基于DC/DC 轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動(dòng)器電源方案
出處:Digi-Key 發(fā)布于:2022-07-26 16:41:00
顧名思義,柵極驅(qū)動(dòng)器的作用是驅(qū)動(dòng)電源裝置的柵極,使其快速利落地進(jìn)入或退出導(dǎo)通模式。要做到這一點(diǎn),不論內(nèi)部器件和雜散(寄生)電容、電感以及負(fù)載(柵極)端的其他問題如何,驅(qū)動(dòng)器都要有能力拉出/灌入足夠的電流。因此,提供適當(dāng)尺寸且具有適當(dāng)關(guān)鍵屬性的柵極驅(qū)動(dòng)器,對(duì)于發(fā)揮電源裝置的潛力和效率至關(guān)重要。然而,要想限度地發(fā)揮柵極驅(qū)動(dòng)器的作用,設(shè)計(jì)人員必須特別注意驅(qū)動(dòng)器的直流電源,而這個(gè)電源獨(dú)立于電源裝置的直流電軌之外。此電源與傳統(tǒng)電源類似,但也有一些重要的區(qū)別之處。它可以是單極電源,但在許多情況下,它是一個(gè)非對(duì)稱的雙極電源,同時(shí)還有其他功能和結(jié)構(gòu)差異。此外,設(shè)計(jì)人員還必須注意外形尺寸,包括電路板基底面和扁平要求,以及與設(shè)計(jì)的預(yù)期裝配和制造工藝的兼容性。
本文將以 Murata Power SoluTIons 的 MGJ2 系列 2 W 柵極驅(qū)動(dòng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的表面貼裝器件 (SMD) DC/DC 電源為例,重點(diǎn)介紹柵極驅(qū)動(dòng)器的電源。
從開關(guān)器件開始
要了解柵極驅(qū)動(dòng)器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的作用和所需的屬性,需要從開關(guān)器件開始。在用作開關(guān)器件的 MOSFET 中,柵源路徑可用于控制器件的關(guān)斷或?qū)顟B(tài)(IGBT 與之相似)。當(dāng)柵源電壓小于閾值電壓 (VGS 《 VTH) 時(shí),MOSFET 處于截止區(qū),沒有漏電流流動(dòng)(ID = 0 A),MOSFET 看起來像一個(gè)“開路開關(guān)”(圖 1)。
相反,當(dāng)柵源電壓遠(yuǎn)大于閾值電壓 (VGS 》 VTH) 時(shí),MOSFET 處于飽和區(qū),有漏電流流動(dòng) (ID = VDD /RL),MOSFET 看起來像一個(gè)“閉路開關(guān)”(圖 2)。對(duì)于理想 MOSFET,漏源電壓為零(VDS = 0 V),但在實(shí)踐中,由于內(nèi)部導(dǎo)通電阻 RDS(on)(通常低于 0.1 Ω,并且可能低至幾十 mΩ),VDS 通常為 0.2 V 左右。
雖然原理圖讓人看起來是施加在柵極上的電壓導(dǎo)致 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷,但這種看法并不全面。該電壓驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)入 MOSFET,直至有足夠的累積電荷將其導(dǎo)通。根據(jù)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的大?。~定電流)和類型,快速進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)所需的電流量可能為區(qū)區(qū)幾 mA 到幾 A。
柵極驅(qū)動(dòng)器的功能是,將足夠的電流快速利落地驅(qū)動(dòng)到柵極中,以使 MOSFET 導(dǎo)通,以及將該電流反向拉出,以使 MOSFET 關(guān)斷。更正式地說,柵極需要通過一個(gè)低阻抗電源來驅(qū)動(dòng),而該電源能夠拉出和灌入足夠的電流,從而實(shí)現(xiàn)控制電荷的快速插入和拔出。
如果 MOSFET 柵極看起來像一個(gè)純粹的阻性負(fù)載,那么此電流的拉出和灌入將會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單。但是,不僅 MOSFET 具有內(nèi)部容性和感性寄生元件,還存在來自驅(qū)動(dòng)器和電源裝置之間的互連器件的寄生效應(yīng)(圖 3)。
于是,柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)在接近閾值電壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)振蕩,導(dǎo)致器件在完全導(dǎo)通或關(guān)斷的軌跡上出現(xiàn)或多次導(dǎo)通和關(guān)斷;這有點(diǎn)類似于機(jī)械開關(guān)的“開關(guān)彈跳”現(xiàn)象(圖 4)。
