRPM4424驅(qū)動芯片均是雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動模塊。由于二者具有體積小、成本低、集成度高、響應(yīng)速度快、驅(qū)動能力強等特點，在電源變換等功率驅(qū)動領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

1 功能介紹及典型電路

1.1 IR2110

IR2110器件引腳Vcc和VB為一對驅(qū)動MOS管的低高端電源電壓，COM和VS為其低高端電源電壓公共端，Vss是邏輯電路接地端，SD是輸入信號關(guān)閉端，Vcc為功率管門極驅(qū)動電源[1]。當邏輯輸入信號HIN/LIN=1時，HO/LO=1，MOS管導(dǎo)通，反之MOS管關(guān)斷。其典型應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1 IR2110典型應(yīng)用電路

1.2 RHRPM4424

RHRPM4424器件具備獨立的輸出與吸收4.5A的能力，通過將兩路并聯(lián)，可以獲得9A的驅(qū)動能力。其典型應(yīng)用電路如圖2所示，同2110，引腳Vcc是電源電壓，PGND與SGND分別為輸出驅(qū)動地與輸入信號地，PWM1與PWM2為一對驅(qū)動的輸入信號[2]。

圖2 RHRPM4424典型應(yīng)用電路

2 IR2110故障現(xiàn)象及機理分析

2.1 故障現(xiàn)象

在全橋軟起過程中2110損壞概率最高，表現(xiàn)為有軟起橋臂的驅(qū)動上管阻抗異常，即引腳VB與VS間阻抗；軟起過程中的2110波形異?，F(xiàn)象有三點：①VS波形有頻率為2MHz左右的異常干擾震蕩毛刺如圖3（a），圖中藍色波形為軟起橋臂VS電壓，黃色為其上管驅(qū)動電壓，正常波形如圖3（b）；②BH2110D上管開啟有異常丟失現(xiàn)象，只開啟一次或兩次，正常為三次，進口IR2110沒有該現(xiàn)象；③全橋電流波形不對稱。

圖3 2110軟起橋臂VS與上管驅(qū)動電壓波形異常與正常情況

2.2 機理分析

分析上述兩個2110分別驅(qū)動兩對功率MOS管的全橋變換電路，該電路（圖4）設(shè)計為右臂在電路啟動時進行軟起。以全橋電流的正半周期為例：①左臂T12閉合時，T10同時閉合且進行軟啟動，全橋電流從T12流過T10，給T10充電，此時右臂中點電壓為0；②當T10斷開時，全橋電流方向不變但絕值在減小，續(xù)流過T9，此時右臂VS中點電壓為Vboost電壓；③當T10再次閉合時，右臂VS中點電壓又從Vboost跳回0V，此時VS波形就容易產(chǎn)生開關(guān)噪聲，即圖3中的異常干擾震蕩毛刺；④在全橋電流正向周期中，電流上升時T10閉合充電，VS為低，電流下降時T10斷開VS為高，即VS變方向時即是開關(guān)切換時；⑤在軟起前期，續(xù)流過T9的電流絕對值持續(xù)減小至0電流后，下管T10閉合；⑥在軟起后期，當續(xù)流過T9的電流絕對值還未降回0點時T10閉合，則電流通過T9、T10對地形成了通路，如圖4紅色箭頭所示，直通電流越大反向恢復(fù)時間越長噪聲越大[3]。

圖4 軟起后期T10閉合的通路

綜上，T9、T10在開關(guān)時電壓電流均不為0，處于硬開關(guān)狀態(tài)，波形過沖產(chǎn)生開關(guān)噪聲。這可以解釋噪聲為何均出現(xiàn)在軟起后期。

3 2110的推薦使用方案

根據(jù)以上分析結(jié)果，以下為作者推薦使用2110驅(qū)動芯片的四條方案。

（1）在橋式拓撲中均采用IR公司的場效應(yīng)管與IR公司的驅(qū)動芯片2110，該條是最直接避免2110異常損壞的使用方案。但受中美貿(mào)易戰(zhàn)的影響，IR公司的產(chǎn)品有禁運風(fēng)險。

（2）根據(jù)表1結(jié)果，VB與VS間的電容和Vcc與COM間的電容采用貼片封裝且直接焊在芯片引腳上可以有效避免2110異常損壞。該措施在多行業(yè)為禁用工藝，對于未禁用的行業(yè)可適當借鑒。

表1 電容抗干擾試驗

（3）對IR2110，將驅(qū)動電阻設(shè)為待調(diào)，增加2110VS波形調(diào)試的步驟，調(diào)至VS及全橋電流波形完美對稱無毛刺；對BH2110D，在有軟起的上端懸浮場效應(yīng)管漏極加磁環(huán)，磁環(huán)選擇體積小的超微精材質(zhì)最佳。

4 RHRPM4424故障現(xiàn)象及機理分析

4.1 故障現(xiàn)象

在低溫下4424輸出并聯(lián)導(dǎo)致存在內(nèi)部MOS管直通，供電端Vcc對地短路，隨著時間累積Vcc對地?zé)龤А?/p>

4.2 機理分析

對4424輸出并聯(lián)驅(qū)動電路工作過程進行分析，其輸入PWM信號為低電平時，內(nèi)部T2與T4功率MOS管導(dǎo)通，將輸出拉至低電平；其輸入PWM信號為高電平時，內(nèi)部T1與T3導(dǎo)通，Vcc通過T1與T3給負載提供電流，將輸出拉至高電平。

