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保姆级攻略 | 使用隔离式栅极驱动器的设计指南(一)

安森美 来源:未知 2023-02-05 05:55 次阅读

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本设计指南分为三部分,将讲解如何为电力电子应用中的功率开关器件选用合适的隔离栅极驱动器,并介绍实战经验。本文为第一部分,主要包括隔离式栅极驱动器的介绍和选型指南。





安森美(onsemi)的隔离栅极驱动器针对SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)等技术所需的最高开关速度和系统尺寸限制而设计,为 MOSFET 提供可靠控制。电力电子行业的许多设计人员对于在诸多类型的电力电子应用中使用Si MOSFET、SiC和GaN MOSFET 具有丰富的经验,堪称专家级用户。系统制造商对提高设计的能效越来越感兴趣。为了取得市场领先的地位,高能效和低成本的结合至关重要。从半导体材料的角度来看,该领域已经取得了长足的进步,现在有一些产品能够高速开关,从而提高系统级效率,同时减小尺寸。












栅极驱动器——是什么、为何使用以及如何做?

功率 MOSFET 是一种电压控制型器件,可用作电源电路电机驱动器和其他系统中的开关元件。栅极是每个器件的电气隔离控制端。MOSFET 的其他端子是源极和漏极。


为了操作 MOSFET,通常须将一个电压施加于栅极(相对于源极或发射极)。使用专用驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。


栅极驱动器用于导通和关断功率器件。为此,栅极驱动器对功率器件的栅极充电,使其达到最终的导通电压 VGS(ON),或者驱动电路使栅极放电到最终的关断电压 VGS(OFF)。为了实现两个栅极电压电平之间的转换,栅极驱动器、栅极电阻和功率器件之间的环路中会产生一些功耗。


如今,用于中低功率应用的高频转换器主要利用栅极电压控制器件,如MOSFET。


对于高功率应用,当今使用的最佳器件是碳化硅 (SiC) MOSFET,快速导通/关断这种功率开关需要更高的驱动电流。栅极驱动器不仅适用于 MOSFET,而且适用于宽禁带中目前只有少数人知道的新型器件,如碳化硅 (SiC) FET氮化镓 (GaN) FET


它是一种功率放大器,可以接受控制器 IC 的功率输入,并产生适当的大电流以驱动功率开关器件的栅极。


以下简要总结了使用栅极驱动器的原因:

  • 栅极驱动阻抗

栅极驱动器的功能是导通和关断功率器件(通常很快)以减少损耗。为了避免米勒效应或在某些负载下的慢速开关所导致的交叉导通损耗,驱动器必须以比相对晶体管上的导通状态驱动更低的阻抗建立关断状态。负栅极驱动裕量对于减少这些损耗起着重要作用


  • 源极电感

这是栅极驱动器电流环路和输出电流环路共享的电感。负栅极驱动电压裕量与源极引线电感相结合,会对负载下输出的开关速度产生直接影响,这是源极电感的源极退化效应(源极引线电感将输出开关电流耦合回栅极驱动,从而减缓栅极驱动)造成的。


栅极驱动器在功率 MOSFET 的栅极 (G) 和源极 (S) 之间施加电压信号 (VGS),同时提供一个大电流脉冲,如图 1 所示。


  • 使 CGS、CGD 快速充电/放电

  • 快速导通/关断功率 MOSFET

图 1. 栅极驱动电流路径



为何使用电流隔离?

高功率应用需要电流隔离以防止触发危险的接地环路,否则可能导致噪声,使得两个电路的接地处于不同的电位,进而损害系统的安全性。此类系统中的电流对人类可能致命,因此必须确保最高水平的安全性。电气或电流隔离是指处于不同电位的两个点之间未发生直流循环的状态


更确切地说,在电流隔离状态下,无法将载流子从一个点移至另一点,但电能(或信号)仍然可以通过其他物理现象(如电磁感应、容性耦合或光)交换。这种情况等效于两个点之间的电阻无限大;在实践中,达到大约 100 MΩ 的电阻就足够了。如果损坏仅限于电子元器件,则安全隔离可能是不必要的,但如果控制侧涉及到人的活动,那么高功率侧和低电压控制电路之间需要电流隔离。它能防范高压侧的任何故障,因为即使有元器件损坏或失效,隔离栅也会阻止电力到达用户。为防止触电危险,隔离是监管机构和安全认证机构的强制要求。以下是关于使用原因和许多功率应用中的电流隔离方法的总结。


