隔離式柵極驅(qū)動器的介紹和選型指南

本設(shè)計指南分為三部分，將講解如何為電力電子應(yīng)用中的功率開關(guān)器件選用合適的隔離柵極驅(qū)動器，并介紹實戰(zhàn)經(jīng)驗。本文為第一部分，主要包括隔離式柵極驅(qū)動器的介紹和選型指南。

隔離柵極驅(qū)動器針對SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等技術(shù)所需的最高開關(guān)速度和系統(tǒng)尺寸限制而設(shè)計，為 MOSFET 提供可靠控制。電力電子行業(yè)的許多設(shè)計人員對于在諸多類型的電力電子應(yīng)用中使用Si MOSFET、SiC和GaN MOSFET 具有豐富的經(jīng)驗，堪稱專家級用戶。系統(tǒng)制造商對提高設(shè)計的能效越來越感興趣。為了取得市場領(lǐng)先的地位，高能效和低成本的結(jié)合至關(guān)重要。從半導(dǎo)體材料的角度來看，該領(lǐng)域已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，現(xiàn)在有一些產(chǎn)品能夠高速開關(guān)，從而提高系統(tǒng)級效率，同時減小尺寸。

柵極驅(qū)動器——是什么、為何使用以及如何做？

功率 MOSFET 是一種電壓控制型器件，可用作電源電路、電機(jī)驅(qū)動器和其他系統(tǒng)中的開關(guān)元件。柵極是每個器件的電氣隔離控制端。MOSFET 的其他端子是源極和漏極。

為了操作 MOSFET，通常須將一個電壓施加于柵極（相對于源極或發(fā)射極）。使用專用驅(qū)動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。

柵極驅(qū)動器用于導(dǎo)通和關(guān)斷功率器件 。為此，柵極驅(qū)動器對功率器件的柵極充電，使其達(dá)到最終的導(dǎo)通電壓 VGS(ON)，或者驅(qū)動電路使柵極放電到最終的關(guān)斷電壓 VGS(OFF)。為了實現(xiàn)兩個柵極電壓電平之間的轉(zhuǎn)換，柵極驅(qū)動器、柵極電阻和功率器件之間的環(huán)路中會產(chǎn)生一些功耗。

如今，用于中低功率應(yīng)用的高頻轉(zhuǎn)換器主要利用柵極電壓控制器件，如MOSFET。

對于高功率應(yīng)用，當(dāng)今使用的最佳器件是 碳化硅 (SiC) MOSFET ，快速導(dǎo)通/關(guān)斷這種功率開關(guān)需要更高的驅(qū)動電流。柵極驅(qū)動器不僅適用于 MOSFET，而且適用于寬禁帶中目前只有少數(shù)人知道的新型器件，如碳化硅 (SiC) FET 和 氮化鎵 (GaN) FET 。

它是一種功率放大器，可以接受控制器 IC 的功率輸入，并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇箅娏饕则?qū)動功率開關(guān)器件的柵極。

以下簡要總結(jié)了使用柵極驅(qū)動器的原因：

• 柵極驅(qū)動阻抗

柵極驅(qū)動器的功能是導(dǎo)通和關(guān)斷功率器件（通常很快）以減少損耗。為了避免米勒效應(yīng)或在某些負(fù)載下的慢速開關(guān)所導(dǎo)致的交叉導(dǎo)通損耗，驅(qū)動器必須以比相對晶體管上的導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動更低的阻抗建立關(guān)斷狀態(tài)。 負(fù)柵極驅(qū)動裕量對于減少這些損耗起著重要作用 。

• 源極電感

這是柵極驅(qū)動器電流環(huán)路和輸出電流環(huán)路共享的電感。負(fù)柵極驅(qū)動電壓裕量與源極引線電感相結(jié)合，會對負(fù)載下輸出的開關(guān)速度產(chǎn)生直接影響，這是源極電感的源極退化效應(yīng)（源極引線電感將輸出開關(guān)電流耦合回柵極驅(qū)動，從而減緩柵極驅(qū)動）造成的。

