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隔離驅(qū)動(dòng)在新能源應(yīng)用中扮演了非常重要的角色，將直接或間接影響新能源產(chǎn)品的安全性、可靠性、壽命、效率以及成本等，本期從5個(gè)方面解讀隔離驅(qū)動(dòng)的重要參數(shù)；選好柵極驅(qū)動(dòng)器SiC MOSFET高效又安全 https://mp.weixin.qq.com/s/iRpCBZuT_ToCMRHTRJFk5A 1.安規(guī)方面 2.時(shí)間相關(guān)的介電擊穿（TDDB） 3.共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI） 4.傳輸延時(shí)（Tpd） 5.驅(qū)動(dòng)能力(Isink&Isource) 1.安規(guī)方面 隔離耐壓（Viso） 隔離耐壓是指在規(guī)定的測(cè)試條件下（如電壓幅值、施加時(shí)間等），能夠承受的最大電壓而不發(fā)生擊穿、閃絡(luò)或其他形式的電氣故障的能力。基于安全考慮，隔離驅(qū)動(dòng)須經(jīng)過全面的測(cè)試和認(rèn)證以確保用戶安全。其中，UL1577為隔離器件的隔離耐壓Viso（通常為 2.5kVRMS 或 5kVRMS)提供參考，在通過UL1577安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，隔離耐壓越高的產(chǎn)品，意味著其產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性也越高； 爬電距離（Creepage distance，圖1）和電氣間隙（Clearance，圖2） 爬電距離是兩個(gè)導(dǎo)電器件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離，一般爬電距離不小于電氣間隙。根據(jù)污染等級(jí)、材料組別（CTI）和工作電壓（RMS）來確定。電氣間隙是導(dǎo)電器件之間在空氣中的最短距離， 用于防止瞬態(tài)過壓期間產(chǎn)生空氣電離或電弧。電氣間隙的重要影響因素是海拔和污染等級(jí)。爬電距離與長期穩(wěn)定的工作電壓相關(guān)， 電氣間隙與較短的瞬態(tài)電壓相關(guān)，同一條件下爬電距離和電氣間隙越大系統(tǒng)工作越安全可靠。 IEC 60664-1涵蓋了爬電距離和電氣間隙的相關(guān)測(cè)試 。爬電距離和電氣間隙的重要影響因素是隔離等級(jí)， 例如基本隔離、增強(qiáng)型隔離和功能隔離。 同一條件下實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型隔離所需爬電距離是基本隔離的2倍。 圖片 2.時(shí)間相關(guān)的介電擊穿（TDDB） 介質(zhì)層擊穿是影響器件可靠性的重要模式，通常可以分為瞬時(shí)擊穿和經(jīng)時(shí)擊穿兩大類。對(duì)于隔離器件瞬時(shí)擊穿與Viso設(shè)計(jì)能力相關(guān)，經(jīng)時(shí)擊穿與TDDB設(shè)計(jì)能力相關(guān)。 1/E模型、E模型通過增加壓應(yīng)力電壓來模擬隔離器件的壽命。如下圖3、4所示 圖片 CMTI（Common mode transient immunity）是隔離驅(qū)動(dòng)重要的指標(biāo)之一。CMTI（圖5）共模瞬變抗擾度，指是指瞬態(tài)穿過隔離層以破壞驅(qū)動(dòng)器輸出狀態(tài)所需最低上升或下降的dv/dt（單位V/ns或KV/us）。 CMTI分為靜態(tài)（圖6）和動(dòng)態(tài)。靜態(tài)是指把輸入信號(hào)不變（高電平或低電平），然后施加共模瞬變，測(cè)試輸出狀態(tài)。UL and VDE 0884-11 并沒有要求強(qiáng)制通過動(dòng)態(tài)CMTI的測(cè)試，和靜態(tài)CMTI的要求一樣。 新能源應(yīng)用中對(duì)隔離驅(qū)動(dòng)一般要求CMTI在150V/ns的共模瞬變下，輸出狀態(tài)穩(wěn)定。隨著光伏逆變器、充電模塊等功率大幅提升，不少設(shè)備廠商對(duì)隔離驅(qū)動(dòng)的CMTI提出更高的要求：200V/ns，比如TI的UCC23525，手冊(cè)給出最小CMTI 200V/ns，實(shí)際會(huì)更高； 圖片 4.傳輸延時(shí)（Tpd） 隔離驅(qū)動(dòng)的傳輸延時(shí)Tpd（圖7），是指輸入信號(hào)的變化到輸出驅(qū)動(dòng)Gate電壓發(fā)生變化的延遲時(shí)間。新能源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，一般是數(shù)字控制模式，對(duì)于不同的數(shù)控模式，對(duì)Tpd時(shí)間有不同的需求，一般要求Tpd時(shí)間越短越好，對(duì)于系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間、效率、軟件代碼復(fù)雜度都會(huì)有很好的優(yōu)化。