两种功率驱动芯片的可靠性提升研究

2022-11-26史晨璐马奎安

电子元器件与信息技术 2022年9期

史晨璐，马奎安

中国空间技术研究院西安分院，陕西西安 710000

0 引言

美国IR公司的IR2110与欧洲STM公司RHRPM4424驱动芯片均是双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块。由于二者具有体积小、成本低、集成度高、响应速度快、驱动能力强等特点，在电源变换等功率驱动领域中获得了广泛的应用。

1 功能介绍及典型电路

1.1 IR2110

IR2110器件引脚Vcc和VB为一对驱动MOS管的低高端电源电压，COM和VS为其低高端电源电压公共端，Vss是逻辑电路接地端，SD是输入信号关闭端，Vcc为功率管门极驱动电源[1]。当逻辑输入信号HIN/LIN=1时，HO/LO=1，MOS管导通，反之MOS管关断。其典型应用电路如图1所示。

图1 IR2110典型应用电路

1.2 RHRPM4424

RHRPM4424器件具备独立的输出与吸收4.5A的能力，通过将两路并联，可以获得9A的驱动能力。其典型应用电路如图2所示，同2110，引脚Vcc是电源电压，PGND与SGND分别为输出驱动地与输入信号地，PWM1与PWM2为一对驱动的输入信号[2]。

图2 RHRPM4424典型应用电路

2 IR2110故障现象及机理分析

2.1 故障现象

在全桥软起过程中2110损坏概率最高，表现为有软起桥臂的驱动上管阻抗异常，即引脚VB与VS间阻抗；软起过程中的2110波形异常现象有三点：①VS波形有频率为2MHz左右的异常干扰震荡毛刺如图3（a），图中蓝色波形为软起桥臂VS电压，黄色为其上管驱动电压，正常波形如图3（b）；②BH2110D上管开启有异常丢失现象，只开启一次或两次，正常为三次，进口IR2110没有该现象；③全桥电流波形不对称。

图3 2110软起桥臂VS与上管驱动电压波形异常与正常情况

2.2 机理分析

分析上述两个2110分别驱动两对功率MOS管的全桥变换电路，该电路（图4）设计为右臂在电路启动时进行软起。以全桥电流的正半周期为例：①左臂T12闭合时，T10同时闭合且进行软启动，全桥电流从T12流过T10，给T10充电，此时右臂中点电压为0；②当T10断开时，全桥电流方向不变但绝值在减小，续流过T9，此时右臂VS中点电压为Vboost电压；③当T10再次闭合时，右臂VS中点电压又从Vboost跳回0V，此时VS波形就容易产生开关噪声，即图3中的异常干扰震荡毛刺；④在全桥电流正向周期中，电流上升时T10闭合充电，VS为低，电流下降时T10断开VS为高，即VS变方向时即是开关切换时；⑤在软起前期，续流过T9的电流绝对值持续减小至0电流后，下管T10闭合；⑥在软起后期，当续流过T9的电流绝对值还未降回0点时T10闭合，则电流通过T9、T10对地形成了通路，如图4红色箭头所示，直通电流越大反向恢复时间越长噪声越大[3]。

图4 软起后期T10闭合的通路

综上，T9、T10在开关时电压电流均不为0，处于硬开关状态，波形过冲产生开关噪声。这可以解释噪声为何均出现在软起后期。

3 2110的推荐使用方案

根据以上分析结果，以下为作者推荐使用2110驱动芯片的四条方案。

（1）在桥式拓扑中均采用IR公司的场效应管与IR公司的驱动芯片2110，该条是最直接避免2110异常损坏的使用方案。但受中美贸易战的影响，IR公司的产品有禁运风险。

（2）根据表1结果，VB与VS间的电容和Vcc与COM间的电容采用贴片封装且直接焊在芯片引脚上可以有效避免2110异常损坏。该措施在多行业为禁用工艺，对于未禁用的行业可适当借鉴。

表1 电容抗干扰试验

（3）对IR2110，将驱动电阻设为待调，增加2110VS波形调试的步骤，调至VS及全桥电流波形完美对称无毛刺；对BH2110D，在有软起的上端悬浮场效应管漏极加磁环，磁环选择体积小的超微精材质最佳。

