【導(dǎo)讀】新的技術(shù)與市場趨勢不斷對功率能力和解決方案尺寸提出更高需求。電動汽車、可再生能源微電網(wǎng)、海量儲能和大功率電信應(yīng)用的發(fā)展也對功率密度提出了更高的要求。
以往專用于特定大功率應(yīng)用的電壓和功率水平現(xiàn)在在日常應(yīng)用中也越來越普遍，這意味著曾經(jīng)可原諒的性能問題現(xiàn)在也變得無法忍受。這類應(yīng)用的主要限制傳統(tǒng)上來自于電源開關(guān)技術(shù)，尤其是硅半導(dǎo)體的性能限制。但寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體的出現(xiàn)突破了這個瓶頸，實現(xiàn)了高壓、高頻的電源變換器設(shè)計。
然而，高功率和高速率的結(jié)合為設(shè)計人員設(shè)計變換器帶來一系列新的問題。例如，電源轉(zhuǎn)換模塊中的高電壓與控制模塊中的弱小信號電路之間會產(chǎn)生不必要的耦合，本文將主要討論這種情況帶來的危害。
對隔離式柵極驅(qū)動器的需求
柵極驅(qū)動器是很多電源變換器中的常用元件。由于控制電路在低電壓下運行，控制器無法提供足夠的電力來快速安全地打開或關(guān)閉電源開關(guān)。因此，來自控制器的信號被發(fā)送到可以承受更高功率的柵極驅(qū)動器，由其根據(jù)需要來驅(qū)動 MOSFET 的柵極。
在大功率或高電壓應(yīng)用中工作時，電路中的元件會受到大電壓漂移和大電流的影響。如果功率 MOSFET 到控制電路之間存在電流泄漏，則功率轉(zhuǎn)換電路中涉及的高電壓和電流很容易燒毀晶體管，從而導(dǎo)致控制電路大面積擊穿。另外，大功率應(yīng)用還需要在輸入和輸出之間進行隔離，以保護用戶以及連接到變換器下游的任何其他設(shè)備。
隔離可以采用多種機制和材料來實現(xiàn)，每種方法都有其自身的優(yōu)勢。不過，目前高性能系統(tǒng)最常用的方法還是容性耦合，因為它比電感隔離占用空間更少，比光耦合器更加可靠，并且能夠提供無可比擬的隔離能力。圖 1 顯示了一個隔離式驅(qū)動器的原理圖。
圖1: 隔離式驅(qū)動器原理圖
容性隔離器采用兩個串聯(lián)的電容。這些電容基于硅芯片，并以氧化硅作為電介質(zhì)。通過使用厚電介質(zhì)進行構(gòu)建，這些電容可以承受極高的峰值電壓而不會被擊穿。這種隔離器的工作原理是將來自控制器的 PWM 信號調(diào)制為高頻信號，然后生成一個差分電壓對以將該信息發(fā)送到電容。這樣，調(diào)制信號可以通過隔離屏障而不會丟失任何數(shù)據(jù)。通過屏障后，信號在與驅(qū)動電路交互之前被解調(diào)。
容性隔離的主要益處在于整個隔離式驅(qū)動器可以被輕松集成到單個芯片中，因為電容采用了與其他驅(qū)動器組件相同標準的微電子工藝制造。MPS還提供同時具備上管和下管電源開關(guān)驅(qū)動器的 IC，例如隔離式半橋柵極驅(qū)動器 MP18831。
重要參數(shù)：隔離和 CMTI
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。擁有恰當?shù)母綦x電壓對于保護用戶免受潛在的放電電流危害至關(guān)重要，它還可以避免意外的電壓瞬變破壞連接到電源的其他電路。另外，隔離電壓還可使變換器內(nèi)部信號免受噪聲或意外共模電壓瞬變帶來的干擾。
隔離度通常表示為隔離層可以承受的電壓量。在大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊中，隔離電壓常表達為最大峰值隔離電壓、工作隔離電壓和 RMS 隔離電壓等參數(shù)。
