【導(dǎo)讀】最新的寬帶間隙（WBG）半導(dǎo)體正走向最理想的狀態(tài)，也就是具有高電壓和低損耗的超快速切換，而現(xiàn)代的MOSFET和溝槽IGBT也可以有高dV/dt和di/dt。然而，下橋臂電路中的快速切換會(huì)將瞬態(tài)電壓耦合到柵極驅(qū)動(dòng)電路，從而造成混亂或損壞，同時(shí)上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)和電源隔離還會(huì)受到應(yīng)力影響。本文將探討這些影響、解釋如何減輕影響，以及評(píng)估應(yīng)力和局部放電（PD）帶來的損傷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
使用寬帶隙（WBG）技術(shù)的現(xiàn)代半導(dǎo)體開關(guān)、MOSFET和一些IGBT能夠?qū)崿F(xiàn)極快的切換。這減少了開關(guān)轉(zhuǎn)換的功耗，同時(shí)在高效率、高功率密度、更小的無源組件和更低成本下進(jìn)行高頻率的運(yùn)作。然而，高dV/dt和di/dt的缺點(diǎn)是會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)絕緣系統(tǒng)的EMI和應(yīng)力。圖1為IGBT的典型柵極驅(qū)動(dòng)電路，在5V和20V之間施加正電壓以將器件開啟，0V將其關(guān)斷。該電路也非常適用于SiC和GaN技術(shù)中的增強(qiáng)型Si MOSFET和WBG器件；在所有的情況下，器件都保證在連續(xù)柵極施加0V時(shí)關(guān)斷。
圖1：基本柵極驅(qū)動(dòng)電路
但是如圖2所示，器件快速切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題，寄生電容和電感組件將造成問題。
圖2：有寄生組件的柵極驅(qū)動(dòng)器
如果以di/dt為例，漏極-源極電流為10A/ns（這在最先進(jìn)的GaN是有可能的），源電感為15nH。若V = - L di/dt，150V會(huì)出現(xiàn)在電感器兩端。在關(guān)斷時(shí)，電壓拖動(dòng)源極為負(fù)極，與柵極驅(qū)動(dòng)相反，并且在導(dǎo)通時(shí)方向?yàn)檎?，再次與柵極驅(qū)動(dòng)相反。這可能降低效率，虛假開啟甚至?xí)?dǎo)致?lián)舸┒斐蓳p壞。15nH可能看起來很大，但對(duì)應(yīng)到PCB軌道其實(shí)僅25mm。即使約1.2nH的PCB通孔電感也會(huì)產(chǎn)生12V瞬態(tài)電壓。在這些高di/dt的情況下，只有芯片尺寸封裝以開爾文連接到柵極驅(qū)動(dòng)的柵極和源極是實(shí)用的。在關(guān)斷的狀態(tài)下施加負(fù)電壓來驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O可以對(duì)無法避免的電感有些幫助。
在實(shí)際電路中，例如逆變器或電機(jī)控制中的推挽式或全橋式的電路，兩個(gè)下橋臂器件通常共享源極和柵極驅(qū)動(dòng)電流的共同回路，如圖3所示。
圖3：下橋臂器件使用共接地
現(xiàn)在不能使用開爾文連接因?yàn)閮蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)器各有自己的回路。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器接地和兩個(gè)發(fā)射極（源極）必須接在一起，如果這個(gè)接點(diǎn)為靠近左側(cè)開關(guān)的Powergnd 1，右側(cè)開關(guān)將比左側(cè)有更多的源極連接電感，導(dǎo)致不對(duì)稱開關(guān)、潛在的EMI以及由電感兩端的感應(yīng)電壓造成的損壞。如果要對(duì)稱，Powergnd 2是唯一的選擇，但是現(xiàn)在兩個(gè)源在柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路中具有相同且又高的連接電感，因此這不是一個(gè)適當(dāng)?shù)恼壑赞k法，特別是當(dāng)高功率系統(tǒng)的設(shè)備沒有設(shè)在一起。
解決方案是為兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)提供隔離信號(hào)和電源，如圖4所示。現(xiàn)在，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和電源返回可以直接連接到各自的器件發(fā)射器（源），不包括驅(qū)動(dòng)器環(huán)路中大部份的外部電感。
圖4：柵極驅(qū)動(dòng)采用開爾文連接以及信號(hào)和電源隔離
上橋臂開關(guān)之挑戰(zhàn)
圖4的配置解決了di/dt引起的發(fā)射極（源極）電感的柵極電壓瞬變的問題。該配置通常也用于H橋的兩個(gè)上橋臂開關(guān)，其中兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)返回實(shí)際上是反相開關(guān)節(jié)點(diǎn)，因此必須與彼此隔離。在上橋臂的配置中，在柵極驅(qū)動(dòng)隔離部件上出現(xiàn)的高開關(guān)電壓可能引起其他問題。根據(jù)I = C dV/dt來看，高dV/dt可能是由隔離電容產(chǎn)生的位移電流所導(dǎo)致的問題。由于邊緣速率很容易達(dá)到100V/ns，10pF勢(shì)壘電容可能讓一安培電流的通過并在柵極驅(qū)動(dòng)電路的初級(jí)電路中循環(huán)，可能造成工作中斷。
柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離組件通常是光耦合器或變壓器，有時(shí)也會(huì)使用電容耦合。表1為隔離柵極驅(qū)動(dòng)器IC的關(guān)鍵參數(shù)，其中有與我們的高dV/dt電路最相關(guān)的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）。然而，該值是實(shí)驗(yàn)室測量出的數(shù)據(jù)，很有可能是單脈沖。沒有提及在持續(xù)高壓、高dV/dt波形下的可靠性。
