【導(dǎo)讀】新的技術(shù)與市場(chǎng)趨勢(shì)不斷對(duì)功率能力和解決方案尺寸提出更高需求。電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源微電網(wǎng)、海量?jī)?chǔ)能和大功率電信應(yīng)用的發(fā)展也對(duì)功率密度提出了更高的要求。
以往專(zhuān)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(lái)越普遍，這意味著曾經(jīng)可原諒的性能問(wèn)題現(xiàn)在也變得無(wú)法忍受。這類(lèi)應(yīng)用的主要限制傳統(tǒng)上來(lái)自于電源開(kāi)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(gè)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了高壓、高頻的電源變換器設(shè)計(jì)。
然而，高功率和高速率的結(jié)合為設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)變換器帶來(lái)一系列新的問(wèn)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(hào)電路之間會(huì)產(chǎn)生不必要的耦合，本文將主要討論這種情況帶來(lái)的危害。
對(duì)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的需求
柵極驅(qū)動(dòng)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(yùn)行，控制器無(wú)法提供足夠的電力來(lái)快速安全地打開(kāi)或關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。因此，來(lái)自控制器的信號(hào)被發(fā)送到可以承受更高功率的柵極驅(qū)動(dòng)器，由其根據(jù)需要來(lái)驅(qū)動(dòng) MOSFET 的柵極。
在大功率或高電壓應(yīng)用中工作時(shí)，電路中的元件會(huì)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(jìn)行隔離，以保護(hù)用戶(hù)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(jī)制和材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，每種方法都有其自身的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，目前高性能系統(tǒng)最常用的方法還是容性耦合，因?yàn)樗入姼懈綦x占用空間更少，比光耦合器更加可靠，并且能夠提供無(wú)可比擬的隔離能力。圖 1 顯示了一個(gè)隔離式驅(qū)動(dòng)器的原理圖。
圖1: 隔離式驅(qū)動(dòng)器原理圖
容性隔離器采用兩個(gè)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(guò)使用厚電介質(zhì)進(jìn)行構(gòu)建，這些電容可以承受極高的峰值電壓而不會(huì)被擊穿。這種隔離器的工作原理是將來(lái)自控制器的 PWM 信號(hào)調(diào)制為高頻信號(hào)，然后生成一個(gè)差分電壓對(duì)以將該信息發(fā)送到電容。這樣，調(diào)制信號(hào)可以通過(guò)隔離屏障而不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)。通過(guò)屏障后，信號(hào)在與驅(qū)動(dòng)電路交互之前被解調(diào)。
容性隔離的主要益處在于整個(gè)隔離式驅(qū)動(dòng)器可以被輕松集成到單個(gè)芯片中，因?yàn)殡娙莶捎昧伺c其他驅(qū)動(dòng)器組件相同標(biāo)準(zhǔn)的微電子工藝制造。MPS還提供同時(shí)具備上管和下管電源開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器的 IC，例如隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器 MP18831。
重要參數(shù)：隔離和 CMTI
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。擁有恰當(dāng)?shù)母綦x電壓對(duì)于保護(hù)用戶(hù)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(hào)免受噪聲或意外共模電壓瞬變帶來(lái)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(cè)中，隔離電壓常表達(dá)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(dòng)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(wú)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(guò)隔離屏障，從而實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)。
隨著總線(xiàn)電壓和開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，CMTI 在柵極驅(qū)動(dòng)器中變得越來(lái)越重要。如果 CMTI 不夠高，高功率噪聲可能會(huì)耦合到隔離式柵極驅(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(kāi)關(guān)柵極上。當(dāng)電荷足夠大，柵極驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)將噪聲誤解為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而擊穿并導(dǎo)致嚴(yán)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(guò)隔離屏障耦合的。
圖 2： CMTI 不足導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)器電荷耦合
隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器保護(hù)：米勒鉗位和 DESAT 保護(hù)
通過(guò)隔離屏障的寄生耦合可能不是擊穿的唯一原因。來(lái)自開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓也可能通過(guò)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(chēng)為米勒電容）產(chǎn)生。米勒電容在高頻、高壓開(kāi)關(guān)中會(huì)引起嚴(yán)重的問(wèn)題。
因?yàn)殡娙荽嬖谧匀桓咄ㄐ袨?，高頻電壓會(huì)通過(guò)米勒電容耦合，繞過(guò) MOSFET 柵極和溝道之間的隔離屏障。
這意味著電流將流過(guò)柵極節(jié)點(diǎn)，為柵極充電并可能觸發(fā)開(kāi)關(guān)。一旦發(fā)生這種情況，總線(xiàn)電壓和 GND 之間就會(huì)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(gè)比較器和一個(gè)附加 MOSFET 組成的低阻抗路徑。當(dāng)上管 FET 導(dǎo)通時(shí)，它將下管 FET 的柵極連接到地。該過(guò)程將通過(guò)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(dòng)。圖 3 展示了帶與不帶米勒鉗位時(shí)的開(kāi)關(guān)半橋瞬態(tài)交叉?zhèn)鲗?dǎo)原理。 其中圖 3a 為沒(méi)有米勒鉗位時(shí)的原理圖；圖 3b 為帶米勒鉗位時(shí)的原理圖。
圖3: 開(kāi)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(wèn)題，例如去飽和。去飽和是指 MOSFET 非自主地進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)域的過(guò)程。該操作區(qū)域效率極低，因此從不用于功率轉(zhuǎn)換。它會(huì)使功耗增加，不僅系統(tǒng)效率降低，還可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損壞。為避免這種情況，可采用DESAT 保護(hù)電路來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)兩端的電壓，在其超過(guò)去飽和閾值時(shí)停止為柵極供電（參見(jiàn)圖 5）。
圖 4：MOSFET 工作區(qū)域及去飽和保護(hù)原理
Conclusion
寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體的引入不僅提高了開(kāi)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(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高隔離度和高CMTI 額定值是確保用戶(hù)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(hù)和有源米勒鉗位等保護(hù)功能則可以確保 MOSFET 的安全運(yùn)行。
MPS 提供多種隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，例如 MP18831, 這是一款具有可配置死區(qū)時(shí)間控制且專(zhuān)為半橋變換器拓?fù)涠O(shè)計(jì)的雙通道驅(qū)動(dòng)器。
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