電隔離柵極驅(qū)動器的隔離能力評估

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://wenjunhu.com/v/" target="_blank">工業(yè)、交通和消費產(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。本文為第二篇，將分享電隔離柵極驅(qū)動器的隔離能力評估 ，并介紹其典型的應用市場與安森美(onsemi)可提供的高新能產(chǎn)品選型。

隔離能力

隔離能力由系統(tǒng)的工作電壓決定，而系統(tǒng)工作電壓與隔離能力成正比。隔離柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)之一是其隔離電壓額定值。正確的隔離額定值對于保護用戶免受潛在有害電流放電的傷害至關(guān)重要，因為它旨在避免意外的電壓瞬態(tài)破壞與電源相連的其他電路。

此外，該額定值還能使轉(zhuǎn)換器內(nèi)的信號免受噪聲或意外共模瞬態(tài)電壓的干擾。 隔離通常表示為隔離層可承受的電壓量。在大多數(shù)隔離柵極驅(qū)動器的數(shù)據(jù)手冊中，隔離額定值都以參數(shù)的形式出現(xiàn)，如最大重復峰值隔離電壓 (VIORM)、最大工作隔離電壓 (VIOWM)、最大瞬態(tài)隔離電壓 (VIOTM)、最大浪涌隔離電壓 (VIOSM) 和耐壓隔離電壓 (VISO)。 系統(tǒng)工作電壓越高，所需的轉(zhuǎn)換器隔離能力就越高。

帶 DC/DC 的 OBC 通用框圖

隔離電容和功率損耗

隔離電容是電隔離器低壓輸入級（初級芯片）和高壓輸出級（次級芯片）之間的寄生電容。在開關(guān)工作期間，漏電流可能會通過這個輸入到輸出的耦合電容，從而成比例增加柵極驅(qū)動器的功率損耗。

通過下式可以看出，隔離電容與漏電流成正比。

Ileak= 2× π ×fs× CISO× VSYS

其中，Ileak：漏電流，fs：工作頻率，CISO：隔離器輸入輸出耦合電容，VSYS：系統(tǒng)工作電壓。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，則有必要注意轉(zhuǎn)換器絕緣電容器的大小，以避免溫升過高。

共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）

共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）是與隔離柵極驅(qū)動器相關(guān)的關(guān)鍵特性之一，尤其是當系統(tǒng)以高開關(guān)頻率運行時。它之所以重要，是因為高斜率（高頻）瞬態(tài)會干擾跨隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸。隔離柵上的電容（例如隔離接地平面之間的電容）為這些快速瞬態(tài)提供了穿越隔離柵并破壞輸出波形的路徑。單位通常為 kV/μs 或 V/ns。

如果 CMTI 不夠高，大功率噪聲可能會耦合到隔離柵極驅(qū)動器上，產(chǎn)生電流回路，導致開關(guān)的柵極出現(xiàn)電荷。如果電荷量足夠大，就會導致柵極驅(qū)動器將噪聲誤解為驅(qū)動信號，由此導致因直通而造成嚴重的電路故障。

電流驅(qū)動能力考慮因素

柵極驅(qū)動器能夠在短時間內(nèi)拉/灌較大的柵極電流，從而縮短開關(guān)時間，降低驅(qū)動晶體管內(nèi)的開關(guān)功率損耗。峰值拉電流和灌電流（ISOURCE和 ISINK）應大于平均電流（IG,AV），如下圖所示。

柵極驅(qū)動器電流驅(qū)動能力

在功率晶體管中，有一個參數(shù)QG（柵極電荷），指柵極驅(qū)動器為了使晶體管導通或關(guān)斷所需要充放的電荷量。為了正確且適時地驅(qū)動功率晶體管，我們需要為柵極驅(qū)動器選擇適當?shù)碾娏黩?qū)動能力。

IG,AV= QG/ tSW,ON / OFF

其中，tSW,ON/OFF 是指功率晶體管導通/關(guān)斷的速度。如果未知，可從開關(guān)頻率得出的開關(guān)時間 tSW 的 2% 開始計算。

柵極驅(qū)動器拉、灌峰值電流的大致計算公式如下:

