使用隔離式柵極驅動器的設計指南（一）

本設計指南分為三部分，將講解如何為電力電子應用中的功率開關器件選用合適的隔離柵極驅動器，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動器的介紹和選型指南。

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

柵極驅動器——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、電機驅動器和其他系統(tǒng)中的開關元件。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）。使用專用驅動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅動電流。

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

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

對于高功率應用，當今使用的最佳器件是碳化硅 (SiC) MOSFET，快速導通/關斷這種功率開關需要更高的驅動電流。柵極驅動器不僅適用于 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，并產生適當?shù)拇箅娏饕则寗庸β书_關器件的柵極。

以下簡要總結了使用柵極驅動器的原因：

●   柵極驅動阻抗

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

●   源極電感

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

柵極驅動器在功率 MOSFET 的柵極 (G) 和源極 (S) 之間施加電壓信號 (VGS)，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

●   快速導通/關斷功率 MOSFET

圖1. 柵極驅動電流路徑

為何使用電流隔離？

高功率應用需要電流隔離以防止觸發(fā)危險的接地環(huán)路，否則可能導致噪聲，使得兩個電路的接地處于不同的電位，進而損害系統(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、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，但如果控制側涉及到人的活動，那么高功率側和低電壓控制電路之間需要電流隔離。它能防范高壓側的任何故障，因為即使有元器件損壞或失效，隔離柵也會阻止電力到達用戶。為防止觸電危險，隔離是監(jiān)管機構和安全認證機構的強制要求。以下是關于使用原因和許多功率應用中的電流隔離方法的總結。

●   防范并安全地承受高壓浪涌，避免損壞設備或危害人類。

●   保護昂貴的控制器 - 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元器件可靠地通信

圖 2. 非隔離與隔離

隔離式柵極驅動器選型指南

下面說明如何進行隔離式柵極驅動器選型。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，開關器件便可直接連接到控制器。但是，柵極驅動器是大多數(shù)電源轉換器中的常見元件。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。因此，將控制器的信號發(fā)送到柵極驅動器，柵極驅動器能夠承受更高的功率，并可以根據(jù)需要驅動 MOSFET 的柵極。在高功率或高壓應用中，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，功率轉換電路中的高電壓和電流很容易燒毀晶體管，導致控制電路嚴重崩潰。此外，高功率應用的輸入和輸出之間必須具有電流隔離以保護用戶和任何其他器件。

柵極驅動電壓范圍

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

柵極驅動器的正電壓應足夠高，以確保門柵極完全導通。還需要確保驅動電壓不超過絕對最大柵極電壓。Si-MOSFET通常使用+12V的驅動電壓，+15V通常用于驅動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斷狀態(tài)。一般而言，MOSFET 不需要負偏置柵極驅動，SiC和GaN MOSFET有時會使用這種柵極驅動。在開關應用中，強烈建議對 SiC 和 GaN MOSFET 使用負偏壓柵極驅動，因為在高di/dt和dv/dt開關期間，非理想 PCB 布局引入的寄生電感可能會導致功率晶體管的柵源驅動電壓發(fā)生振鈴。以下是每種開關器件的適用柵極驅動電壓。

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。隔離式柵極驅動器的關鍵參數(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用戶免受潛在有害電流放電影響的關鍵。另外，此額定值可以讓轉換器內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動器數(shù)據(jù)表中，隔離電壓是以最大重復峰值隔離電壓 (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，所需的轉換器隔離能力越高。

安森美的隔離式柵極驅動器在 MPS 測試儀（型號 MSPS-20）上進行生產測試。

隔離電容

隔離電容是轉換器輸入側和輸出側之間的寄生電容。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行，我們需要更加注意轉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) 是與隔離式柵極驅動器相關的主要特性之一，尤其是當系統(tǒng)以高開關頻率運行時。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動器，從而產生電流環(huán)路并導致電荷出現(xiàn)在開關柵極處。此電荷如果足夠大，可能會導致柵極驅動器將此噪聲誤解為驅動信號，這種直通會造成嚴重的電路故障。

電流驅動能力考量

短時間內能夠提供/吸收的柵極電流越高，柵極驅動器的開關時間就越短，受驅動的晶體管內的開關功率損耗就越低。

峰值拉電流和灌電流（ISOURCE 和 ISINK）應高于平均電流 (IG, AV)，如圖 3 所示。

圖 3. 電流驅動能力定義

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

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

柵極驅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。

導通時（拉電流）

關斷時（灌電流）

其中，QG 為 VGS = VCC 時的柵極電荷，tSW, ON/OFF = 開關通斷時間，1.5 = 經(jīng)驗確定的系數(shù)（受經(jīng)過驅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，它會限制柵極驅動器輸出的電流能力。導通和關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動器，適合開關速度非常高并存在系統(tǒng)尺寸限制的應用，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認證的功能性和增強型隔離產品。我們的隔離式柵極驅動器既有工業(yè)用產品，也有通過汽車應用認證的產品。

這些隔離式柵極驅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動環(huán)路中產生負偏壓的簡單方法，適合驅動SiC MOSFET。如果 PCB 布局和/或封裝引線在功率晶體管 Vg 中產生高振鈴，這種負偏壓將非常有用。這種柵極電壓振鈴一般發(fā)生在高 di/dt 和 dv/dt 開關條件下。為使振鈴低于閾值電壓以防止雜散導通，一般會在柵極驅動器上施加負偏壓。此外還可以提供不同的選項，可生成-2V、 -3V、 -4V  和 -5V 電壓以適應所有配置。安森美的隔離式柵極驅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動器系列的主要特性、電氣規(guī)格和安全相關認證。

表 1.

* 正在開發(fā)

** 選配，按需提供

*** 已規(guī)劃

隔離式柵極驅動器支持工具

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

主要相關驅動器包括：

●   NCP51560

●   NCP51561 和 NCV51561

●   NCP51563 和 NCV51563