柵極驅(qū)動(dòng)器 — 功率器件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié):第 3 部分
其他柵極驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換器考慮因素
本文引用地址:http://www.ekcard.cn/article/202506/471583.htm柵極驅(qū)動(dòng)器 DC-DC 轉(zhuǎn)換器還有其他獨(dú)特的問題。其中包括:
1) 調(diào)節(jié):當(dāng)器件不切換時(shí),DC-DC 轉(zhuǎn)換器上的負(fù)載接近于零。然而,大多數(shù)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器始終要求最小負(fù)載;否則,它們的輸出電壓會(huì)急劇增加,可能達(dá)到柵極擊穿水平。
發(fā)生的情況是,這個(gè)高電壓存儲(chǔ)在大容量電容器上,因此當(dāng)器件開始切換時(shí),它可能會(huì)出現(xiàn)柵極過壓,直到轉(zhuǎn)換器電平下降到正常負(fù)載下。因此,應(yīng)使用具有箝位輸出電壓或極低最小負(fù)載要求的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。
2) 啟動(dòng)和關(guān)斷:重要的是,在驅(qū)動(dòng)電路電壓軌達(dá)到指定值之前,IGBT 和 MOSFET 不要由 PWM 控制信號(hào)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)。然而,當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器上電或斷電時(shí),可能存在瞬態(tài)條件,即使 PWM 信號(hào)處于非活動(dòng)狀態(tài),也可以驅(qū)動(dòng)器件,從而導(dǎo)致?lián)舸┖蛽p壞。因此,DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出在上電和斷電時(shí)應(yīng)表現(xiàn)良好,具有單調(diào)上升和下降,如圖1所示。
圖 1.DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出在上電和斷電序列期間表現(xiàn)良好且沒有電壓瞬變至關(guān)重要。(圖片:Murata Power Solutions))
3) 隔離和耦合電容:在高功率下,功率逆變器或轉(zhuǎn)換器通常使用橋式配置來產(chǎn)生線路頻率交流電或?yàn)殡姍C(jī)、變壓器或其他負(fù)載提供雙向 PWM 驅(qū)動(dòng)。為了用戶安全和滿足監(jiān)管要求,高側(cè)開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng) PWM 信號(hào)和相關(guān)驅(qū)動(dòng)電源軌需要與地進(jìn)行電流隔離,它們之間沒有歐姆路徑。此外,隔離柵必須堅(jiān)固,并且在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)不會(huì)因重復(fù)的局部放電效應(yīng)而出現(xiàn)顯著退化。
此外,由于隔離柵上的電容耦合也存在問題,這類似于完全絕緣的交流線路變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組之間的泄漏電流。這導(dǎo)致要求驅(qū)動(dòng)電路和相關(guān)電源軌應(yīng)不受開關(guān)節(jié)點(diǎn)的高 dV/dt 的影響,并且具有非常低的耦合電容。
這個(gè)問題的機(jī)制是由于非??斓拈_關(guān)邊沿,通常為每微秒 10 kV/μsec,對(duì)于最新的 GaN 器件,甚至高達(dá) 100 kV/μsec。這種快速轉(zhuǎn)換 dV/dt 會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)電流流過 DC-DC 轉(zhuǎn)換器隔離柵的電容。
由于電流 I = C × (dV/dt),即使是僅 20 皮法 (pF) 的小勢(shì)壘電容和 10 kV/μs 的開關(guān),也會(huì)產(chǎn)生 200 mA 的電流。該電流通過控制器電路找到一條不確定的返回路徑返回電橋,導(dǎo)致連接電阻和電感之間出現(xiàn)電壓尖峰,這有可能破壞控制器甚至 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行。因此,低耦合電容是非常理想的。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器的基本隔離和相關(guān)絕緣還有另一個(gè)方面。隔離柵旨在持續(xù)承受額定電壓,但由于電壓是開關(guān)的,因此隔離柵可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而更快地退化。這是由于阻擋材料中的電化學(xué)和局部放電效應(yīng),而這些效應(yīng)完全是由于固定直流電壓而發(fā)生的。
因此,DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須具有堅(jiān)固的絕緣以及較大的爬電距離和間隙最小距離。如果轉(zhuǎn)換器安全柵也是安全隔離系統(tǒng)的一部分,則相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求適用于所需的隔離級(jí)別(基本、補(bǔ)充或加強(qiáng))、工作電壓、污染程度、過電壓類別和海拔高度。
由于這些原因,只有具有合適設(shè)計(jì)和材料的柵極驅(qū)動(dòng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器才能獲得或正在等待 UL60950-1 的各種基本和增強(qiáng)保護(hù)級(jí)別(通常相當(dāng)于 EN 62477-1:2012 中的保護(hù)級(jí)別)的認(rèn)可。醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn) ANSI/AAMI ES60601-1 也已獲得更嚴(yán)格的認(rèn)可,其中包括 1 × 種患者保護(hù)手段 (MOPP) 和 2 種×作者保護(hù)手段 (MOOP) 要求。
4) 共模瞬態(tài)抗擾度:CMTI 是較高開關(guān)頻率下的重要柵極驅(qū)動(dòng)器參數(shù),其中柵極驅(qū)動(dòng)器在兩個(gè)單獨(dú)的接地參考之間具有差分電壓,隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器就是這種情況。CMTI 定義為施加在兩個(gè)隔離電路之間的共模電壓的最大可容忍上升或下降速率,以 kV/μsec 或伏特/納秒 (V/nsec) 為單位。
具有高 CMTI 意味著當(dāng)信號(hào)具有非常高的上升 (正) 或下降 (負(fù)) 轉(zhuǎn)換速率時(shí),隔離式布置的兩側(cè)(發(fā)射側(cè)和接收側(cè))會(huì)超過數(shù)據(jù)表的規(guī)格。DC-DC 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表應(yīng)具有該參數(shù)的規(guī)格值,設(shè)計(jì)人員需要將其與其電路的工作頻率和電壓的具體情況相匹配。
總結(jié)
為開關(guān)電源設(shè)計(jì)選擇合適的 MOSFET 或 IGBT 器件是設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵步驟,但它只是整個(gè)信號(hào)鏈的一部分。還有相關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器,它控制開關(guān)器件,快速、清晰地在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間切換。反過來,驅(qū)動(dòng)器本身需要一個(gè)合適的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來提供其工作電源。各種供應(yīng)商都提供具有必要電氣性能的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,這些轉(zhuǎn)換器也滿足為此功能規(guī)定的許多復(fù)雜的安全和監(jiān)管要求。
評(píng)論