TI的UCC5350的Tpd典型值為：60ns 圖片 5.驅(qū)動(dòng)能力(Isink&Isource) 驅(qū)動(dòng)能力是隔離驅(qū)動(dòng)重要的指標(biāo)之一，驅(qū)動(dòng)能力直接關(guān)系到功率MOS的開關(guān)速度，對(duì)于硬開關(guān)的設(shè)計(jì)中直接影響開關(guān)損耗。新能源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，大功率應(yīng)用中并管設(shè)計(jì)越來越多，對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求越來越大。TI的UCC21750的驅(qū)動(dòng)能力為±10A ，并且集成了故障狀態(tài)下（橋臂短路等）慢關(guān)斷功能，防止因?yàn)檫^高的di/dt,損壞功率器件。（國內(nèi)廠家像數(shù)明、川土納芯微、思瑞浦等等基本可以實(shí)現(xiàn)P2P替換） SiC MOSFET特 性 系統(tǒng)尺寸和電氣效率是許多現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)的關(guān) 鍵要求，而碳化硅已成為一種流行的半導(dǎo)體技術(shù)。作為一種寬禁帶材料，SiC 與硅相比具有眾多優(yōu)勢(shì)，包括高熱 導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、高最大電流密度和卓越的導(dǎo)電性。 此外，SiC 的低開關(guān)損耗和高工作頻率也提高了效率，特 別是在需要大電流、高溫和高熱導(dǎo)率的應(yīng)用中。 圖片 SiC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)考慮因素 柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)可確保電源應(yīng)用中使用的 MOSFET 安全運(yùn)行。選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要考慮的因素 包括： ●米勒電容(CDG)與寄生導(dǎo)通(PTO) SiC MOSFET容易產(chǎn)生寄生導(dǎo)通(PTO), 這是由于 米勒電容CDG 在開關(guān)過程中將漏極電壓耦合到柵極。當(dāng) 漏極電壓上升時(shí)，該耦合電壓可能會(huì)短暫超過柵極閾值電壓，使MOSFET 導(dǎo)通。在同步降壓轉(zhuǎn)換器等電路中， MOSFET 通常成對(duì)使用，其中有一個(gè)高壓側(cè)和一個(gè)低壓 側(cè)MOSFET, 而PTO會(huì)導(dǎo)致這些電路中的“直通”(shoot- through) 導(dǎo)通。 當(dāng)高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，就會(huì)發(fā)生 直通導(dǎo)通，導(dǎo)致高壓通過兩個(gè)MOSFET 短路到GND 。這 種直通的嚴(yán)重程度取決于MOSFET 的工作條件和柵極電 路的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵因素包括總線電壓、開關(guān)速度，(dv/dt) 和 漏極-源極電阻(RDS(ON)) 。 在最壞的情況下，PTO 會(huì)引 發(fā)災(zāi)難性的后果，包括短路和MOSFET 損壞。 與PCB 布局和封裝有關(guān)的寄生電容和電感也會(huì)加劇 PTO。 如下文所述，可以通過對(duì)器件的關(guān)斷電壓進(jìn)行負(fù) 偏置來避免這種情況。 ●柵極驅(qū)動(dòng)器電壓范圍 MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷是通過向其柵極施加電壓實(shí) 現(xiàn)的，電壓由專用的柵極驅(qū)動(dòng)器提供，如圖1所示。柵 極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)提供拉電流，使MOSFET 的柵極充電至最 終導(dǎo)通電壓VGS(ON), 并在器件放電至最終關(guān)斷電壓 VGS(OFF) 時(shí)提供灌電流。 圖片 柵極驅(qū)動(dòng)的正電壓應(yīng)足夠高，以確保MOSFET 能夠 完全導(dǎo)通，同時(shí)又不超過最大柵極電壓。在使用碳化硅 MOSFET 時(shí)，必須考慮到它們通常需要比硅MOSFET更高的柵極電壓。同樣，雖然0 V的電壓足以確保硅 MOSFET 關(guān)斷，但通常建議SiC器件采用負(fù)偏置電壓，以 消除寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。在關(guān)斷過程中，允許電壓向下擺 動(dòng)到-3 V 甚至-5V, 這樣就有了一定的余量或裕度，可以 避免在某些情況下觸發(fā)VGS(TH), 從而意外導(dǎo)通器件。 