柵極驅(qū)動器在功率 MOSFET 的柵極 (G) 和源極 (S) 之間施加電壓信號 (V GS )，同時提供一個大電流脈沖，如圖 1 所示。

• 使 CGS、CGD 快速充電/放電
• 快速導(dǎo)通/關(guān)斷功率 MOSFET

圖 1. 柵極驅(qū)動電流路徑

為何使用電流隔離？

高功率應(yīng)用需要電流隔離以防止觸發(fā)危險的接地環(huán)路，否則可能導(dǎo)致噪聲，使得兩個電路的接地處于不同的電位，進(jìn)而損害系統(tǒng)的安全性。此類系統(tǒng)中的電流對人類可能致命，因此必須確保最高水平的安全性。 電氣或電流隔離是指處于不同電位的兩個點之間未發(fā)生直流循環(huán)的狀態(tài) 。

更確切地說，在電流隔離狀態(tài)下， 無法將載流子從一個點移至另一點，但電能（或信號）仍然可以通過其他物理現(xiàn)象（如電磁感應(yīng)、容性耦合或光）交換 。這種情況等效于兩個點之間的電阻無限大；在實踐中，達(dá)到大約 100 MΩ 的電阻就足夠了。如果損壞僅限于電子元器件，則安全隔離可能是不必要的，但如果控制側(cè)涉及到人的活動，那么高功率側(cè)和低電壓控制電路之間需要電流隔離。它能防范高壓側(cè)的任何故障，因為即使有元器件損壞或失效，隔離柵也會阻止電力到達(dá)用戶。為防止觸電危險，隔離是監(jiān)管機(jī)構(gòu)和安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制要求。以下是關(guān)于使用原因和許多功率應(yīng)用中的電流隔離方法的總結(jié)。

• 防范并安全地承受高壓浪涌，避免損壞設(shè)備或危害人類。
• 保護(hù)昂貴的控制器 - 智能系統(tǒng)
• 在具有高能量或長距離分離的電路中，耐受較大的電位差和破壞性接地環(huán)路
• 與高壓高性能解決方案中的高壓側(cè)元器件可靠地通信

圖 2. 非隔離與隔離

隔離式柵極驅(qū)動器選型指南

下面說明如何進(jìn)行隔離式柵極驅(qū)動器選型。例如，對于工作電壓較低的系統(tǒng)，只要控制器的承受電壓在允許范圍內(nèi)，開關(guān)器件便可直接連接到控制器。但是，柵極驅(qū)動器是大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換器中的常見元件。由于控制電路以低壓工作，因此控制器無法提供足夠的功率來快速安全地斷開或閉合功率開關(guān)。因此，將控制器的信號發(fā)送到柵極驅(qū)動器， 柵極驅(qū)動器能夠承受更高的功率，并可以根據(jù)需要驅(qū)動 MOSFET 的柵極 。在高功率或高壓應(yīng)用中，電路中的元件會承受較大電壓偏移和高電流。如果電流從功率 MOSFET 泄漏到控制電路，功率轉(zhuǎn)換電路中的高電壓和電流很容易燒毀晶體管，導(dǎo)致控制電路嚴(yán)重崩潰。此外，高功率應(yīng)用的輸入和輸出之間必須具有電流隔離以保護(hù)用戶和任何其他器件。

柵極驅(qū)動電壓范圍

轉(zhuǎn)換器的工作電壓取決于開關(guān)元件（如 Si MOSFET 或 SiC MOSFET）的規(guī)格。必須確認(rèn)，轉(zhuǎn)換器輸出電壓不超過開關(guān)元件柵極電壓的最大值。

