使用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)指南

本設(shè)計(jì)指南分為三部分，旨在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(dòng)器，并分享實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。本文為第一部分，主要包括隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的介紹和選型指南。

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安森美的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器專為滿足 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(jì)，為 MOSFET 提供可靠的控制。電力電子行業(yè)的許多設(shè)計(jì)人員在使用 Si MOSFET、SiC 和 GaN MOSFET 方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，可謂是專家級(jí)用戶。系統(tǒng)制造商對(duì)提高設(shè)計(jì)的能效越來越感興趣。為了在市場(chǎng)中取得領(lǐng)先地位，高能效與低成本的結(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)取得了顯著進(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(jí)效率，同時(shí)減小尺寸。

柵極驅(qū)動(dòng)器——是什么、為何使用以及如何工作？

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(dòng)器和其他系統(tǒng)中的開關(guān)元件。柵極是每個(gè)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，通常需要將電壓施加于柵極（相對(duì)于源極或發(fā)射極）。使用專用驅(qū)動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動(dòng)電流。

柵極驅(qū)動(dòng)器用于導(dǎo)通和關(guān)斷功率器件。為此，柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)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(dòng)電路使柵極放電到最終的關(guān)斷電壓 VGS(OFF)。為了在兩個(gè)柵極電壓電平之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，柵極驅(qū)動(dòng)器、柵極電阻和功率器件之間的環(huán)路中會(huì)產(chǎn)生一定的功耗。

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(duì)于高功率應(yīng)用，當(dāng)前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(dòng)電流。柵極驅(qū)動(dòng)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。

柵極驅(qū)動(dòng)器是一種功率放大器，它接受控制器 IC 的輸入，并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇箅娏饕则?qū)動(dòng)功率開關(guān)器件的柵極。

以下簡(jiǎn)要總結(jié)了使用柵極驅(qū)動(dòng)器的原因：

柵極驅(qū)動(dòng)阻抗

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

源極電感

這是柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓裕量與源極引線電感相結(jié)合，會(huì)對(duì)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(dòng)，從而減緩柵極驅(qū)動(dòng)）造成的。

柵極驅(qū)動(dòng)器在功率 MOSFET 的柵極 (G) 和源極 (S) 之間施加電壓信號(hào) (VGS)，同時(shí)提供一個(gè)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(dòng)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(xiǎn)的接地環(huán)路，否則可能導(dǎo)致噪聲，使得兩個(gè)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(duì)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(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)移至另一點(diǎn)，但電能（或信號(hào)）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(gè)點(diǎn)之間的電阻無限大；在實(shí)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(dòng)，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?yàn)榧词褂性骷p壞或失效，隔離柵也會(huì)阻止電力到達(dá)用戶。為防止觸電危險(xiǎn)，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(zhǎng)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(dòng)器選型指南

下面說明如何進(jìn)行隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的選型。例如，對(duì)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(dòng)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?cái)嚅_或閉合功率開關(guān)。因此，將控制器的信號(hào)發(fā)送到柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)器能夠承受更高的功率，并可以根據(jù)需要驅(qū)動(dòng) MOSFET 的柵極。在高功率或高壓應(yīng)用中，電路中的元件會(huì)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)用戶和其他器件。

柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的正電壓應(yīng)足夠高，以確保柵極完全導(dǎo)通。還需要確保驅(qū)動(dòng)電壓不超過絕對(duì)最大柵極電壓。Si-MOSFET 通常使用 +12V 的驅(qū)動(dòng)電壓，+15V 通常用于驅(qū)動(dòng) 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(dòng)，SiC 和 GaN MOSFET 有時(shí)會(huì)使用這種柵極驅(qū)動(dòng)。在開關(guān)應(yīng)用中，強(qiáng)烈建議對(duì) SiC 和 GaN MOSFET 使用負(fù)偏壓柵極驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樵诟?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(huì)導(dǎo)致功率晶體管的柵源驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓。

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(dòng)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(hào)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(dòng)器數(shù)據(jù)表中，隔離電壓是以最大重復(fù)峰值隔離電壓 (VIORM)、工作隔離電壓 (VIOWM)、最大瞬變隔離電壓 (VIOTM)、最大浪涌隔離電壓 (VIOSM)、RMS 隔離電壓 (VISO) 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。

安森美的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器在 MPS 測(cè)試儀（型號(hào) MSPS-20）上進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試。

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：Ileak：漏電流，fS：工作頻率，CISO：隔離電容。VSYS：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(dòng)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(shí)。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)楦邤[率（高頻）瞬變可能會(huì)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(huì)耦合跨過隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)器將此噪聲誤解為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這種直通會(huì)造成嚴(yán)重的電路故障。

電流驅(qū)動(dòng)能力考量

短時(shí)間內(nèi)能夠提供/吸收的柵極電流越高，柵極驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)時(shí)間就越短，受驅(qū)動(dòng)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 ISINK）應(yīng)高于平均電流 (IG, AV)，如圖 3 所示。

圖 3. 電流驅(qū)動(dòng)能力定義

對(duì)于每個(gè)驅(qū)動(dòng)器電流額定值，在所示時(shí)間內(nèi)可以切換的最大柵極電荷 QG 近似值可以計(jì)算如下：所需的驅(qū)動(dòng)器電流額定值取決于在多少開關(guān)時(shí)間 tSW?ON/OFF 內(nèi)必須移動(dòng)多少柵極電荷 QG，因?yàn)殚_關(guān)期間的平均柵極電流為 IG。

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(dòng)器峰值拉電流和灌電流近似值可以使用下面的公式計(jì)算。

導(dǎo)通時(shí)（拉電流）

關(guān)斷時(shí)（灌電流）

其中，QG 為 VGS = VCC 時(shí)的柵極電荷，tSW, ON/OFF = 開關(guān)通斷時(shí)間，1.5 = 經(jīng)驗(yàn)確定的系數(shù)（受經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器輸入級(jí)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(shí)，應(yīng)考慮降低寄生電感和電容造成的振鈴電壓。但是，它會(huì)限制柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)環(huán)路中產(chǎn)生負(fù)偏壓的簡(jiǎn)單方法，適合驅(qū)動(dòng)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(huì)在柵極驅(qū)動(dòng)器上施加負(fù)偏壓。此外還可以提供不同的選項(xiàng)，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(dòng)器提供多種封裝選項(xiàng)，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(dòng)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(dòng)器支持工具

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

主要相關(guān)驅(qū)動(dòng)器包括：

• NCP51560
• NCP51561 和 NCV51561
• NCP51563 和 NCV51563