一种大功率应用的智能高侧功率开关的关键技术研究

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智能功率集成电路已成为工业自动化、汽车电子、电机系统等领域的关键产品。智能高侧功率开关作为智能功率集成电路的典型应用,它不仅具备完整的电路断开器功能还可根据具体应用场景配备特殊功能,具有功能性广、复用性高、可靠性强、可集成化等优点。本文针对智能高侧功率开关的大功率应用涉及到的相关关键技术开展了深入研究,本课题的任务是设计一款具有自举上电和100%占空比高侧驱动功能的智能高侧功率开关芯片,且拥有电流检测功能,包括启动时的硬开关故障检测和正常工作时遇到的过流、过载、负载短路故障检测等功能。本文主要工作和研究成果如下:1、设计了智能高侧功率开关芯片的整体架构和关键时序逻辑,并对高侧驱动、电流检测和结温检测(SOA TMR)等关键技术展开了深入分析,提出了相应的解决方法;2、设计了一款具有死区控制功能的自举电荷泵电路,可成功在宽输入电压范围下配合高侧驱动电路,实现自举上电与稳定的栅极驱动,并可配合系统逻辑实现功率管上、下电控制,并显著降低了传统架构采用电阻充电引起的额外功率损耗;3、基于高侧VDS采样方式,设计并仿真了与之关联的检测模块,包括过流、过载、负载短路检测;基于功率管启动时的栅电荷采样和VGS采样,设计并仿真了硬开关故障检测,仿真结果均符合设计需求。最后对SOA TMR进行了电路设计与理论分析。仿真结果:该芯片能够在5.5 V~28 V的电压范围内正常工作,栅源电压大于8 V,使外置功率管能工作于深线性区,导通电阻小于0.5 mΩ,典型常开电流值为238 A,过流阈值520 A,满足前期预设指标要求。
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