4 RHRPM4424故障现象及机理分析

4.1 故障现象

在低温下4424输出并联导致存在内部MOS管直通，供电端Vcc对地短路，随着时间累积Vcc对地烧毁。

4.2 机理分析

对4424输出并联驱动电路工作过程进行分析，其输入PWM信号为低电平时，内部T2与T4功率MOS管导通，将输出拉至低电平；其输入PWM信号为高电平时，内部T1与T3导通，Vcc通过T1与T3给负载提供电流，将输出拉至高电平。

根据手册推荐，可以对4424两路驱动进行并联使用，此时4424两路输入短接。高温与常温时，4424内部T1与T3导通与关断时间一致；低温时，在输入一致的条件下存在内部T1与T3导通与关断时间不一致的问题。当4424输入PWM信号由高电平转换为低电平时，T1未关处于尚导通状态，而T3已关断，T4已导通，此时Vcc通过T1与T4短路，通路如图5所示。

图5 4424输出由高电平转为低电平时等效电路

通过对瞬间短路电流的测试，其直通时间为60ns，在低温-25℃条件下，4424经过多次短路冲击，内部Vcc对地的薄弱区域短路烧毁。

5 4424的拓扑应用分析

5.1 BOOST变换器

BOOST变换器中功率MOS管Tb源极接地，因此4424的输出通过驱动电阻Ra1与Ra2直接连接Tb，其中Ra1为导通Tb上升沿限流电阻，Ra2为关断Tb下降沿限流电阻，RGS为Tb栅极泄放电阻，CGS为Tb栅极寄生电容。对于通用驱动电路（驱动上升下降沿要求一致的条件下），Ra1与Ra2电阻可以合为一个电阻，4424的输出电路如图6所示。

图6 BOOST变换器驱动电路

其驱动过程如下：①4424输入PWM信号为低电平时，内部T2导通，将Tb的栅极拉至低电平关断；②PWM信号为高电平时，内部T1导通，Vcc通过T1给Tb栅极电容充电，将栅极电压充电至Vcc。4424芯片内部通过时序逻辑控制，T1与T2为互补导通，其开通关断存在死区时间，不存在直通工作状态。

5.2 BUCK变换器

BUCK变换器中功率MOS管Tb源极为悬浮电平，4424器件无法直接驱动，需要通过变压器隔离驱动。4424的输出通过驱动电阻Ra1、隔直电容Ca驱动隔离变压器原边，RGS为Tb栅极泄放电阻，CGS为Tb栅极寄生电容，拓扑的关键是栅极钳位二极管Db。其驱动电路如图7所示。

图7 BUCK变换器驱动电路

其驱动过程如下：①4424输入PWM信号为低电平时，内部T2导通，将隔离变压器原边电压钳位至Ca电容电压，隔离变压器副边Db导通，将Tb的栅极钳位在Db二极管导通电压（通常为0.7V），Tb关断；②PWM信号为高电平时，内部T1导通，Vcc通过T1给隔离变压器提供高电压脉冲，变压器副边通过Rb给Tb栅极电容CGS充电，将栅极电压充电至Vcc，Tb导通。

5.3 桥式变换器

桥式变换器重两只功率MOS管Tb1、Tb2组成一个桥臂，上下管通常为互补50%导通，通过一只4424与隔离变压器驱动桥臂两只功率MOS管。4424的输出通过驱动电阻Ra1、隔直电容Ca驱动隔离变压器原边，RGS1为桥臂上功率MOS管Tb1栅极泄放电阻，CGS1为Tb1栅极寄生电容，RGS2为桥臂下功率MOS管Tb2栅极泄放电阻，CGS2为Tb2栅极寄生电容。其驱动电路如图8所示。

图8 桥式变换器驱动电路

其驱动过程如下：①4424输入PWM1信号为低电平、PWM2为高电平，4424内部T2、T3导通，将驱动隔离变压器原边电压钳位至上负下正，副边Tb1驱动变压器为上负下正，栅压充电至负Vcc电压，Tb1关断；Tb2驱动变压器上正下负，栅压充电至Vcc电压，Tb2导通；②4424输入PWM1、PWM2信号均为低电平，4424内部T2、T4导通，副边Tb1、Tb2驱动变压器均为0V，栅压均为0V，Tb1、Tb2关断；③4424输入PWM1信号为高电平、PWM2为低电平，4424内部T1、T4管导通，将驱动隔离变压器原边电压钳位至上正下负，副边Tb1驱动变压器为上正下负，栅压充电至Vcc电压，Tb1导通；Tb2驱动变压器上负下正，栅压充电至负Vcc电压，Tb2关断[4]。