電隔離柵極驅(qū)動器選型指南

電隔離式（GI）柵極驅(qū)動器在優(yōu)化碳化硅（SiC）MOSFET性能方面扮演著至關(guān)重要的角色，特別是在應(yīng)對電氣化系統(tǒng)日益增長的需求時。隨著全球?qū)﹄娏υ?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)、交通和消費(fèi)產(chǎn)品中依賴性的加深，SiC技術(shù)憑借其提升效率和縮小系統(tǒng)體積的能力脫穎而出。本文為第一篇，將分享MOSFET、柵極驅(qū)動器及電隔離柵極驅(qū)動器的基礎(chǔ)知識，還將介紹電隔離柵極驅(qū)動器選型指南。

隨著我們的世界日益電氣化，用于運(yùn)行各類設(shè)備和系統(tǒng)的電力需求持續(xù)增長。例如，在汽車行業(yè)中，我們可以看到越來越多的電氣系統(tǒng)被嵌入到汽車中，以確保安全并為用戶提供便利。從完全或部分（混合）依賴內(nèi)燃機(jī)汽車到純電動汽車，甚至燃料電池汽車的廣泛過渡，進(jìn)一步放大了這一趨勢。

為了滿足越來越多的設(shè)備供電需求以及提供更大的總體電力，電氣系統(tǒng)正朝著更高的工作電壓和頻率方向發(fā)展。這一轉(zhuǎn)變旨在提升效率、加快充電速度，同時最大限度地減少導(dǎo)體和其他系統(tǒng)元器件的尺寸和重量。

這一轉(zhuǎn)變的許多方面可以通過采用SiC器件得以更好的實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的硅（Si）器件相比，SiC器件更能承受更高的功率和溫度。

然而，SiC MOSFET 在沒有柵極驅(qū)動器的情況下無法正常工作。因此，將每個功率開關(guān)（GaN、MOSFET 和 IGBT）與電隔離式柵極驅(qū)動器配合使用會更為有效。電隔離式柵極驅(qū)動器具有對優(yōu)化 SiC MOSFET 器件性能至關(guān)重要的特性。在優(yōu)化性能方面，電隔離式柵極驅(qū)動器有助于通過高效開關(guān)減少能量損耗。安森美（onsemi）的最新器件通過內(nèi)置的負(fù)偏置減少了外部元件，從而節(jié)省了成本。

了解柵極驅(qū)動器

柵極驅(qū)動器是一種功率放大器，它接收來自控制器IC的低功率輸入信號，并生成適用于功率開關(guān)器件（如MOSFET或IGBT）的適當(dāng)?shù)拇箅娏鳀艠O驅(qū)動信號。

SiC 和 Si 功率 MOSFET是電壓控制器件，在電源電路、電機(jī)驅(qū)動等系統(tǒng)中用作開關(guān)元件。柵極是一個由柵極電容構(gòu)成的電隔離控制端子，每次MOSFET導(dǎo)通或關(guān)斷時，該電容必須充放電。而且，這個柵極電容不能瞬間改變其電壓，從而導(dǎo)致開關(guān)損耗。MOSFET的其他兩個端子分別是源極和漏極。

柵極驅(qū)動：SiC導(dǎo)通

一般來說，SiC器件的導(dǎo)通過程可以分解為以下四個不同的時間狀態(tài)，如下面圖1所示：

時間狀態(tài)1：柵極驅(qū)動器將柵極至源極電壓（VGS）從0 V增加到柵極至源極閾值電壓（VGS(TH)）。在此期間，柵極驅(qū)動電流（IG）會瞬時達(dá)到峰值。漏極至源極電壓（VDS）不變。此時，漏極電流（ID）沒有流動。

時間狀態(tài)2：柵極驅(qū)動器繼續(xù)將柵極至源極電壓（VGS）提升至米勒平臺區(qū)。柵極驅(qū)動電流（IG）降低。漏極至源極電壓（VDS）仍然保持不變。此時，漏極電流（ID）開始增加。

時間狀態(tài)3：柵極驅(qū)動器維持柵極至源極電壓（VGS）在米勒平臺區(qū)內(nèi)。柵極驅(qū)動電流（IG）趨于平穩(wěn)。漏極至源極電壓（VDS）開始下降。此時，漏極電流（ID）達(dá)到最大值。