  • 防范并安全地承受高压浪涌,避免损坏设备或危害人类。

  • 保护昂贵的控制器 - 智能系统

  • 在具有高能量或长距离分离的电路中,耐受较大的电位差和破坏性接地环路

  • 与高压高性能解决方案中的高压侧元器件可靠地通信


图 2. 非隔离与隔离



隔离式栅极驱动器选型指南

下面说明如何进行隔离式栅极驱动器选型。例如,对于工作电压较低的系统,只要控制器的承受电压在允许范围内,开关器件便可直接连接到控制器。但是,栅极驱动器是大多数电源转换器中的常见元件。由于控制电路以低压工作,因此控制器无法提供足够的功率来快速安全地断开或闭合功率开关。因此,将控制器的信号发送到栅极驱动器,栅极驱动器能够承受更高的功率,并可以根据需要驱动 MOSFET 的栅极。在高功率或高压应用中,电路中的元件会承受较大电压偏移和高电流。如果电流从功率 MOSFET 泄漏到控制电路,功率转换电路中的高电压和电流很容易烧毁晶体管,导致控制电路严重崩溃。此外,高功率应用的输入和输出之间必须具有电流隔离以保护用户和任何其他器件。


栅极驱动电压范围

转换器的工作电压取决于开关元件(如 Si MOSFET 或 SiC MOSFET)的规格。必须确认,转换器输出电压不超过开关元件栅极电压的最大值。


栅极驱动器的正电压应足够高,以确保门栅极完全导通。还需要确保驱动电压不超过绝对最大栅极电压。Si-MOSFET通常使用+12V的驱动电压,+15V通常用于驱动SiC,GaN的栅极电压为+5V。0-V 的栅极电压可以使所有器件处于关断状态。一般而言,MOSFET 不需要负偏置栅极驱动,SiC和GaN MOSFET有时会使用这种栅极驱动。在开关应用中,强烈建议对 SiC 和 GaN MOSFET 使用负偏压栅极驱动,因为在高di/dt和dv/dt开关期间,非理想 PCB 布局引入的寄生电感可能会导致功率晶体管的栅源驱动电压发生振铃。以下是每种开关器件的适用栅极驱动电压。



隔离能力

此能力由系统的工作电压决定。系统工作电压与隔离能力成正比。隔离式栅极驱动器的关键参数之一是其隔离电压额定值。隔离额定值旨在避免意外电压瞬变破坏与电源相连的其他电路,因此拥有正确的隔离额定值是保护用户免受潜在有害电流放电影响的关键。另外,此额定值可以让转换器内的信号免受噪声或意外共模电压瞬变的干扰。隔离值通常表示为隔离层可以承受的电压量。在大部分隔离式栅极驱动器数据表中,隔离电压是以最大重复峰值隔离电压 (VIORM)、工作隔离电压 (VIOWM)、最大瞬变隔离电压 (VIOTM)、最大浪涌隔离电压 (VIOSM)、RMS 隔离电压 (VISO) 之类参数列出。系统工作电压越高,所需的转换器隔离能力越高。


安森美的隔离式栅极驱动器在 MPS 测试仪(型号 MSPS-20)上进行生产测试。


隔离电容

隔离电容是转换器输入侧和输出侧之间的寄生电容。通过以下公式可知,隔离电容与漏电流成正比。


其中:Ileak:漏电流,fS:工作频率,CISO:隔离电容。VSYS:系统工作电压


功率损耗与漏电流成正比。如果系统需要在高工作频率和高电压下运行,我们需要更加注意转换器隔离电容的大小,避免温度上升过高。


共模瞬变抗扰度 (CMTI)