這一現(xiàn)象影響的范圍很廣:小到在開關(guān)燈這類無關(guān)緊要的應(yīng)用中,可能造成沒有人會(huì)注意到或僅僅有些煩人的細(xì)微影響;大到在電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和類似子系統(tǒng)中,可能對(duì)廣泛使用的脈寬調(diào)制 (PWM) 快速開關(guān)電路造成損壞。在標(biāo)準(zhǔn)的半橋和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,由于負(fù)載被置于上下一對(duì) MOSFET 之間,如果電橋同一側(cè)的兩個(gè) MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通,哪怕只是一瞬間,也會(huì)造成短路,甚至是性的損壞。這種現(xiàn)象被稱為“擊穿”(圖 5)。
柵極驅(qū)動(dòng)詳細(xì)信息
為了驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)入柵極,電軌的正電壓應(yīng)足夠高,以確保電源開關(guān)處于完全飽和/增強(qiáng)狀態(tài),但不應(yīng)超過其柵極的電壓。雖然此電壓值取決于具體的器件類型和型號(hào),但 IGBT 和標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 通常在 15 V 驅(qū)動(dòng)電壓下就能完全導(dǎo)通,而典型的 SiC MOSFET 可能需要接近 20 V 的驅(qū)動(dòng)電壓才能完全導(dǎo)通。
負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓的情況則要復(fù)雜一些。原則上,對(duì)于關(guān)斷狀態(tài),柵極上保持 0 V 電壓就足夠了。但是,利用一個(gè)負(fù)電壓(通常介于 -5 V 至 -10 V 之間),則可以實(shí)現(xiàn)受柵極電阻器控制的快速開關(guān)。適當(dāng)?shù)呢?fù)驅(qū)動(dòng)電壓可確保柵極-發(fā)射極的關(guān)斷電壓實(shí)際始終為零或更低。
這一點(diǎn)很關(guān)鍵,因?yàn)橹灰_關(guān)和驅(qū)動(dòng)器基準(zhǔn)之間存在任何發(fā)射極電感 (L)(在圖 6 中的“x”點(diǎn)),都會(huì)導(dǎo)致開關(guān)關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)反向的柵極-發(fā)射極電壓。雖然該電感可能很小,但即使是極小的 5 nH 電感(幾毫米的導(dǎo)線連接)也會(huì)產(chǎn)生 di/dt 壓擺率達(dá) 1000 A/μs 的 5 V 電壓。
負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓也有助于克服集電極/漏極-柵極米勒效應(yīng)電容 Cm 的影響,該電容會(huì)在器件關(guān)斷期間向柵極驅(qū)動(dòng)電路注入電流。當(dāng)器件被關(guān)斷時(shí),集電極-柵極電壓上升,值為 Cm × dVce/dt 的電流經(jīng)由米勒電容,流入柵極至發(fā)射極/源極電容 Cge,并經(jīng)由柵極電阻器流向驅(qū)動(dòng)電路。柵極上產(chǎn)生的電壓 Vge 可能足以再次導(dǎo)通器件,從而造成可能的擊穿和損壞(圖 7)。
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圖 7:使用負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以克服由于 MOSFET 或 IGBT 內(nèi)存在米勒效應(yīng)電容而產(chǎn)生的缺點(diǎn)。(圖片 Power SoluTIons)
不過,通過負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓,這種影響被化。出于此原因,有效的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)需要正、負(fù)兩個(gè)電壓軌來實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)功能。然而,與大多數(shù)具有對(duì)稱輸出(如 +5 V 和 -5 V)的雙極 DC/DC 轉(zhuǎn)換器不同,柵極驅(qū)動(dòng)器的電源軌通常是非對(duì)稱的,且正電壓大于負(fù)電壓。
