使用隔離式柵極驅(qū)動器的設(shè)計指南（一）

本設(shè)計指南分為三部分，將講解如何為電力電子應(yīng)用中的功率開關(guān)器件選用合適的隔離柵極驅(qū)動器，并介紹實戰(zhàn)經(jīng)驗。本文為第一部分，主要包括隔離式柵極驅(qū)動器的介紹和選型指南。

安森美(onsemi)的隔離柵極驅(qū)動器針對SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等技術(shù)所需的最高開關(guān)速度和系統(tǒng)尺寸限制而設(shè)計，為 MOSFET 提供可靠控制。電力電子行業(yè)的許多設(shè)計人員對于在諸多類型的電力電子應(yīng)用中使用Si MOSFET、SiC和GaN MOSFET 具有豐富的經(jīng)驗，堪稱專家級用戶。系統(tǒng)制造商對提高設(shè)計的能效越來越感興趣。為了取得市場領(lǐng)先的地位，高能效和低成本的結(jié)合至關(guān)重要。從半導(dǎo)體材料的角度來看，該領(lǐng)域已經(jīng)取得了長足的進步，現(xiàn)在有一些產(chǎn)品能夠高速開關(guān)，從而提高系統(tǒng)級效率，同時減小尺寸。

柵極驅(qū)動器——是什么、為何使用以及如何做？

功率 MOSFET 是一種電壓控制型器件，可用作電源電路、電機驅(qū)動器和其他系統(tǒng)中的開關(guān)元件。柵極是每個器件的電氣隔離控制端。MOSFET 的其他端子是源極和漏極。

為了操作 MOSFET，通常須將一個電壓施加于柵極（相對于源極或發(fā)射極）。使用專用驅(qū)動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。

柵極驅(qū)動器用于導(dǎo)通和關(guān)斷功率器件。為此，柵極驅(qū)動器對功率器件的柵極充電，使其達到最終的導(dǎo)通電壓 VGS(ON)，或者驅(qū)動電路使柵極放電到最終的關(guān)斷電壓 VGS(OFF)。為了實現(xiàn)兩個柵極電壓電平之間的轉(zhuǎn)換，柵極驅(qū)動器、柵極電阻和功率器件之間的環(huán)路中會產(chǎn)生一些功耗。

如今，用于中低功率應(yīng)用的高頻轉(zhuǎn)換器主要利用柵極電壓控制器件，如MOSFET。

對于高功率應(yīng)用，當今使用的最佳器件是碳化硅 (SiC) MOSFET，快速導(dǎo)通/關(guān)斷這種功率開關(guān)需要更高的驅(qū)動電流。柵極驅(qū)動器不僅適用于 MOSFET，而且適用于寬禁帶中目前只有少數(shù)人知道的新型器件，如碳化硅 (SiC) FET和氮化鎵 (GaN) FET。

它是一種功率放大器，可以接受控制器 IC 的功率輸入，并產(chǎn)生適當?shù)拇箅娏饕则?qū)動功率開關(guān)器件的柵極。

以下簡要總結(jié)了使用柵極驅(qū)動器的原因：

柵極驅(qū)動阻抗

柵極驅(qū)動器的功能是導(dǎo)通和關(guān)斷功率器件（通常很快）以減少損耗。為了避免米勒效應(yīng)或在某些負載下的慢速開關(guān)所導(dǎo)致的交叉導(dǎo)通損耗，驅(qū)動器必須以比相對晶體管上的導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動更低的阻抗建立關(guān)斷狀態(tài)。負柵極驅(qū)動裕量對于減少這些損耗起著重要作用。

源極電感

這是柵極驅(qū)動器電流環(huán)路和輸出電流環(huán)路共享的電感。負柵極驅(qū)動電壓裕量與源極引線電感相結(jié)合，會對負載下輸出的開關(guān)速度產(chǎn)生直接影響，這是源極電感的源極退化效應(yīng)（源極引線電感將輸出開關(guān)電流耦合回柵極驅(qū)動，從而減緩柵極驅(qū)動）造成的。

柵極驅(qū)動器在功率 MOSFET 的柵極 (G) 和源極 (S) 之間施加電壓信號 (VGS)，同時提供一個大電流脈沖，如圖 1 所示。

使 CGS、CGD 快速充電/放電

快速導(dǎo)通/關(guān)斷功率 MOSFET

為何使用電流隔離？

高功率應(yīng)用需要電流隔離以防止觸發(fā)危險的接地環(huán)路，否則可能導(dǎo)致噪聲，使得兩個電路的接地處于不同的電位，進而損害系統(tǒng)的安全性。此類系統(tǒng)中的電流對人類可能致命，因此必須確保最高水平的安全性。電氣或電流隔離是指處于不同電位的兩個點之間未發(fā)生直流循環(huán)的狀態(tài)。

