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(yīng)對電氣化系統(tǒng)日益增長的需求時。隨著全球?qū)﹄娏υ诠I(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(yīng)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(hù)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(fù)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?xùn)艠O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(dāng)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(dǎo)致開關(guān)的柵極出現(xiàn)電荷。如果電荷量足夠大,就會導(dǎo)致柵極驅(qū)動器將噪聲誤解為驅(qū)動信號,由此導(dǎo)致因直通而造成嚴(yán)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(yīng)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(dǎo)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(dāng)?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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用
與大功率應(yīng)用相關(guān)的終端產(chǎn)品種類繁多。這些應(yīng)用包括:
使用SiC車載充電機(jī)(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(dá)成目標(biāo)。
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(dāng)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(wù)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(lǐng)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(shè)計,并集成了保護(hù)功能。安森美的SiC驅(qū)動器解決方案針對SiC應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,集成了負(fù)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(jìn)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(yīng)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(wù)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(dá) 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(shè)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(dá) ~1,200 VDC 的工作電壓。此外,它還提供了其他重要的保護(hù)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(dá) 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(shè)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(fù)偏壓的集成機(jī)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用,安森美提供了業(yè)界先進(jìn)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。