表1：隔離柵極驅(qū)動(dòng)之關(guān)鍵參數(shù)
其他VIORM/VIOWM/VIOTM/VPR參數(shù)也很重要，但與我們的開關(guān)電路無直接關(guān)系因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)測試通常設(shè)定為50/60Hz，DC或峰值。單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器具有相似的限制，通常只需要一秒或一分鐘、DC或50/60Hz的AC電流的簡單Hi-pot測試。在繞組或CMTI上施加高頻開關(guān)電壓的可靠性評(píng)級(jí)十分少見。以變壓器來說，獲得高隔離度的方法因應(yīng)用而異；漆包線可以單獨(dú)進(jìn)行Hi-pot測試但不可靠，幾乎可以保證漆面上會(huì)有針孔。安全機(jī)構(gòu)當(dāng)然不允許將其作為任何電壓的安全勢(shì)壘。具有更好絕緣性的電線如“三重絕緣線”可以獲得安全機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，但是體積過于龐大，導(dǎo)致變壓器會(huì)有相對(duì)高的耦合電容和位移電流。由于絕緣層之間的局部放電（PD）效應(yīng)，因此在高開關(guān)電壓下三重絕緣線的表現(xiàn)不佳。如果要滿足安全機(jī)構(gòu)的要求，理想的結(jié)構(gòu)是繞組互相分開，中間有足夠的空間、提供低繞組電容，同時(shí)不依賴可能導(dǎo)致局部放電的固體材料，如圖5所示。
圖5：柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組互相分開
相同的考慮因素也適用于隔離柵極驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部的變壓器，CMTI時(shí)常被忽略，高壓隔離也常以各種方式顯示。
局部放電影響
我們已經(jīng)提到了局部放電（PD），即固體絕緣材料受高壓應(yīng)力后緩慢降解的現(xiàn)象。該現(xiàn)象是由材料的微孔連續(xù)遭受破壞而引起的。如果是有機(jī)材料，等離子體會(huì)導(dǎo)致碳化。空隙造成永久性短路，降低了整體的絕緣厚度，從而在剩余的絕緣層上產(chǎn)生更強(qiáng)的電壓場，并最終導(dǎo)致完全失效。PD效應(yīng)在“起始”電壓突然開始，該電壓取決于空隙中的氣體、壓力和空隙大小，以帕邢曲線[1]為特征。若為開關(guān)電壓，那么起始電壓會(huì)由頻率決定。
另外，也不應(yīng)完全對(duì)散裝材料的擊穿電壓信以為真。例如，玻璃被認(rèn)為是優(yōu)異絕緣體，具有約60kV/mm的擊穿電壓，但這是在頻率為60Hz的情況下。如果頻率為1MHz，數(shù)值小于十分之一，約為5kV/mm。對(duì)于一些絕緣間距為<10μm的柵極驅(qū)動(dòng)IC，則需要仔細(xì)考慮高頻效應(yīng)。
因此，開關(guān)電壓、dV/dt和頻率是評(píng)估絕緣可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。由過沖和寄生電容和電感的諧振引起的瞬態(tài)電壓也應(yīng)要經(jīng)過評(píng)估并加到系統(tǒng)電壓中。
勢(shì)壘絕緣評(píng)估與研究
柵極驅(qū)動(dòng)電源制造商RECOM [2]已知曉DC-DC轉(zhuǎn)換器的變壓器有高開關(guān)共模電壓的潛在問題，并與Technische Universit?t Graz 和FH Johanneum 大學(xué)的絕緣材料專家Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn. Christof Sumereder一起進(jìn)行研究。 這個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)部代號(hào)為BIER（ 勢(shì)壘絕緣評(píng)估與研究之縮寫），其中包括了對(duì)30個(gè)半橋功率級(jí)的評(píng)估，這些半功率級(jí)專門采用隔離式上橋臂和下橋臂開關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。表2為三種不同的配置在70°C環(huán)境溫度下工作1464小時(shí)，直流電壓為1000V、開關(guān)頻率為50kHz、邊沿速率為65kV/μs。T1未包含在測試中
圖6：PD測試評(píng)估電路
表2：BIER測試配置
局部放電在測試之前后各測量一次，性能沒有顯著降低（圖7）。PD啟動(dòng)電壓保持在所施加的開關(guān)峰值電壓的兩倍，表示具有良好的余量以及良好的長期可靠性。如需完整報(bào)告請(qǐng)?jiān)L問RECOM網(wǎng)站[3]。
圖7：PD評(píng)估結(jié)果
結(jié)論
在推挽式和橋式電路中，隔離柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和功率解決了在下橋臂和上橋臂電路中耦合到柵極的電壓瞬變的問題。然而在高頻和高邊沿速率下，上橋臂的隔離組件仍然承受高共模電壓應(yīng)力。 實(shí)際的局部放電測試顯示出柵極驅(qū)動(dòng)DC-DC電源的隔離組件可以經(jīng)過設(shè)計(jì)來具有良好的長期可靠性。
RECOM提供各種系列的DC-DC轉(zhuǎn)換器，輸出電壓和隔離額定值適用于IGBT、SiC和GaN技術(shù)之上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。
文獻(xiàn)
https://en.wikipedia.org/wiki/Paschen%27s_law
https://recom-power.com
https://recom-power.com/en/report-gate-driver-converter-under-dvdt-stress.html
來源：RECOM
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