更確切地說，在電流隔離狀態(tài)下，無法將載流子從一個點移至另一點，但電能（或信號）仍然可以通過其他物理現(xiàn)象（如電磁感應(yīng)、容性耦合或光）交換。這種情況等效于兩個點之間的電阻無限大；在實踐中，達到大約 100 MΩ 的電阻就足夠了。如果損壞僅限于電子元器件，則安全隔離可能是不必要的，但如果控制側(cè)涉及到人的活動，那么高功率側(cè)和低電壓控制電路之間需要電流隔離。它能防范高壓側(cè)的任何故障，因為即使有元器件損壞或失效，隔離柵也會阻止電力到達用戶。為防止觸電危險，隔離是監(jiān)管機構(gòu)和安全認證機構(gòu)的強制要求。以下是關(guān)于使用原因和許多功率應(yīng)用中的電流隔離方法的總結(jié)。

防范并安全地承受高壓浪涌，避免損壞設(shè)備或危害人類。

保護昂貴的控制器 - 智能系統(tǒng)

在具有高能量或長距離分離的電路中，耐受較大的電位差和破壞性接地環(huán)路

與高壓高性能解決方案中的高壓側(cè)元器件可靠地通信

隔離式柵極驅(qū)動器選型指南

下面說明如何進行隔離式柵極驅(qū)動器選型。例如，對于工作電壓較低的系統(tǒng)，只要控制器的承受電壓在允許范圍內(nèi)，開關(guān)器件便可直接連接到控制器。但是，柵極驅(qū)動器是大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換器中的常見元件。由于控制電路以低壓工作，因此控制器無法提供足夠的功率來快速安全地斷開或閉合功率開關(guān)。因此，將控制器的信號發(fā)送到柵極驅(qū)動器，柵極驅(qū)動器能夠承受更高的功率，并可以根據(jù)需要驅(qū)動 MOSFET 的柵極。在高功率或高壓應(yīng)用中，電路中的元件會承受較大電壓偏移和高電流。如果電流從功率 MOSFET 泄漏到控制電路，功率轉(zhuǎn)換電路中的高電壓和電流很容易燒毀晶體管，導(dǎo)致控制電路嚴重崩潰。此外，高功率應(yīng)用的輸入和輸出之間必須具有電流隔離以保護用戶和任何其他器件。

柵極驅(qū)動電壓范圍

轉(zhuǎn)換器的工作電壓取決于開關(guān)元件（如 Si MOSFET 或 SiC MOSFET）的規(guī)格。必須確認，轉(zhuǎn)換器輸出電壓不超過開關(guān)元件柵極電壓的最大值。

柵極驅(qū)動器的正電壓應(yīng)足夠高，以確保門柵極完全導(dǎo)通。還需要確保驅(qū)動電壓不超過絕對最大柵極電壓。Si-MOSFET通常使用+12V的驅(qū)動電壓，+15V通常用于驅(qū)動SiC，GaN的柵極電壓為+5V。0-V 的柵極電壓可以使所有器件處于關(guān)斷狀態(tài)。一般而言，MOSFET 不需要負偏置柵極驅(qū)動，SiC和GaN MOSFET有時會使用這種柵極驅(qū)動。在開關(guān)應(yīng)用中，強烈建議對 SiC 和 GaN MOSFET 使用負偏壓柵極驅(qū)動，因為在高di/dt和dv/dt開關(guān)期間，非理想 PCB 布局引入的寄生電感可能會導(dǎo)致功率晶體管的柵源驅(qū)動電壓發(fā)生振鈴。以下是每種開關(guān)器件的適用柵極驅(qū)動電壓。

隔離能力

此能力由系統(tǒng)的工作電壓決定。系統(tǒng)工作電壓與隔離能力成正比。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。隔離額定值旨在避免意外電壓瞬變破壞與電源相連的其他電路，因此擁有正確的隔離額定值是保護用戶免受潛在有害電流放電影響的關(guān)鍵。另外，此額定值可以讓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的信號免受噪聲或意外共模電壓瞬變的干擾。隔離值通常表示為隔離層可以承受的電壓量。在大部分隔離式柵極驅(qū)動器數(shù)據(jù)表中，隔離電壓是以最大重復(fù)峰值隔離電壓 (VIORM)、工作隔離電壓 (VIOWM)、最大瞬變隔離電壓 (VIOTM)、最大浪涌隔離電壓 (VIOSM)、RMS 隔離電壓 (VISO) 之類參數(shù)列出。系統(tǒng)工作電壓越高，所需的轉(zhuǎn)換器隔離能力越高。

安森美的隔離式柵極驅(qū)動器在 MPS 測試儀（型號 MSPS-20）上進行生產(chǎn)測試。

隔離電容

隔離電容是轉(zhuǎn)換器輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的寄生電容。通過以下公式可知，隔離電容與漏電流成正比。

