通過柵極驅(qū)動器提高開關(guān)電源功率密度

作者：

Hubert Baierl，英飛凌科技市場總監(jiān)

校對：

柯春山 英飛凌科技高級主任工程師

像許多電子領(lǐng)域一樣，進(jìn)步持續(xù)發(fā)生。目前，在 3.3kW 開關(guān)電源 (SMPS)中，產(chǎn)品效率高達(dá) 98%，1U結(jié)構(gòu)尺寸，其功率密度可達(dá) 100 W/in3。這之所以可以實(shí)現(xiàn)是因?yàn)槲覀冊?圖騰柱 PFC 級中明智地選擇了超結(jié) (SJ) 功率 MOSFET（例如CoolMOS），碳化硅 (SiC) MOSFET（例如 CoolSiC），而且還采用了氮化鎵 (GaN) 功率開關(guān)（例如 CoolGaN）用于400V LLC 應(yīng)用。PFC 和 LLC 數(shù)字控制器是必不可少，正如采用平面磁性器件和先進(jìn)的柵極驅(qū)動器 IC（如EiceDRIVER）在實(shí)現(xiàn)高性能方面發(fā)揮著重要作用。

市場趨勢

經(jīng)久耐用的電氣隔離

在系統(tǒng)的兩個(gè)（或多個(gè)）部分之間必須進(jìn)行接地環(huán)路隔離時(shí)，就要采用電氣隔離。采用電氣隔離的主要原因有：

避免接地偏移（由電源開關(guān)的正常操作導(dǎo)致）影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

防止浪涌或脈沖損害系統(tǒng)的完整性。

保護(hù)人們免受有害電擊。

目前，德國 VDE 規(guī)范 DIN VDE V 0884-11:2017-01 (“VDE 0884-11”) 是電氣隔離柵極驅(qū)動器 IC 器件級標(biāo)準(zhǔn)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。

VDE 0884-11 是任何電氣隔離半導(dǎo)體產(chǎn)品（即，不管是光學(xué)隔離、磁性隔離還是電容隔離）的第一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不僅考慮了零時(shí)（即制造商測試產(chǎn)品時(shí)）的隔離柵特性。VDE 0884-11 還要求產(chǎn)品使用壽命為 20 年。為此，柵極驅(qū)動器 IC 要接受與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）壽命測試 tBD（擊穿時(shí)間），該測試的上限為 37.5 年（見表 1）。

而眾所周知的器件級隔離標(biāo)準(zhǔn)中（如 UL 1577、IEC 60747-5-5 或同時(shí)到期的 VDE 0884-10）沒有產(chǎn)品使用壽命的要求。

由于 VDE 0884-11 是德國標(biāo)準(zhǔn)，因此該標(biāo)準(zhǔn)已與在很大程度上類似的國際 IEC 60747-17 標(biāo)準(zhǔn)合并，IEC 60747-17 標(biāo)準(zhǔn)于 2020 年 9 月 20 日發(fā)布。

VDE 0884-11 標(biāo)準(zhǔn)中含有一個(gè)不容忽視且非常重要的聲明：

“只有在安全等級范圍內(nèi)才能保證安全的電氣隔離。應(yīng)通過適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路確保符合安全等級?！?/strong>

在人們需要防止觸電時(shí)，這句話尤為重要。

表 1.器件級隔離標(biāo)準(zhǔn)概述

設(shè)想一下半橋中最壞的情況：高邊 MOSFET 柵極-漏極短路，而低邊 MOSFET 導(dǎo)通。在這種電氣過載（“EOS”）情況下，我們可以觀察到有超過 600 A 的電流流向柵極驅(qū)動器 IC 輸出端。因此，為了保護(hù)柵極驅(qū)動器 IC 輸出端，我們?yōu)闁艠O電阻 (R1) 補(bǔ)充了抑制二極管 (D1)（見圖1）。抑制二極管為柵極驅(qū)動器輸出端提供了旁路，將電流引導(dǎo)至半橋中點(diǎn)。因此，我們只要選擇了合適的應(yīng)用設(shè)計(jì)，那么柵極驅(qū)動器 IC 從輸出端到輸入端的隔離功能就能保持不變。