但是，由于電壓和頻率增大，柵極驅(qū)動器將面臨斜率非常大的大幅度電壓漂移。如果這些電壓瞬變足夠快，電壓中的某些高頻分量可能無法被傳統(tǒng)隔離方法阻斷。共模瞬態(tài)隔離 (CMTI) 可以阻斷這些高頻電壓分量耦合并穿過隔離屏障，從而實現(xiàn)電路的保護。
隨著總線電壓和開關(guān)頻率的不斷提高，CMTI 在柵極驅(qū)動器中變得越來越重要。如果 CMTI 不夠高，高功率噪聲可能會耦合到隔離式柵極驅(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)柵極上。當電荷足夠大，柵極驅(qū)動器可能會將噪聲誤解為驅(qū)動信號，從而擊穿并導(dǎo)致嚴重的電路故障。圖 2 顯示了在 CMTI 不足的情況下，電荷是如何通過隔離屏障耦合的。
圖 2： CMTI 不足導(dǎo)致的驅(qū)動器電荷耦合
隔離式柵極驅(qū)動器保護：米勒鉗位和 DESAT 保護
通過隔離屏障的寄生耦合可能不是擊穿的唯一原因。來自開關(guān)節(jié)點的電壓也可能通過晶體管自身的寄生耦合耦合到晶體管的柵極。這種耦合通常由 MOSFET 的等效寄生電容（稱為米勒電容）產(chǎn)生。米勒電容在高頻、高壓開關(guān)中會引起嚴重的問題。
因為電容存在自然高通行為，高頻電壓會通過米勒電容耦合，繞過 MOSFET 柵極和溝道之間的隔離屏障。
這意味著電流將流過柵極節(jié)點，為柵極充電并可能觸發(fā)開關(guān)。一旦發(fā)生這種情況，總線電壓和 GND 之間就會建立起一條直接的路徑，導(dǎo)致直通電流和變換器效率損失。
有源米勒鉗位是由一個比較器和一個附加 MOSFET 組成的低阻抗路徑。當上管 FET 導(dǎo)通時，它將下管 FET 的柵極連接到地。該過程將通過米勒電容的電流從柵極重定向到地，從而降低了柵極電荷并避免了不需要的柵極驅(qū)動。圖 3 展示了帶與不帶米勒鉗位時的開關(guān)半橋瞬態(tài)交叉?zhèn)鲗?dǎo)原理。 其中圖 3a 為沒有米勒鉗位時的原理圖；圖 3b 為帶米勒鉗位時的原理圖。
圖3: 開關(guān)半橋瞬態(tài)交叉?zhèn)鲗?dǎo)原理
柵極積累的電荷還可能導(dǎo)致其他問題，例如去飽和。去飽和是指 MOSFET 非自主地進入非線性區(qū)域的過程。該操作區(qū)域效率極低，因此從不用于功率轉(zhuǎn)換。它會使功耗增加，不僅系統(tǒng)效率降低，還可能導(dǎo)致開關(guān)損壞。為避免這種情況，可采用DESAT 保護電路來檢測開關(guān)兩端的電壓，在其超過去飽和閾值時停止為柵極供電（參見圖 5）。
圖 4：MOSFET 工作區(qū)域及去飽和保護原理
Conclusion
寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體的引入不僅提高了開關(guān)頻率，還提高了功率要求，這使隔離成為電源變換器設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高隔離度和高CMTI 額定值是確保用戶和連接到電源的設(shè)備免受意外電流泄漏傷害的關(guān)鍵特性。而去飽和保護和有源米勒鉗位等保護功能則可以確保 MOSFET 的安全運行。
MPS 提供多種隔離式柵極驅(qū)動器，例如 MP18831, 這是一款具有可配置死區(qū)時間控制且專為半橋變換器拓撲而設(shè)計的雙通道驅(qū)動器。
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