柵極驅(qū)動器的正電壓應(yīng)足夠高，以確保門柵極完全導(dǎo)通。還需要確保驅(qū)動電壓不超過絕對最大柵極電壓。Si-MOSFET通常使用+12V的驅(qū)動電壓，+15V通常用于驅(qū)動SiC，GaN的柵極電壓為+5V。0-V 的柵極電壓可以使所有器件處于關(guān)斷狀態(tài)。 一般而言，MOSFET 不需要負(fù)偏置柵極驅(qū)動，SiC和GaN MOSFET有時會使用這種柵極驅(qū)動 。在開關(guān)應(yīng)用中，強(qiáng)烈建議對 SiC 和 GaN MOSFET 使用負(fù)偏壓柵極驅(qū)動，因為在高di/dt和dv/dt開關(guān)期間，非理想 PCB 布局引入的寄生電感可能會導(dǎo)致功率晶體管的柵源驅(qū)動電壓發(fā)生振鈴。以下是每種開關(guān)器件的適用柵極驅(qū)動電壓。

隔離能力

此能力由系統(tǒng)的工作電壓決定。系統(tǒng)工作電壓與隔離能力成正比。隔離式柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)之一是其隔離電壓額定值。隔離額定值旨在避免意外電壓瞬變破壞與電源相連的其他電路，因此 擁有正確的隔離額定值是保護(hù)用戶免受潛在有害電流放電影響的關(guān)鍵 。另外，此額定值可以讓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的信號免受噪聲或意外共模電壓瞬變的干擾。隔離值通常表示為隔離層可以承受的電壓量。在大部分隔離式柵極驅(qū)動器數(shù)據(jù)表中，隔離電壓是以最大重復(fù)峰值隔離電壓 (V IORM )、工作隔離電壓 (V IOWM )、最大瞬變隔離電壓 (V IOTM )、最大浪涌隔離電壓 (V IOSM )、RMS 隔離電壓 (V ISO ) 之類參數(shù)列出。系統(tǒng)工作電壓越高，所需的轉(zhuǎn)換器隔離能力越高。

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隔離電容

隔離電容是轉(zhuǎn)換器輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的寄生電容。通過以下公式可知，隔離電容與漏電流成正比。

其中：I leak ：漏電流，f S ：工作頻率，C ISO ：隔離電容。V SYS ：系統(tǒng)工作電壓

功率損耗與漏電流成正比。如果系統(tǒng)需要在高工作頻率和高電壓下運(yùn)行，我們需要更加注意轉(zhuǎn)換器隔離電容的大小，避免溫度上升過高。

共模瞬變抗擾度 (CMTI)

共模瞬變抗擾度 (CMTI) 是與隔離式柵極驅(qū)動器相關(guān)的主要特性之一，尤其是當(dāng)系統(tǒng)以高開關(guān)頻率運(yùn)行時。這一點很重要，因為高擺率（高頻）瞬變可能會破壞跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸。隔離柵兩端（即隔離接地層之間）的電容為這些快速瞬變跨過隔離柵并破壞輸出波形提供了路徑。此特性參數(shù)的單位通常為 kV/uS。

如果 CMTI 不夠高，則高功率噪聲可能會耦合跨過隔離式柵極驅(qū)動器 ，從而產(chǎn)生電流環(huán)路并導(dǎo)致電荷出現(xiàn)在開關(guān)柵極處。此電荷如果足夠大，可能會導(dǎo)致柵極驅(qū)動器將此噪聲誤解為驅(qū)動信號，這種直通會造成嚴(yán)重的電路故障。

電流驅(qū)動能力考量

短時間內(nèi)能夠提供/吸收的柵極電流越高，柵極驅(qū)動器的開關(guān)時間就越短，受驅(qū)動的晶體管內(nèi)的開關(guān)功率損耗就越低。