確定轉(zhuǎn)換器的額定功率大小
關(guān)鍵因素之一是柵極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器必須提供多大的電流,進(jìn)而提供多大的額定功率?;镜挠?jì)算過程非常簡(jiǎn)單。在每個(gè)開關(guān)周期,柵極必須通過柵極電阻器 Rg 進(jìn)行充電和放電。該器件的規(guī)格書中提供了柵極電荷 Qg 值的曲線,其中 Qg 是指在特定的柵極電壓下需要注入到柵極電極以導(dǎo)通(驅(qū)動(dòng))MOSFET 的電荷量。使用以下公式得出必須由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供的功率:
另一個(gè)考慮因素是:給柵極充電和放電所需的峰值電流 (Ipk)。這是 Vs、Rint 和 Rg 的函數(shù)。它使用以下公式計(jì)算:
通過基本計(jì)算可以確定這些大容量電容器的規(guī)格。但同樣重要的是,它們必須具有較低的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和電感 (ESL),以免妨礙它們所輸送的瞬時(shí)電流。
其他柵極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器考慮因素
柵極驅(qū)動(dòng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器還面臨著其他特有的問題。其中包括:
調(diào)節(jié):當(dāng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器沒有開關(guān)時(shí),器件上的負(fù)載接近于零。然而,大多數(shù)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器任何時(shí)候都需要一個(gè)極小的負(fù)載;否則,它們的輸出電壓會(huì)急劇增加,甚至可能達(dá)到柵極擊穿電平。
這時(shí)會(huì)發(fā)生以下情況:此高電壓被儲(chǔ)存在大容量電容器上,導(dǎo)致器件開始開關(guān)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)柵極過壓,直到轉(zhuǎn)換器電平在正常負(fù)載下下降。因此應(yīng)使用具有鉗位輸出電壓或極低的負(fù)載要求的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。
啟動(dòng)和關(guān)斷:在驅(qū)動(dòng)電路的電壓軌達(dá)到指定值之前,IGBT 和 MOSFET 不能由 PWM 控制信號(hào)主動(dòng)驅(qū)動(dòng),這一點(diǎn)很重要。然而,當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器通電和斷電時(shí),可能存在一種瞬時(shí)條件,即使在 PWM 信號(hào)處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)也能驅(qū)動(dòng)器件導(dǎo)通,導(dǎo)致器件發(fā)生擊穿和損壞。因此,DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出在通電和斷電時(shí)應(yīng)保持穩(wěn)定,具有單調(diào)的上升和下降(圖 8)。
隔離和耦合電容:在高功率下,電源逆變器或轉(zhuǎn)換器通常使用電橋配置來生成線頻率交流電,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)管規(guī)定,柵極驅(qū)動(dòng) PWM 信號(hào)和高壓側(cè)開關(guān)的相關(guān)驅(qū)動(dòng)電源軌需要與接地保持電隔離,兩者之間不存在任何電阻路徑。此外,隔離柵必須非常緊固耐用,在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)不會(huì)因?yàn)榉磸?fù)的局部放電效應(yīng)而出現(xiàn)明顯的性能退化。
此外,還有一些問題是由于跨越隔離柵的電容耦合造成的;這類似于完全絕緣的交流線路變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組之間的漏電流。這就要求驅(qū)動(dòng)電路和相關(guān)的電源軌不能受開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的高 dV/dt 的影響,并且具有極低的耦合電容。