圖1.EOS 測試裝置

除了要保持這種隔離功能外，采用模塑化合物覆蓋的裸露金屬通常不可見，即，必須保持封裝的完整性。

EOS 測試表明，柵極驅(qū)動器 IC 在 IC 輸入端嵌入隔離柵后（如英飛凌科技股份有限公司的 EiceDRIVER 2EDR 系列），即使沒有抑制二極管 D1，也能滿足這兩項(xiàng)要求。

多個(gè)進(jìn)步領(lǐng)域

UVLO 輸出級啟動時(shí)間較短

由于高邊柵極驅(qū)動器 IC的自舉電源是一種非常經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，因此該解決方案很常見。因此，高壓 LLC 中的半橋和全橋（典型值 400 V 直流總線電壓），或低壓 DCDC 轉(zhuǎn)換器（例如，48 V 至 12 V）初級側(cè)的硬開關(guān)全橋通常都帶有自舉電路。

柵極驅(qū)動器 IC UVLO 啟動時(shí)間較短，從多方面為自舉式設(shè)計(jì)提供了優(yōu)勢：

快速正常系統(tǒng)啟動。

欠壓保護(hù)后的 LLC 啟動時(shí)間較短，例如超過 200 ms，這通常等同于 10 個(gè)電源周期。

系統(tǒng)級保護(hù)激活后，重啟釋放時(shí)的 LLC 啟動時(shí)間較短。

在自舉電路升壓期間，由于高邊與低邊 PWM 操作不對稱，主電源變壓器不會出現(xiàn)飽和狀態(tài)。

當(dāng)在自舉高邊使用典型 UVLO 啟動時(shí)間為 2 μs 的雙通道電氣隔離柵極驅(qū)動器 IC時(shí)，在半橋可以開始工作之前，只會跳過四個(gè)高邊脈沖(前提是高邊 VDD 上升被視為典型值)。而類似的柵極驅(qū)動器 IC，其 UVLO 啟動時(shí)間為 10 μs 或更長，通常會跳過 10 個(gè)或更多高邊脈沖。這就大大延長了半橋工作的開始時(shí)間（圖 2）。

圖2. 最先進(jìn)的雙通道隔離柵極驅(qū)動器IC 的

UVLO 啟動時(shí)間比較

合適的 UVLO 關(guān)斷時(shí)間

在達(dá)到 UVLO 觸發(fā)的輸出級關(guān)斷時(shí)，其主要目標(biāo)是能足夠快地保護(hù)開關(guān)器件免受熱過載。

同時(shí)，如果只是間歇降至 UVLOoff 閾值以下，則不應(yīng)關(guān)斷開關(guān)級。

實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，500 ns 的關(guān)斷延遲是不錯(cuò)的選擇，這可以避免 VDD 上的噪聲或振鈴（例如由負(fù)載跳躍引起）引發(fā)意外的輸出級關(guān)斷。

有源輸出鉗位

輸出鉗位的目的是在柵極驅(qū)動器電源仍低于 UVLOon 閾值的同時(shí)確保輸出級安全關(guān)斷。這降低了半橋自舉啟動過程中的直通風(fēng)險(xiǎn)。

在電源電壓高于 UVLOon 閾值時(shí)，柵極驅(qū)動器 IC 預(yù)計(jì)會將控制輸入傳遞到輸出級，即輸出端不再鉗位，而是跟隨輸入端信號。

在自舉半橋級中，當(dāng)?shù)瓦吳袚Q為升壓電容充電時(shí)，由高邊開關(guān)的 CGD 和 CGS組成的容性分壓器會導(dǎo)致 VGS 超過其導(dǎo)通閾值。柵極驅(qū)動器 IC 輸出鉗位的目的在于避免 VGS 超過此導(dǎo)通閾值，并有效地使其短路。而如果輸出鉗位沒有發(fā)生，此時(shí)高邊開關(guān)與低邊開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，就會形成半橋直通。