峰值拉電流和灌電流（ISOURCE 和 I SINK ）應(yīng)高于平均電流 (I G, AV )，如圖 3 所示。

圖 3. 電流驅(qū)動能力定義

對于每個驅(qū)動器電流額定值，在所示時間內(nèi)可以切換的最大柵極電荷 QG 近似值可以計算如下：所需的驅(qū)動器電流額定值取決于在多少開關(guān)時間 tSW?ON/OFF 內(nèi)必須移動多少柵極電荷 Q G ，因為開關(guān)期間的平均柵極電流為 I G 。

其中，tSW,ON/OFF表示應(yīng)以多快的速度切換 MOSFET。如果不知道，可從開關(guān)周期 tSW 的 2% 開始。

柵極驅(qū)動器峰值拉電流和灌電流近似值可以使用下面的公式計算。

導(dǎo)通時（拉電流）

關(guān)斷時（灌電流）

其中，QG 為 VGS = VCC 時的柵極電荷，tSW, ON/OFF = 開關(guān)通斷時間，1.5 = 經(jīng)驗確定的系數(shù)（受經(jīng)過驅(qū)動器輸入級和寄生元件的延遲影響）

柵極電阻考量

確定柵極電阻的大小時，應(yīng)考慮降低寄生電感和電容造成的振鈴電壓。但是，它會限制柵極驅(qū)動器輸出的電流能力。導(dǎo)通和關(guān)斷柵極電阻引起的受限電流能力值可以使用下面的公式獲得。

其中：ISOURCE：峰值拉電流，ISINK：峰值灌電流，VOH：高電平輸出壓降，VOL：低電平輸出壓降

安森美的隔離式柵極驅(qū)動器

安森美提供 各種基于集成磁耦合無芯變壓器的隔離式柵極驅(qū)動器 ，適合開關(guān)速度非常高并存在系統(tǒng)尺寸限制的應(yīng)用，并且能夠可靠地控制 Si MOSFET 和 SiC FET。

我們提供經(jīng)UL 1577、SGS FIMKO IEC 62368-1和CQC GB 4943.1認(rèn)證的功能性和增強(qiáng)型隔離產(chǎn)品。我們的隔離式柵極驅(qū)動器既有工業(yè)用產(chǎn)品，也有通過汽車應(yīng)用認(rèn)證的產(chǎn)品。

這些隔離式柵極驅(qū)動器集成了多種特性，可承受高 CMTI 電平，具備多種 UVLO 選擇，并提供快速傳播延遲（包括較短延遲不匹配）和最短脈沖寬度失真 。

特別是，安森美即將推出的新品將提供一種在柵極驅(qū)動環(huán)路中產(chǎn)生負(fù)偏壓的簡單方法，適合驅(qū)動SiC MOSFET。如果 PCB 布局和/或封裝引線在功率晶體管 Vg 中產(chǎn)生高振鈴，這種負(fù)偏壓將非常有用。這種柵極電壓振鈴一般發(fā)生在高 di/dt 和 dv/dt 開關(guān)條件下。 為使振鈴低于閾值電壓以防止雜散導(dǎo)通，一般會在柵極驅(qū)動器上施加負(fù)偏壓 。此外還可以提供不同的選項，可生成-2V、 -3V、 -4V 和 -5V 電壓以適應(yīng)所有配置。安森美的隔離式柵極驅(qū)動器提供多種封裝選項，包括小型 LGA 和 SOIC 8 引腳至16引腳變體 。

以下是安森美隔離式柵極驅(qū)動器系列的主要特性、電氣規(guī)格和安全相關(guān)認(rèn)證。

表 1.

• 正在開發(fā)

** 選配，按需提供

*** 已規(guī)劃

隔離式柵極驅(qū)動器支持工具

安森美主頁上提供了電流隔離式柵極驅(qū)動器的所有相關(guān)文檔，包括數(shù)據(jù)表、設(shè)計和開發(fā)工具、仿真模型、應(yīng)用筆記、評估板文檔、遵從性報告等。

主要相關(guān)驅(qū)動器包括：

• NCP51560
• NCP51561 和 NCV51561
• NCP51563 和 NCV51563