產(chǎn)生這一問題的機(jī)制是,由于開關(guān)速度非???,dV/dt 通常高達(dá) 10 kV/μs,對(duì)于的 GaN 器件,甚至高達(dá) 100 kV/μs。這種快速擺動(dòng)的 dV/dt 致使瞬時(shí)電流流經(jīng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器隔離柵的電容。
由于電流 I = C x (dV/dt),即使是僅 20 pF 的很小隔離電容,在 10 kV/μs 的開關(guān)作用下,也會(huì)產(chǎn)生 200 mA 的電流。該電流會(huì)找到一條不確定的返回路線,通過控制器電路返回到電橋,導(dǎo)致連接電阻和電感兩端出現(xiàn)電壓尖峰,而這有可能破壞控制器甚至 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行。因此,低耦合電容顯得非常重要。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器的基本隔離和相關(guān)絕緣還存在另一方面的問題。隔離柵的設(shè)計(jì)可以連續(xù)承受額定電壓,但由于是開關(guān)電壓,因此隔離柵有可能隨著時(shí)間的推移而加速退化。這是因?yàn)楦綦x柵材料中存在電化學(xué)和局部放電效應(yīng),而這些效應(yīng)完全取決于固定直流電壓。
因此,DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須具有可靠的絕緣和寬裕的爬電和間隙距離。如果轉(zhuǎn)換器隔離柵也構(gòu)成安全隔離系統(tǒng)的一部分,則適用相關(guān)機(jī)構(gòu)關(guān)于所需隔離水平(基本、補(bǔ)充、增強(qiáng))、工作電壓、污染度、過壓類別和海拔高度的監(jiān)管規(guī)定。
由于這些原因,只有具有適當(dāng)設(shè)計(jì)和材料的柵極驅(qū)動(dòng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器才能通過或申請(qǐng) UL60950-1 ,提供各種級(jí)別的基本和增強(qiáng)保護(hù)(通常相當(dāng)于 EN 62477-1:2012 中的保護(hù)級(jí)別);更嚴(yán)格的也已部署到位或正在申請(qǐng)中,以滿足醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn) ANSI/AAMI ES60601-1 有關(guān) 1 × 患者保護(hù)措施 (MOPP) 和 2 × 操作者保護(hù)措施 (MOOP) 的要求。
共模瞬態(tài)抗擾度:在更高的開關(guān)頻率下,柵極驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)獨(dú)立接地基準(zhǔn)之間存在一個(gè)差分電壓,這時(shí) CMTI 便是一個(gè)重要的柵極驅(qū)動(dòng)器參數(shù),隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器便是如此。CMTI 的定義是,施加在兩個(gè)隔離電路之間的共模電壓的可容許上升或下降速率,并以 kV/?s 或 V/ns 為單位。
具有高 CMTI 意味著,當(dāng)用具有極高的上升(正)或下降(負(fù))壓擺率的信號(hào)“沖擊”隔離柵時(shí),隔離式部署的兩端(發(fā)射端和接收端)將會(huì)超出規(guī)格書的規(guī)格。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的規(guī)格書應(yīng)包含此參數(shù)的規(guī)格值,設(shè)計(jì)人員則需要根據(jù)其電路工作頻率和電壓的具體情況進(jìn)行匹配。
滿足柵極驅(qū)動(dòng)器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的要求
認(rèn)識(shí)到對(duì)柵極驅(qū)動(dòng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器面臨的諸多富有挑戰(zhàn)性且經(jīng)常相互沖突的需求后,Murata 對(duì)其 MGJ2 系列通孔 DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了擴(kuò)展,以納入 SMD DC/DC 單元。他們的轉(zhuǎn)換器由于具有高性能、緊湊的外形尺寸和扁平的外形(大約 20 mm 長(zhǎng) × 15 mm 寬 × 4 mm 高),并且與 SMD 制造工藝兼容,非常適合在空間和重量受限的應(yīng)用中為 IGBT 和 MOSFET 的高壓側(cè)和低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路供電。