時間狀態(tài)4：柵極驅(qū)動器將柵極至源極電壓（VGS）提升到最大值，通常是18 V。此時，柵極驅(qū)動電流（IG）降為0 A。漏極至源極電壓（VDS）繼續(xù)保持在較低水平。此時，漏極電流（ID）達(dá)到最大值。同時，導(dǎo)通電阻（RDSON）處于最低水平。

圖 1. SiC導(dǎo)通

柵極驅(qū)動：碳化硅關(guān)斷

同樣地，SiC器件的關(guān)斷過程也可以分解為以下四個不同的時間狀態(tài)，如下面圖2所示：

時間狀態(tài)1：柵極驅(qū)動器將柵極至源極電壓（VGS）從18 V降低到米勒平臺區(qū)。柵極驅(qū)動電流（IG）瞬時達(dá)到峰值。漏極至源極電壓（VDS）仍然保持在較低水平。此時，漏極電流（ID）仍在流動。

時間狀態(tài)2：柵極驅(qū)動器維持柵極至源極電壓（VGS）在米勒平臺區(qū)內(nèi)。柵極驅(qū)動電流（IG）趨于平穩(wěn)。漏極至源極電壓（VDS）開始上升。此時，漏極電流（ID）繼續(xù)流動。

時間狀態(tài)3：柵極驅(qū)動器將柵極至源極電壓（VGS）降低到柵極至源極閾值電壓（VGS(TH)）。柵極驅(qū)動電流（IG）降低。漏極至源極電壓（VDS）現(xiàn)在很高。此時，漏極電流（ID）減少。

時間狀態(tài)4：柵極驅(qū)動器將柵極至源極電壓（VGS）降至最小值，通常是0 V，或者更低至-5 V。此時，柵極驅(qū)動電流（IG）降為0 A。漏極至源極電壓（VDS）保持高位。此時，漏極電流（ID）為0 A。同時，導(dǎo)通電阻（RDSON）達(dá)到最大值。

圖 2. SiC關(guān)斷

隔離的重要性

隨著電動汽車電池電壓已升至 800 V 或更高，電隔離 柵極驅(qū)動器的重要性日益凸顯。電隔離 柵極驅(qū)動器的特點(diǎn)是在初級側(cè)（連接低壓系統(tǒng)）和次級側(cè)（連接功率級）之間具有隔離結(jié)構(gòu)。這樣，低壓系統(tǒng)就能安全地承受高壓浪涌，防止損壞設(shè)備或?qū)θ梭w造成傷害。此外，電隔離還能為非常大的電位差提供保護(hù)。因此，電隔離 柵極驅(qū)動器比普通柵極驅(qū)動器更適合驅(qū)動 SiC MOSFET。

圖3. 非隔離與隔離對比

高頻碳化硅系統(tǒng)中的電隔離驅(qū)動器

在部署高頻 SiC 系統(tǒng)時，電隔離（GI）尤為重要。除了在高頻運(yùn)行期間提供電壓浪涌保護(hù)外，電隔離柵極驅(qū)動器還能在低壓和高壓系統(tǒng)區(qū)域之間的物理隔離結(jié)構(gòu)中保護(hù)控制器 IC 等智能且昂貴的低壓系統(tǒng)。

電隔離還能確保設(shè)備能夠承受較大的地電位差，并降低高能量或相隔距離較遠(yuǎn)的電路中出現(xiàn)破壞性接地回路的風(fēng)險。

寄生導(dǎo)通

由于 di/dt 非常高，當(dāng)柵極驅(qū)動器達(dá)到最小柵-源電壓時，可能會出現(xiàn)過度振鈴。此外，PCB 布局和元件封裝還會增加寄生電容和電感，從而在關(guān)斷過程中產(chǎn)生電感反沖。這些電感反沖可能意外地觸發(fā)閾值電壓（Vgs(Th)），從而在本應(yīng)關(guān)斷期間導(dǎo)致意外的導(dǎo)通，這可能引發(fā)災(zāi)難性后果。

例如，在半橋應(yīng)用中考慮以下情況：當(dāng)?shù)蛪簜?cè)開關(guān)正在關(guān)斷而高壓側(cè)開關(guān)正準(zhǔn)備開啟時，低壓側(cè)開關(guān)可能會因電感反沖（inductive kick）而意外開啟（VGS(TH)被觸發(fā)）。這會導(dǎo)致高壓側(cè)與低壓側(cè)開關(guān)同時導(dǎo)通（shoot-through直通電流），進(jìn)而可能導(dǎo)致高壓電源軌與地直接短路，從而損壞 MOSFET。解決這一問題的一個非常有效的方法是，在關(guān)斷時將電壓擺動至 0 V 以下，降至 -3 V 或甚至 -5 V，這樣就為防止因意外電感反沖觸發(fā)VGS(TH)提供了足夠的裕量或裕度。