先進(jìn)的柵極驅(qū)動器 IC 帶有輸出鉗位電路，電路會在低至 1.2 V 的 VDD 電平下激活，非常適合高邊開關(guān)的“教科書式”啟動（見圖 3）。

圖3.有源輸出鉗位比內(nèi)置 RC 鉗位的輸出級響應(yīng)更快。

與此相反，如果柵極驅(qū)動器 IC 帶有內(nèi)置慢速RC 鉗位電路，則在半橋的啟動期間會出現(xiàn)一定程度的直通，直到最終 VDD 值高到足以激活輸出鉗位電路為止。這并非理想情況，因?yàn)檫@會導(dǎo)致開關(guān)器件的電氣過載。

具有可配置死區(qū)時(shí)間的直通保護(hù)

在半橋中引入死區(qū)時(shí)間的目的在于，在開關(guān)關(guān)斷后、半橋另一側(cè)導(dǎo)通前，使開關(guān)尾電流衰減。否則，就可能發(fā)生直通事件。超結(jié)功率 MOSFET （例如英飛凌科技股份有限公司的 CoolMOS）的典型衰減時(shí)間在 300 ns 內(nèi)。

在正常工作的系統(tǒng)中，在控制器 IC 中運(yùn)行的軟件滿足這一死時(shí)間。這樣一來，控制器 IC 就可以管理該開關(guān)級的有效占空比。在確定軟件控制的死區(qū)時(shí)間時(shí)，控制器 IC 硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的實(shí)時(shí)性能都起到了作用。因此，基于軟件的有效死區(qū)時(shí)間通常不會小于 300 ns。但在大多數(shù)情況下，這一死區(qū)時(shí)間要長得多。

為了防止基于軟件的死區(qū)時(shí)間控制出現(xiàn)故障，柵極驅(qū)動器 IC 內(nèi)置的直通控制和死區(qū)時(shí)間控制可作為第二級安全機(jī)制來防止直通事件。

現(xiàn)代雙通道隔離柵極驅(qū)動器 IC 通過外部電阻實(shí)現(xiàn)了可配置的死區(qū)時(shí)間設(shè)置。死區(qū)時(shí)間從 10 ns 到 1000 ns 不等，選擇空間大。因此，這種柵極驅(qū)動器 IC 非常適用于各種功率開關(guān)技術(shù)，包括氮化鎵 (GaN) 功率開關(guān)。死區(qū)時(shí)間精度可達(dá) +/-15%。實(shí)際上，這通常比基于 IC 的死區(qū)時(shí)間控制的實(shí)際控制要精確得多。

封裝創(chuàng)新

雙通道電氣隔離柵極驅(qū)動器 IC，采用 150 mil 和 300 mil DSO 封裝，通常采用 14 引腳配置。在柵極驅(qū)動器 IC 級，傳統(tǒng)的 16 引腳配置與越來越流行的 14 引腳配置之間的區(qū)別在于，先前輸出端的“空”腳實(shí)際上已不存在（圖 4）。

這樣就能實(shí)現(xiàn)額外的 PCB 頂級布線。或者，由于由此產(chǎn)生的通道間爬電距離增加到了 3.4 mm（參考 IEC 60664-1，I 級污染），因此可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 1025 VRMS的通道間功能隔離電壓。

電氣隔離柵極驅(qū)動器 IC 的封裝尺寸非常重要，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)已可選用無引腳 4x4 mm2 封裝。相對于默認(rèn)的 5x5 mm2 封裝尺寸，4x4 mm2 柵極驅(qū)動器 IC 節(jié)省了 36% 的 PCB 面積。輸入輸出隔離額定值相當(dāng)于 VISO=2250 VRMS (UL 1577)。