該系列 2 W 轉(zhuǎn)換器的成員采用 5 V、12 V 和 15 V 標(biāo)稱輸入電壓,并提供非對(duì)稱輸出電壓選擇(+15 V/-5 V、+15 V/-9 V和 +20 V/-5 V 輸出),以支持具有系統(tǒng)效率和少電磁干擾 (EMI) 的驅(qū)動(dòng)電平。表面貼裝封裝簡(jiǎn)化了與柵極驅(qū)動(dòng)器的物理集成,可實(shí)現(xiàn)更緊密的布局,從而降低布線的復(fù)雜性,同時(shí)限度減少 EMI 或射頻干擾 (RFI) 的拾取。
MGJ2 系列被指定用于滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和逆變器中使用的電橋電路所需的高隔離度和 dV/dt 要求,其工業(yè)級(jí)額定溫度和結(jié)構(gòu)提供了長(zhǎng)使用壽命和高可靠性。其他關(guān)鍵屬性包括:
增強(qiáng)型絕緣,符合 UL62368 要求(申請(qǐng)中)
ANSI/AAMI ES60601-1 (申請(qǐng)中)
5.7 kV DC 絕緣測(cè)試電壓(根據(jù)“高壓測(cè)試”)
超低的隔離電容
工作溫度高達(dá) +105°C(降額)
短路保護(hù)
特征化的共模瞬變抗擾度 (CMTI) 》200 kV/?s
2.5 kV 的連續(xù)隔離耐壓性能
特征化的局部放電性能
以下兩個(gè)單元展示了 MGJ2 系列可提供的性能范圍:
MGJ2D152005MPC-R7 接受 15 V 標(biāo)稱輸入(13.5 V 至 16.5 V),并提供高度非對(duì)稱的 +20 V 和 -5.0 V 輸出,每路電流高達(dá) 80 mA。主要規(guī)格包括:兩路輸出分別具有 9% 和 8% 的負(fù)載調(diào)整率(值),紋波和噪聲低于 20/45 mV(典型值/值),效率為 71/76%(值/典型值),隔離電容僅為 3 pF,平均故障時(shí)間 (MTTF) 約為 1100 kHr(使用 MIL-HDBK-217 FN2 確定)和 43,500 kHr(根據(jù) Telecordia SR-332 計(jì)算模型)。
MGJ2D121509MPC-R7 采用 12 V 標(biāo)稱輸入電壓(10.8 V 至 13.2 V),并提供非對(duì)稱的 +15 V 和 -9.0 V 輸出,每路電流同樣高達(dá) 80 mA。其他主要規(guī)格包括:+15 V 輸出具有 8%/13% 的負(fù)載調(diào)整率(典型值/值),-9.0 V 輸出具有 7%/12% 的負(fù)載調(diào)整率(典型值/值),紋波和噪聲低于 20/45 mV(典型值/值),效率為 72/77%(值/典型值),隔離電容為 3 pF,MTTF 約為 1550 kHr(使用 MIL-HDBK-217 FN2 確定)和 47,800 kHr(根據(jù) Telecordia 模型)。
除了詳細(xì)說明靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的預(yù)期列表和圖表外,該系列成員的通用規(guī)格書還列出了這些轉(zhuǎn)換器符合的許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管規(guī)定,以及用于確定這些因素的相關(guān)測(cè)試條件的全面細(xì)節(jié)。這不僅提高了產(chǎn)品的可信度,在具有嚴(yán)格合規(guī)性要求的應(yīng)用中還能加速產(chǎn)品。
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)過程中的一個(gè)重要步驟。此外,還要選擇相關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器,用于控制開關(guān)器件在開和關(guān)的狀態(tài)之間快速利落地翻轉(zhuǎn)。反過來,驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)合適的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為其提供工作電源。如前所示,Murata 的 MGJ2 系列 2 W 表面貼裝 DC/DC 轉(zhuǎn)換器不僅提供了所需的電氣性能,還能滿足這一功能所需的許多復(fù)雜的安全和監(jiān)管規(guī)定。
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