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安全驱动:用于大功率应用的隔离式栅极驱动器

新的技术与市场趋势不断对功率能力和解决方案尺寸提出更高需求。电动汽车、可再生能源微电网、海量储能和大功率电信应用的发展也对功率密度提出了更高的要求。

以往专用于特定大功率应用的电压和功率水平现在在日常应用中也越来越普遍,这意味着曾经可原谅的性能问题现在也变得无法忍受。这类应用的主要限制传统上来自于电源开关技术,尤其是硅半导体的性能限制。但宽禁带 (WBG) 半导体的出现突破了这个瓶颈,实现了高压、高频的电源变换器设计。


然而,高功率和高速率的结合为设计人员设计变换器带来一系列新的问题。例如,电源转换模块中的高电压与控制模块中的弱小信号电路之间会产生不必要的耦合,本文将主要讨论这种情况带来的危害。


对隔离式栅极驱动器的需求


栅极驱动器是很多电源变换器中的常用元件。由于控制电路在低电压下运行,控制器无法提供足够的电力来快速安全地打开或关闭电源开关。因此,来自控制器的信号被发送到可以承受更高功率的栅极驱动器,由其根据需要来驱动 MOSFET 的栅极。


在大功率或高电压应用中工作时,电路中的元件会受到大电压漂移和大电流的影响。如果功率 MOSFET 到控制电路之间存在电流泄漏,则功率转换电路中涉及的高电压和电流很容易烧毁晶体管,从而导致控制电路大面积击穿。另外,大功率应用还需要在输入和输出之间进行隔离,以保护用户以及连接到变换器下游的任何其他设备。


隔离可以采用多种机制和材料来实现,每种方法都有其自身的优势。不过,目前高性能系统最常用的方法还是容性耦合,因为它比电感隔离占用空间更少,比光耦合器更加可靠,并且能够提供无可比拟的隔离能力。图 1 显示了一个隔离式驱动器的原理图。


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图1: 隔离式驱动器原理图

容性隔离器采用两个串联的电容。这些电容基于硅芯片,并以氧化硅作为电介质。通过使用厚电介质进行构建,这些电容可以承受极高的峰值电压而不会被击穿。这种隔离器的工作原理是将来自控制器的 PWM 信号调制为高频信号,然后生成一个差分电压对以将该信息发送到电容。这样,调制信号可以通过隔离屏障而不会丢失任何数据。通过屏障后,信号在与驱动电路交互之前被解调。


容性隔离的主要益处在于整个隔离式驱动器可以被轻松集成到单个芯片中,因为电容采用了与其他驱动器组件相同标准的微电子工艺制造。MPS还提供同时具备上管和下管电源开关驱动器的 IC,例如隔离式半桥栅极驱动器 MP18831。


重要参数:隔离和 CMTI


隔离式栅极驱动器的关键参数之一是其隔离电压额定值。拥有恰当的隔离电压对于保护用户免受潜在的放电电流危害至关重要,它还可以避免意外的电压瞬变破坏连接到电源的其他电路。另外,隔离电压还可使变换器内部信号免受噪声或意外共模电压瞬变带来的干扰。


隔离度通常表示为隔离层可以承受的电压量。在大多数数据手册中,隔离电压常表达为最大峰值隔离电压、工作隔离电压和 RMS 隔离电压等参数。


但是,由于电压和频率增大,栅极驱动器将面临斜率非常大的大幅度电压漂移。如果这些电压瞬变足够快,电压中的某些高频分量可能无法被传统隔离方法阻断。共模瞬态隔离 (CMTI) 可以阻断这些高频电压分量耦合并穿过隔离屏障,从而实现电路的保护。


随着总线电压和开关频率的不断提高,CMTI 在栅极驱动器中变得越来越重要。如果 CMTI 不够高,高功率噪声可能会耦合到隔离式栅极驱动器,从而产生电流环路并导致电荷出现在开关栅极上。当电荷足够大,栅极驱动器可能会将噪声误解为驱动信号,从而击穿并导致严重的电路故障。图 2 显示了在 CMTI 不足的情况下,电荷是如何通过隔离屏障耦合的。


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图 2: CMTI 不足导致的驱动器电荷耦合

隔离式栅极驱动器保护:米勒钳位和 DESAT 保护


通过隔离屏障的寄生耦合可能不是击穿的唯一原因。来自开关节点的电压也可能通过晶体管自身的寄生耦合耦合到晶体管的栅极。这种耦合通常由 MOSFET 的等效寄生电容(称为米勒电容)产生。米勒电容在高频、高压开关中会引起严重的问题。


因为电容存在自然高通行为,高频电压会通过米勒电容耦合,绕过 MOSFET 栅极和沟道之间的隔离屏障。


这意味着电流将流过栅极节点,为栅极充电并可能触发开关。一旦发生这种情况,总线电压和 GND 之间就会建立起一条直接的路径,导致直通电流和变换器效率损失。


有源米勒钳位是由一个比较器和一个附加 MOSFET 组成的低阻抗路径。当上管 FET 导通时,它将下管 FET 的栅极连接到地。该过程将通过米勒电容的电流从栅极重定向到地,从而降低了栅极电荷并避免了不需要的栅极驱动。图 3 展示了带与不带米勒钳位时的开关半桥瞬态交叉传导原理。 其中图 3a 为没有米勒钳位时的原理图;图 3b 为带米勒钳位时的原理图。


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图3: 开关半桥瞬态交叉传导原理

栅极积累的电荷还可能导致其他问题,例如去饱和。去饱和是指 MOSFET 非自主地进入非线性区域的过程。该操作区域效率极低,因此从不用于功率转换。它会使功耗增加,不仅系统效率降低,还可能导致开关损坏。为避免这种情况,可采用DESAT 保护电路来检测开关两端的电压,在其超过去饱和阈值时停止为栅极供电(参见图 5)。


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图 4:MOSFET 工作区域及去饱和保护原理

Conclusion


宽禁带(WBG)半导体的引入不仅提高了开关频率,还提高了功率要求,这使隔离成为电源变换器设计的关键环节。高隔离度和高CMTI 额定值是确保用户和连接到电源的设备免受意外电流泄漏伤害的关键特性。而去饱和保护和有源米勒钳位等保护功能则可以确保 MOSFET 的安全运行。


MPS 提供多种隔离式栅极驱动器,例如 MP18831, 这是一款具有可配置死区时间控制且专为半桥变换器拓扑而设计的双通道驱动器。



THE END
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