大多數(shù)現(xiàn)代雙通道低邊柵極驅(qū)動器 IC 雖然帶有兩個(gè)輸入端，但這些輸入端通常與固定電位相連，這意味著輸入端實(shí)際上并未使用。那么，這種輸入端存在的原因是什么，尤其是當(dāng)想要實(shí)現(xiàn)高功率密度時(shí)？

圖4. 14 引腳與 16 引腳 DSO 封裝比較。

雙通道低邊柵極驅(qū)動器 IC 采用 6 引腳封裝（如有引腳 SOT-23，甚至像 TSNP 等無引腳超小型 1.1x1.5 mm2 6 引腳封裝），是非常實(shí)用且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案（圖 5）。這樣一來，柵極驅(qū)動器 IC 的所有優(yōu)勢都將得以體現(xiàn)，例如數(shù)字導(dǎo)通/關(guān)斷特性、界定的 UVLO、5 A 強(qiáng)輸出級、個(gè)位數(shù) ns 傳播延遲精度。同時(shí)，最大限度地降低了 PCB 面積占用，提高了 PCB 布局的靈活性。

圖5. 采用小尺寸封裝的雙通道低邊柵極驅(qū)動器 IC 示例

結(jié)論

柵極驅(qū)動器 IC 集成了電氣隔離，該功能已經(jīng)從認(rèn)證為僅在零時(shí)狀態(tài)下有效的產(chǎn)品特征發(fā)展成為規(guī)定產(chǎn)品工作壽命為 20 年的產(chǎn)品特性。借助適當(dāng)?shù)膽?yīng)用設(shè)計(jì)，隔離功能和封裝完整性即使在嚴(yán)重的電氣過載情況下，也絲毫不會受到影響。

縮短 UVLO 啟動時(shí)間加快了系統(tǒng)啟動速度，也避免了主電源變壓器出現(xiàn)飽和狀態(tài)。合適的 UVLO 關(guān)斷時(shí)間可防止開關(guān)器件出現(xiàn)熱過載，還有助于在 VDD 噪聲或振鈴情況下保證工作穩(wěn)健性。

雖然柵極驅(qū)動器電源仍低于 UVLOon 閾值，但有源輸出鉗位為柵極驅(qū)動器 IC 輸出端提供了一條低阻抗接地路徑。這種最通用的方法可以避免在自舉啟動過程中出現(xiàn)半橋級擊穿事件。

柵極驅(qū)動器 IC 硬件內(nèi)置可配置擊穿保護(hù)和死區(qū)時(shí)間控制，這些功能是重要的二級安全機(jī)制。封裝創(chuàng)新移除了未使用的引腳（以前稱為“空”腳），而且封裝尺寸也越來越小。

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下載建議：應(yīng)用說明——隔離柵極驅(qū)動解決方案參考文獻(xiàn)

Hubert Baierl，“EiceDRIVER解決電源中的接地偏移問題”，Elektronicnet.com，2018 年。

Hubert Baierl，“開關(guān)電源設(shè)計(jì)不再面臨接地偏移挑戰(zhàn)”，Power Electronic News，2018 年 5 月

Hubert Baierl，“智能診斷優(yōu)化工廠車間正常運(yùn)行時(shí)間”，EE Times Europe，2013 年 5 月

Hubert Baierl，“提供智能化保護(hù)”，Bodo Power Systems，2011 年 5 月

作者簡介

Baierl 先生是英飛凌科技股份有限公司 EiceDRIVER 柵極驅(qū)動器 IC 和 ISOFACE產(chǎn)品的產(chǎn)品營銷負(fù)責(zé)人。由其提供技術(shù)支持的柵極驅(qū)動器 IC 主要應(yīng)用于超結(jié) MOSFET CoolMOS、CoolSiC碳化硅 MOSFET、CoolGaN GaN HEMT 以及中低壓 OptiMOS 開關(guān)應(yīng)用。Baierl 先生持有美國路易斯安那州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位及德國奧格斯堡大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。