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适用于高功率应用的隔离式栅极驱动器

关键词:隔离式栅极驱动器 电源转换器

时间:2023-12-28 11:37:20      来源:网络

栅极驱动器是大多数电源转换器中的常见元件。由于控制电路在低电压下工作,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栅极驱动器,栅极驱动器可以承受更高的功率,并可以根据需要驱动 MOSFET 的栅极。

栅极驱动器是大多数电源转换器中的常见元件。由于控制电路在低电压下工作,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栅极驱动器,栅极驱动器可以承受更高的功率,并可以根据需要驱动 MOSFET 的栅极。

当在大功率或高压应用中工作时,电路中的元件会受到大电压漂移和高电流的影响。如果功率MOSFET到控制电路有电流泄漏,功率转换电路中的高电压和电流很容易烧毁晶体管,导致控制电路大规模击穿。此外,高功率应用需要输入和输出之间的隔离,以保护用户和转换器下游连接的任何其他设备。

隔离可以使用多种机制和材料来实现,每种机制和材料都有自己的优点。然而,当今高性能系统常用的方法是电容耦合,因为它比电感隔离占用的空间少得多,比光耦合器更可靠,并提供无与伦比的隔离能力。图 1 显示了一个隔离驱动器。


图 1. 隔离驱动器原理图。图片由 Bodo’s Power Systems提供

电容隔离器基于两个串联的电容器。这些电容器构建在硅芯片上,并使用氧化硅作为电介质。通过使用厚电介质构建这些电容器,它们可以承受非常高的电压峰值而不会击穿。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,然后生成差分电压对以通过电容器发送该信息。这样,调制信号就可以通过隔离栅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。

电容隔离的主要好处是整个隔离驱动器可以轻松集成到单个芯片中。这是因为电容器是使用与其余驱动器组件相同的标准微电子工艺制造的。甚至可以实现带有高侧和低侧电源开关驱动器的 IC,例如 MP18831(一种隔离式半桥栅极驱动器)。

重要规格:隔离和 CMTI

隔离栅极驱动器的关键参数之一是其隔离电压额定值。拥有正确的隔离额定值对于保护用户免受潜在有害电流放电的影响至关重要,因为它的目的是避免意外电压瞬变破坏连接到电源的其他电路。此外,该额定值可以保持转换器内的信号免受噪声或意外共模电压瞬变引起的干扰。

隔离度通常表示为隔离层能够承受的电压大小。在大多数数据表中,隔离电压都是以峰值隔离电压、工作隔离电压和RMS隔离电压等参数的形式引入的。

然而,由于电压和频率的增加,栅极驱动器面临着转换速率非常大的高幅度电压偏移。如果这些电压瞬变足够快,则传统隔离方法可能无法阻挡电压中的某些高频分量。共模瞬态隔离 (CMTI) 通过阻止这些高频电压分量耦合穿过隔离栅来保护电路。


图 2. 由于 CMTI 不足而导致通过驱动器的电荷耦合。图片由 Bodo’s Power Systems提供

随着总线电压和开关频率不断增加,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,产生电流环路并导致开关栅极处出现电荷。如果该电荷足够大,可能会导致栅极驱动器将此噪声误解为驱动信号,从而因击穿而导致严重的电路故障。图 2 显示了由于 CMTI 不足而导致电荷如何跨过隔离势垒耦合。

隔离栅极驱动器保护:米勒钳位和 DESAT 保护

穿过隔离栅的寄生耦合可能不是击穿的原因。来自开关节点的电压还可以经由晶体管本身内的寄生耦合耦合到晶体管的栅极。这种耦合通常通过 MOSFET 的等效寄生电容器(称为米勒电容器)发生。然而,米勒电容器在高频、高压开关过程中可能会导致严重的问题。

由于电容器固有的高通特性,高频电压通过米勒电容器耦合,绕过 MOSFET 栅极和沟道之间的隔离势垒。

这意味着电流流过栅极节点,为栅极充电并可能触发开关。如果发生这种情况,总线电压和 GND 之间会建立直接路径,导致直通电流和转换器效率损失。

 
图 3. 开关半桥瞬态跨导原理。图片由 Bodo’s Power Systems提供

有源米勒钳位是由比较器和附加 MOSFET 组成的低阻抗路径,当高侧 FET 导通时,该路径将低侧 FET 的栅极接地。此过程将通过米勒电容器的电流从栅极重定向到接地,从而减少栅极处的电荷并避免不必要的栅极驱动。图 3 显示了使用和不使用米勒钳位的开关半桥瞬态跨导原理。图3a显示了没有米勒钳位的原理,而图3b显示了有米勒钳位的原理。

栅极处的电荷积累还会导致其他问题,例如去饱和。去饱和是 MOSFET 不自觉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。由于功耗增加,不仅会导致系统效率下降,甚至可能导致开关损坏。为了避免这种情况,DESAT 保护电路会检测开关两端的电压,并在电压超过去饱和阈值时停止为栅极供电(参见图 4)。


图 4.  MOSFET 工作区域和去饱和保护原理图。图片由 Bodo ’s Power Systems提供

结论

WBG 半导体的引入带来了开关频率的提高,加上功率要求的提高,使得隔离成为功率转换器设计中的关键因素。高隔离度和 CMTI 额定值是确保连接到电源的用户和设备不会因意外电流泄漏而受到伤害的关键。去饱和保护和有源米勒钳位等保护功能可确保 MOSFET 安全运行。

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