根據(jù)手冊推薦，可以對4424兩路驅(qū)動進行并聯(lián)使用，此時4424兩路輸入短接。高溫與常溫時，4424內(nèi)部T1與T3導(dǎo)通與關(guān)斷時間一致；低溫時，在輸入一致的條件下存在內(nèi)部T1與T3導(dǎo)通與關(guān)斷時間不一致的問題。當4424輸入PWM信號由高電平轉(zhuǎn)換為低電平時，T1未關(guān)處于尚導(dǎo)通狀態(tài)，而T3已關(guān)斷，T4已導(dǎo)通，此時Vcc通過T1與T4短路，通路如圖5所示。

圖5 4424輸出由高電平轉(zhuǎn)為低電平時等效電路

通過對瞬間短路電流的測試，其直通時間為60ns，在低溫-25℃條件下，4424經(jīng)過多次短路沖擊，內(nèi)部Vcc對地的薄弱區(qū)域短路燒毀。

5 4424的拓撲應(yīng)用分析

5.1 BOOST變換器

BOOST變換器中功率MOS管Tb源極接地，因此4424的輸出通過驅(qū)動電阻Ra1與Ra2直接連接Tb，其中Ra1為導(dǎo)通Tb上升沿限流電阻，Ra2為關(guān)斷Tb下降沿限流電阻，RGS為Tb柵極泄放電阻，CGS為Tb柵極寄生電容。對于通用驅(qū)動電路（驅(qū)動上升下降沿要求一致的條件下），Ra1與Ra2電阻可以合為一個電阻，4424的輸出電路如圖6所示。

圖6 BOOST變換器驅(qū)動電路

其驅(qū)動過程如下：①4424輸入PWM信號為低電平時，內(nèi)部T2導(dǎo)通，將Tb的柵極拉至低電平關(guān)斷；②PWM信號為高電平時，內(nèi)部T1導(dǎo)通，Vcc通過T1給Tb柵極電容充電，將柵極電壓充電至Vcc。4424芯片內(nèi)部通過時序邏輯控制，T1與T2為互補導(dǎo)通，其開通關(guān)斷存在死區(qū)時間，不存在直通工作狀態(tài)。

5.2 BUCK變換器

BUCK變換器中功率MOS管Tb源極為懸浮電平，4424器件無法直接驅(qū)動，需要通過變壓器隔離驅(qū)動。4424的輸出通過驅(qū)動電阻Ra1、隔直電容Ca驅(qū)動隔離變壓器原邊，RGS為Tb柵極泄放電阻，CGS為Tb柵極寄生電容，拓撲的關(guān)鍵是柵極鉗位二極管Db。其驅(qū)動電路如圖7所示。

圖7 BUCK變換器驅(qū)動電路

其驅(qū)動過程如下：①4424輸入PWM信號為低電平時，內(nèi)部T2導(dǎo)通，將隔離變壓器原邊電壓鉗位至Ca電容電壓，隔離變壓器副邊Db導(dǎo)通，將Tb的柵極鉗位在Db二極管導(dǎo)通電壓（通常為0.7V），Tb關(guān)斷；②PWM信號為高電平時，內(nèi)部T1導(dǎo)通，Vcc通過T1給隔離變壓器提供高電壓脈沖，變壓器副邊通過Rb給Tb柵極電容CGS充電，將柵極電壓充電至Vcc，Tb導(dǎo)通。

5.3 橋式變換器

橋式變換器重兩只功率MOS管Tb1、Tb2組成一個橋臂，上下管通常為互補50%導(dǎo)通，通過一只4424與隔離變壓器驅(qū)動橋臂兩只功率MOS管。4424的輸出通過驅(qū)動電阻Ra1、隔直電容Ca驅(qū)動隔離變壓器原邊，RGS1為橋臂上功率MOS管Tb1柵極泄放電阻，CGS1為Tb1柵極寄生電容，RGS2為橋臂下功率MOS管Tb2柵極泄放電阻，CGS2為Tb2柵極寄生電容。其驅(qū)動電路如圖8所示。

圖8 橋式變換器驅(qū)動電路

其驅(qū)動過程如下：①4424輸入PWM1信號為低電平、PWM2為高電平，4424內(nèi)部T2、T3導(dǎo)通，將驅(qū)動隔離變壓器原邊電壓鉗位至上負下正，副邊Tb1驅(qū)動變壓器為上負下正，柵壓充電至負Vcc電壓，Tb1關(guān)斷；Tb2驅(qū)動變壓器上正下負，柵壓充電至Vcc電壓，Tb2導(dǎo)通；②4424輸入PWM1、PWM2信號均為低電平，4424內(nèi)部T2、T4導(dǎo)通，副邊Tb1、Tb2驅(qū)動變壓器均為0V，柵壓均為0V，Tb1、Tb2關(guān)斷；③4424輸入PWM1信號為高電平、PWM2為低電平，4424內(nèi)部T1、T4管導(dǎo)通，將驅(qū)動隔離變壓器原邊電壓鉗位至上正下負，副邊Tb1驅(qū)動變壓器為上正下負，柵壓充電至Vcc電壓，Tb1導(dǎo)通；Tb2驅(qū)動變壓器上負下正，柵壓充電至負Vcc電壓，Tb2關(guān)斷[4]。

5 結(jié)語

本文簡單介紹了功率驅(qū)動芯片2110與4424的功能及典型電路，針對其在開關(guān)電源拓撲中遇到的異常損壞現(xiàn)象，通過機理分析及試驗驗證，給出美國IR公司的IR2110、中國宇翔公司的BH2110D功率驅(qū)動芯片的推薦使用方法以及歐洲STM公司的RHRPM4424功率驅(qū)動芯片在不同拓撲電路中的應(yīng)用分析。