【導讀】新的技術(shù)與市場(chǎng)趨勢不斷對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?jì)δ芎痛蠊β孰娦艖玫陌l(fā)展也對功率密度提出了更高的要求。
以往專(zhuān)用于特定大功率應用的電壓和功率水平現在在日常應用中也越來(lái)越普遍，這意味著(zhù)曾經(jīng)可原諒的性能問(wèn)題現在也變得無(wú)法忍受。這類(lèi)應用的主要限制傳統上來(lái)自于電源開(kāi)關(guān)技術(shù)，尤其是硅半導體的性能限制。但寬禁帶 (WBG) 半導體的出現突破了這個(gè)瓶頸，實(shí)現了高壓、高頻的電源變換器設計。
然而，高功率和高速率的結合為設計人員設計變換器帶來(lái)一系列新的問(wèn)題。例如，電源轉換模塊中的高電壓與控制模塊中的弱小信號電路之間會(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。
對隔離式柵極驅動(dòng)器的需求
柵極驅動(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)自控制器的信號被發(fā)送到可以承受更高功率的柵極驅動(dòng)器，由其根據需要來(lái)驅動(dòng) MOSFET 的柵極。
在大功率或高電壓應用中工作時(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，則功率轉換電路中涉及的高電壓和電流很容易燒毀晶體管，從而導致控制電路大面積擊穿。另外，大功率應用還需要在輸入和輸出之間進(jìn)行隔離，以保護用戶(hù)以及連接到變換器下游的任何其他設備。
隔離可以采用多種機制和材料來(lái)實(shí)現，每種方法都有其自身的優(yōu)勢。不過(guò)，目前高性能系統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(wú)可比擬的隔離能力。圖 1 顯示了一個(gè)隔離式驅動(dòng)器的原理圖。
圖1: 隔離式驅動(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 信號調制為高頻信號，然后生成一個(gè)差分電壓對以將該信息發(fā)送到電容。這樣，調制信號可以通過(guò)隔離屏障而不會(huì )丟失任何數據。通過(guò)屏障后，信號在與驅動(dòng)電路交互之前被解調。
容性隔離的主要益處在于整個(gè)隔離式驅動(dòng)器可以被輕松集成到單個(gè)芯片中，因為電容采用了與其他驅動(dòng)器組件相同標準的微電子工藝制造。MPS還提供同時(shí)具備上管和下管電源開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器的 IC，例如隔離式半橋柵極驅動(dòng)器 MP18831。
重要參數：隔離和 CMTI
隔離式柵極驅動(dòng)器的關(guān)鍵參數之一是其隔離電壓額定值。擁有恰當的隔離電壓對于保護用戶(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部信號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。在大多數數據手冊中，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。
但是，由于電壓和頻率增大，柵極驅動(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)現電路的保護。
隨著(zhù)總線(xiàn)電壓和開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，CMTI 在柵極驅動(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動(dòng)器，從而產(chǎn)生電流環(huán)路并導致電荷出現在開(kāi)關(guān)柵極上。當電荷足夠大，柵極驅動(dòng)器可能會(huì )將噪聲誤解為驅動(dòng)信號，從而擊穿并導致嚴重的電路故障。圖 2 顯示了在 CMTI 不足的情況下，電荷是如何通過(guò)隔離屏障耦合的。
圖 2： CMTI 不足導致的驅動(dòng)器電荷耦合
隔離式柵極驅動(dòng)器保護：米勒鉗位和 DESAT 保護
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 )引起嚴重的問(wèn)題。
因為電容存在自然高通行為，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(zhù)電流將流過(guò)柵極節點(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。當上管 FET 導通時(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)交叉傳導原理。 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)交叉傳導原理
柵極積累的電荷還可能導致其他問(wèn)題，例如去飽和。去飽和是指 MOSFET 非自主地進(jìn)入非線(xiàn)性區域的過(guò)程。該操作區域效率極低，因此從不用于功率轉換。它會(huì )使功耗增加，不僅系統效率降低，還可能導致開(kāi)關(guān)損壞。為避免這種情況，可采用DESAT 保護電路來(lái)檢測開(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 工作區域及去飽和保護原理
Conclusion
寬禁帶（WBG）半導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計的關(guān)鍵環(huán)節。高隔離度和高CMTI 額定值是確保用戶(hù)和連接到電源的設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動(dòng)器，例如 MP18831, 這是一款具有可配置死區時(shí)間控制且專(zhuān)為半橋變換器拓撲而設計的雙通道驅動(dòng)器。
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