以這種方式負(fù)偏置柵極電壓還能降低MOSFET 的EOFF 損耗。如圖2所示，在驅(qū)動(dòng)安森美的第2代"EliteSiC M3S" 系列SiC MOSFET時(shí)，將關(guān)斷電壓從0 V降到-3 V, 可將EOFF損耗降低25%。 圖片 RDS(ON) 是當(dāng)器件通過施加到柵極上的特定柵極到 源極電壓(VGS) 導(dǎo)通時(shí)，MOSFET 的漏極和源極之間的 電阻。隨著VGS 的增加，RDS(ON) 通常會(huì)減小， 一般來 說 ，RDS(ON) 越小越好，因?yàn)镸OSFET 被用作開關(guān)。總 柵極電荷QG(TOT) 是使MOSFET 完全導(dǎo)通所需的電荷， 單位為庫侖，通常與RDS(ON)成反比。QG(TOT)電荷由 柵極驅(qū)動(dòng)器提供，因此驅(qū)動(dòng)器必須能夠提供拉灌所需的 電 流 。 優(yōu)化功率損耗 要利用碳化硅MOSFET 降低開關(guān)損耗，設(shè)計(jì)人員需 要注意權(quán)衡考慮多方面因素。SiC MOSFET的總功率損 耗是其導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之和。導(dǎo)通損耗的計(jì)算公式 為ID2*RDS(ON), 其中ID 為漏極電流，選擇RDS(ON) 較低的器件可將導(dǎo)通損耗降至最低。然而，由于上述 QG(TOT) 與RDS(ON) 之間的反比關(guān)系，較低的RDS(ON) 值要求柵極驅(qū)動(dòng)器具有較高的拉電流和灌電流。換句話 說，當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇RDS(ON) 值較低的SiC MOSFET來 減少大功率應(yīng)用中的導(dǎo)通損耗時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器的拉電流 (導(dǎo)通)和灌(關(guān)斷)電流要求也會(huì)相應(yīng)增加。 SiC MOSFET的開關(guān)損耗更為復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兪艿?QG(TOT) 、 反向恢復(fù)電荷(QRR) 、輸入電容(CISS)、柵 極電阻(RG) 、EON損耗和EOFF 損耗等器件參數(shù)的影響。 開關(guān)損耗可以通過提高柵極電流的開關(guān)速度來降低，但 與此同時(shí)，較快的開關(guān)速度可能會(huì)帶來不必要的電磁干擾 (EMI), 特別是在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，在預(yù)期的開關(guān)關(guān) 斷時(shí)還可能觸發(fā)PTO。 如上所述，還可以通過負(fù)偏置柵極電壓來降低開關(guān)損耗。 因此，柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)對(duì)于確保電力電子應(yīng)用中 的SiC MOSFET按預(yù)期工作至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，市場(chǎng)上 有大量由安森美等制造商提供的專用柵極驅(qū)動(dòng)IC, 這些 IC讓設(shè)計(jì)者無需把精力放在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)中，同 時(shí)節(jié)省了物料清單(BoM) 成本和PCB 空間。 例如，NCP(V)51752 系列隔離式SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器專為 功率MOSFET和SiC MOSFET器件的快速開關(guān)而設(shè)計(jì)，拉 電流和灌電流分別為4.5 A 和9 A。NCP(V)51752 系列包括創(chuàng)新的嵌入式負(fù)偏壓軌機(jī)制，無需系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)器提供負(fù)偏壓軌，從而節(jié)省了設(shè)計(jì)工作和系統(tǒng)成本。 結(jié)論 SiC MOSFET具有增強(qiáng)的導(dǎo)電性、低開關(guān)損耗、高工作頻率和高耐壓能力，為快速電池充電器和伺服驅(qū)動(dòng)器 等電力電子應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員帶來了眾多優(yōu)勢(shì)。柵極驅(qū)動(dòng) 器電路的設(shè)計(jì)是確保SiC MOSFET發(fā)揮預(yù)期功能、優(yōu)化 損耗并防止PTO情況造成損壞的關(guān)鍵。因此，謹(jǐn)慎選擇 MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)最終應(yīng)用的性能至關(guān)重要。 |