共模瞬变抗扰度 (CMTI) 是与隔离式栅极驱动器相关的主要特性之一,尤其是当系统以高开关频率运行时。这一点很重要,因为高摆率(高频)瞬变可能会破坏跨越隔离栅的数据传输。隔离栅两端(即隔离接地层之间)的电容为这些快速瞬变跨过隔离栅并破坏输出波形提供了路径。此特性参数的单位通常为 kV/uS。


如果 CMTI 不够高,则高功率噪声可能会耦合跨过隔离式栅极驱动器,从而产生电流环路并导致电荷出现在开关栅极处。此电荷如果足够大,可能会导致栅极驱动器将此噪声误解为驱动信号,这种直通会造成严重的电路故障。


电流驱动能力考量

短时间内能够提供/吸收的栅极电流越高,栅极驱动器的开关时间就越短,受驱动的晶体管内的开关功率损耗就越低。


峰值拉电流和灌电流(ISOURCE 和 ISINK)应高于平均电流 (IG, AV),如图 3 所示。


图 3. 电流驱动能力定义


对于每个驱动器电流额定值,在所示时间内可以切换的最大栅极电荷 QG 近似值可以计算如下:所需的驱动器电流额定值取决于在多少开关时间 tSW−ON/OFF 内必须移动多少栅极电荷 QG,因为开关期间的平均栅极电流为 IG


其中,tSW,ON/OFF表示应以多快的速度切换 MOSFET。如果不知道,可从开关周期 tSW 的 2% 开始。


栅极驱动器峰值拉电流和灌电流近似值可以使用下面的公式计算。


导通时(拉电流)


关断时(灌电流)


其中,QG 为 VGS = VCC 时的栅极电荷,tSW, ON/OFF = 开关通断时间,1.5 = 经验确定的系数(受经过驱动器输入级和寄生元件的延迟影响)


栅极电阻考量

确定栅极电阻的大小时,应考虑降低寄生电感和电容造成的振铃电压。但是,它会限制栅极驱动器输出的电流能力。导通和关断栅极电阻引起的受限电流能力值可以使用下面的公式获得。



其中:ISOURCE:峰值拉电流,ISINK:峰值灌电流,VOH:高电平输出压降,VOL:低电平输出压降


安森美的隔离式栅极驱动器

安森美提供各种基于集成磁耦合无芯变压器的隔离式栅极驱动器,适合开关速度非常高并存在系统尺寸限制的应用,并且能够可靠地控制 Si MOSFET 和 SiC FET。


我们提供经UL 1577、SGS FIMKO IEC 62368-1和CQC GB 4943.1认证的功能性和增强型隔离产品。我们的隔离式栅极驱动器既有工业用产品,也有通过汽车应用认证的产品。


这些隔离式栅极驱动器集成了多种特性,可承受高 CMTI 电平,具备多种 UVLO 选择,并提供快速传播延迟(包括较短延迟不匹配)和最短脉冲宽度失真


特别是,安森美即将推出的新品将提供一种在栅极驱动环路中产生负偏压的简单方法,适合驱动SiC MOSFET。如果 PCB 布局和/或封装引线在功率晶体管 Vg 中产生高振铃,这种负偏压将非常有用。这种栅极电压振铃一般发生在高 di/dt 和 dv/dt 开关条件下。为使振铃低于阈值电压以防止杂散导通,一般会在栅极驱动器上施加负偏压。此外还可以提供不同的选项,可生成-2V、 -3V、 -4V 和 -5V 电压以适应所有配置。安森美的隔离式栅极驱动器提供多种封装选项,包括小型 LGASOIC 8 引脚至16引脚变体


以下是安森美隔离式栅极驱动器系列的主要特性、电气规格和安全相关认证。


表 1.

* 正在开发

** 选配,按需提供

*** 已规划


隔离式栅极驱动器支持工具

安森美主页上提供了电流隔离式栅极驱动器的所有相关文档,包括数据表、设计和开发工具、仿真模型、应用笔记、评估板文档、遵从性报告等。


主要相关驱动器包括:

  • NCP51560

  • NCP51561 和 NCV51561

  • NCP51563 和 NCV51563

本文为本设计指南的第一部分,

第二部分将于下周发布,敬请期待!


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