功率損耗與漏電流成正比。如果系統(tǒng)需要在高工作頻率和高電壓下運行，我們需要更加注意轉(zhuǎn)換器隔離電容的大小，避免溫度上升過高。

共模瞬變抗擾度 (CMTI)

共模瞬變抗擾度 (CMTI) 是與隔離式柵極驅(qū)動器相關(guān)的主要特性之一，尤其是當系統(tǒng)以高開關(guān)頻率運行時。這一點很重要，因為高擺率（高頻）瞬變可能會破壞跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸。隔離柵兩端（即隔離接地層之間）的電容為這些快速瞬變跨過隔離柵并破壞輸出波形提供了路徑。此特性參數(shù)的單位通常為 kV/uS。

如果 CMTI 不夠高，則高功率噪聲可能會耦合跨過隔離式柵極驅(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)柵極處。此電荷如果足夠大，可能會導(dǎo)致柵極驅(qū)動器將此噪聲誤解為驅(qū)動信號，這種直通會造成嚴重的電路故障。

電流驅(qū)動能力考量

短時間內(nèi)能夠提供/吸收的柵極電流越高，柵極驅(qū)動器的開關(guān)時間就越短，受驅(qū)動的晶體管內(nèi)的開關(guān)功率損耗就越低。

峰值拉電流和灌電流（ISOURCE和 ISINK）應(yīng)高于平均電流 (IG, AV)，如圖 3 所示。

對于每個驅(qū)動器電流額定值，在所示時間內(nèi)可以切換的最大柵極電荷 QG近似值可以計算如下：所需的驅(qū)動器電流額定值取決于在多少開關(guān)時間 tSW?ON/OFF內(nèi)必須移動多少柵極電荷 QG，因為開關(guān)期間的平均柵極電流為 IG。

柵極驅(qū)動器峰值拉電流和灌電流近似值可以使用下面的公式計算。

柵極電阻考量

確定柵極電阻的大小時，應(yīng)考慮降低寄生電感和電容造成的振鈴電壓。但是，它會限制柵極驅(qū)動器輸出的電流能力。導(dǎo)通和關(guān)斷柵極電阻引起的受限電流能力值可以使用下面的公式獲得。

其中：ISOURCE：峰值拉電流，ISINK：峰值灌電流，VOH：高電平輸出壓降，VOL：低電平輸出壓降

安森美的隔離式柵極驅(qū)動器

安森美提供各種基于集成磁耦合無芯變壓器的隔離式柵極驅(qū)動器，適合開關(guān)速度非常高并存在系統(tǒng)尺寸限制的應(yīng)用，并且能夠可靠地控制 Si MOSFET 和 SiC FET。

我們提供經(jīng)UL 1577、SGS FIMKO IEC 62368-1和CQC GB 4943.1認證的功能性和增強型隔離產(chǎn)品。我們的隔離式柵極驅(qū)動器既有工業(yè)用產(chǎn)品，也有通過汽車應(yīng)用認證的產(chǎn)品。

這些隔離式柵極驅(qū)動器集成了多種特性，可承受高 CMTI 電平，具備多種 UVLO 選擇，并提供快速傳播延遲（包括較短延遲不匹配）和最短脈沖寬度失真。

特別是，安森美即將推出的新品將提供一種在柵極驅(qū)動環(huán)路中產(chǎn)生負偏壓的簡單方法，適合驅(qū)動SiC MOSFET。如果 PCB 布局和/或封裝引線在功率晶體管 Vg 中產(chǎn)生高振鈴，這種負偏壓將非常有用。這種柵極電壓振鈴一般發(fā)生在高 di/dt 和 dv/dt 開關(guān)條件下。為使振鈴低于閾值電壓以防止雜散導(dǎo)通，一般會在柵極驅(qū)動器上施加負偏壓。此外還可以提供不同的選項，可生成-2V、 -3V、 -4V 和 -5V 電壓以適應(yīng)所有配置。安森美的隔離式柵極驅(qū)動器提供多種封裝選項，包括小型 LGA和SOIC 8 引腳至16引腳變體。

以下是安森美隔離式柵極驅(qū)動器系列的主要特性、電氣規(guī)格和安全相關(guān)認證。

表 1.

* 正在開發(fā)

** 選配，按需提供

*** 已規(guī)劃

隔離式柵極驅(qū)動器支持工具

安森美主頁上提供了電流隔離式柵極驅(qū)動器的所有相關(guān)文檔，包括數(shù)據(jù)表、設(shè)計和開發(fā)工具、仿真模型、應(yīng)用筆記、評估板文檔、遵從性報告等。

主要相關(guān)驅(qū)動器包括：

NCP51560

NCP51561 和 NCV51561

NCP51563 和 NCV51563

文章來源：安森美

審核編輯 黃宇