【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(lái)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(wú)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(wèn)題，寄生電容和電感組件將造成問(wèn)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)檎俅闻c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(lái)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(lái)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O可以對(duì)無(wú)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(méi)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?，F(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(wèn)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(wèn)題。根據(jù)I = C dV/dt來(lái)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(wèn)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(guò)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(cè)量出的數(shù)據(jù)，很有可能是單脈沖。沒(méi)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(wú)直接關(guān)系因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)測(cè)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(jiǎn)單Hi-pot測(cè)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(lái)說(shuō)，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(cè)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(guò)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?？障对斐捎谰眯远搪?，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(chǎng)，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(guò)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(guò)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(wèn)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(cè)試中
圖6：PD測(cè)試評(píng)估電路
表2：BIER測(cè)試配置
局部放電在測(cè)試之前后各測(cè)量一次，性能沒(méi)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(zhǎng)期可靠性。如需完整報(bào)告請(qǐng)?jiān)L問(wèn)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(wèn)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(cè)試顯示出柵極驅(qū)動(dòng)DC-DC電源的隔離組件可以經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)具有良好的長(zhǎng)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(lái)源：RECOM
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