導通時（拉電流）

ISOURCE≥1.5 ×QG/ tSW, ON

關(guān)斷時（灌電流）

ISINK≥1.5 ×QG/ tSW, OFF

其中，QG表示在VGS = VCC 時的柵極電荷，tSW,ON/OFF = 開關(guān)導通/關(guān)斷時間，1.5 = 經(jīng)驗確定的系數(shù)（受驅(qū)動器輸入級延遲和寄生元件的影響）。

柵極驅(qū)動器電流驅(qū)動能力選型示例

例如，tSW,ON/OFF為 100ns：100kHz的1%，300kHz的3%，等等。

高壓、大功率市場及應用

與大功率應用相關(guān)的終端產(chǎn)品種類繁多。這些應用包括：

使用SiC車載充電機（OBC）的電動汽車。對于這些車輛而言，實現(xiàn)高效率的同時確保安全至關(guān)重要。電隔離柵極驅(qū)動器能夠在這方面發(fā)揮作用，助力達成目標。

電動汽車充電站，其發(fā)展趨勢是采用高電壓，因此安全對系統(tǒng)和人身安全都很重要。

太陽能逆變器 – 在這里，逆變器的效率始終是關(guān)鍵，而安全總是重中之重。特別是當逆變器作為家庭太陽能系統(tǒng)的一部分時，安全問題顯得尤為突出。

云計算/服務器工作時需要從公共事業(yè)的交流電中生成大量的清潔的直流電，不能承受任何損耗。在這一領域，電隔離柵極驅(qū)動器同樣能夠幫助確保安全性和效率。

安森美高性能電隔離柵極驅(qū)動器

安森美的電隔離柵極驅(qū)動器專為快速開關(guān)而設計，并集成了保護功能。安森美的SiC驅(qū)動器解決方案針對SiC應用進行了優(yōu)化，集成了負偏壓功能，無需外部元件。安森美的隔離柵極驅(qū)動器在生產(chǎn)階段使用MPS測試儀（型號MSPS-20）進行隔離性能測試。安森美的電隔離柵極驅(qū)動器為 SiC MOSFET 提供了可靠的解決方案，適用于廣泛的應用，包括汽車電動車、電動車充電、太陽能逆變器和云計算/服務器系統(tǒng)等。

安森美提供四款新發(fā)布的柵極驅(qū)動器：

NCP51152

NCV51152

NCP51752

NCV51752

NCP/NCV51152是隔離型單通道柵極驅(qū)動器，具有高達 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值電流。它專為實現(xiàn)極快的開關(guān)速度而設計，用于驅(qū)動功率MOSFET開關(guān)。NCP/NCV51252提供短且匹配的傳播延遲。兩個次級側(cè)驅(qū)動器之間的內(nèi)部功能隔離允許高達 ~1,200 VDC 的工作電壓。此外，它還提供了其他重要的保護功能，如每個驅(qū)動器的欠壓鎖定（UVLO）和使能功能。

NCP/NCV51752 是隔離型單通道柵極驅(qū)動器，具有高達 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值電流。它專為實現(xiàn)極快的開關(guān)速度而設計，用于驅(qū)動功率MOSFET開關(guān)。NCP/NCV51752 提供短且匹配的傳播延遲，具有在柵極驅(qū)動環(huán)路中產(chǎn)生負偏壓的集成機制，可為任何類型的 SiC 提供安全的關(guān)斷狀態(tài)。

此外， 安森美還是高性能 SiC MOSFET 和柵極驅(qū)動器的集成供應商，擁有同類極佳 SiC MOSFET 器件的廣泛產(chǎn)品組合以及與之配套的不斷增長的優(yōu)化柵極驅(qū)動器系列。

結(jié)語

電氣系統(tǒng)中對高壓、高頻和大功率的需求不斷增長，這種趨勢只會越來越快。SiC MOSFET 是適應這些需求的理想高效解決方案。為了幫助制造商開發(fā)安全、有效和可靠的大功率應用，安森美提供了業(yè)界先進的 EliteSiC 碳化硅解決方案和優(yōu)化的SiC柵極驅(qū)動器產(chǎn)品組合。