EOFF損耗減少 25%

在下圖4中，x軸表示從0V到-5V的負(fù)偏置關(guān)斷電壓，而y軸則表示開關(guān)損耗（微焦耳，μJ）。這展示了負(fù)偏置關(guān)斷帶來的第二個優(yōu)勢，即顯著降低了EOFF開關(guān)損耗。實(shí)際上，當(dāng)驅(qū)動安森美第二代"M3S"系列SiC MOSFET（專為高頻開關(guān)應(yīng)用設(shè)計）時，將關(guān)斷電壓從0V降低到-3V，開關(guān)損耗可降低多達(dá) 100 μJ。具體來說，關(guān)斷損耗從 0 V 時的 350 μJ 降低到 -3 V負(fù)偏置關(guān)斷時的 250 μJ，關(guān)斷損耗降低了 25%。

圖4. 負(fù)柵極偏置

電隔離柵極驅(qū)動器選型指南

在為您的應(yīng)用評估電隔離柵極驅(qū)動器時，需要考慮以下幾個因素。

低壓和高壓系統(tǒng)通用選型指南

在工作電壓較低的系統(tǒng)中，只要控制器的耐壓在允許范圍內(nèi)，開關(guān)元件就可以直接連接到控制器。然而，有許多系統(tǒng)既包括高壓區(qū)，也包括低壓區(qū)。需要將高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電、交流電轉(zhuǎn)換為直流電等。在電力轉(zhuǎn)換中應(yīng)用了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如半橋、全橋、升壓（boost）和降壓（buck）等。我們將用于電力轉(zhuǎn)換的功能模塊稱為 "轉(zhuǎn)換器"，柵極驅(qū)動器是大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換器中的常見元件。由于控制電路在低電壓下工作，控制器無法提供足夠的功率來快速、安全地打開或關(guān)閉功率開關(guān)。因此，控制器發(fā)出的信號被傳送到柵極驅(qū)動器，柵極驅(qū)動器能承受更高的功率，并能根據(jù)需要驅(qū)動 MOSFET 的柵極。

在大功率或高電壓應(yīng)用中工作時，電路中的元件會受到大電壓偏移和大電流的影響。如果功率 MOSFET 向控制電路泄漏電流，電力轉(zhuǎn)換電路中涉及的高電壓和大電流很容易燒毀晶體管，導(dǎo)致控制電路嚴(yán)重?fù)舸Ｒ虼?，在大功率?yīng)用中，柵極驅(qū)動器的輸入和輸出之間必須實(shí)現(xiàn)電隔離，以保護(hù)用戶和任何其他連接設(shè)備。

SiC、Si 和 GaN MOSFET 的柵極驅(qū)動電壓范圍

在 SiC、Si 和 GaN MOSFET 的柵極驅(qū)動電壓范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換器的工作電壓由開關(guān)元件的規(guī)格決定，因此必須確認(rèn)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不會超過開關(guān)元件柵極電壓的最大值。

柵極驅(qū)動的正電壓應(yīng)當(dāng)足夠高，以確保柵極被完全導(dǎo)通。同時，驅(qū)動電壓不應(yīng)超過絕對最大柵極電壓。驅(qū)動 Si MOSFET 通常需要 12 V 或更高的電壓，而驅(qū)動 SiC MOSFET 則需要 15 V 或更高的電壓，驅(qū)動 GaN FET 至少需要 5 V。

當(dāng)柵極電壓為0V時，它可以滿足所有器件的關(guān)斷條件。通常，硅 MOSFET 不需要負(fù)偏置柵極驅(qū)動，但 SiC 和 GaN MOSFET 器件有時會使用負(fù)偏置柵極驅(qū)動。強(qiáng)烈建議在開關(guān)應(yīng)用中使用 SiC 和 GaN MOSFET 的負(fù)偏置柵極驅(qū)動，因為在高di/dt（電流變化率）和dv/dt（電壓變化率）的開關(guān)過程中，由于PCB布局和元件封裝引入的寄生電感和電容，功率晶體管的柵源驅(qū)動電壓可能會出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。

下表列出了每種開關(guān)器件適用的柵極驅(qū)動電壓。

柵極驅(qū)動電壓范圍

未完待續(xù)，下篇將分享完整版白皮書，敬請期待。