基于DC/DC 转换器的栅极驱动器电源方案

出处:Digi-Key 发布于:2022-07-26 16:41:00

    从电源和电机驱动器再到充电站和无数其他应用,硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) MOSFET 以及绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 等开关电源半导体都是实现高效电源系统设计的关键。但是,要让电源装置获得性能,需要适当的栅极驱动器。
    顾名思义,栅极驱动器的作用是驱动电源装置的栅极,使其快速利落地进入或退出导通模式。要做到这一点,不论内部器件和杂散(寄生)电容、电感以及负载(栅极)端的其他问题如何,驱动器都要有能力拉出/灌入足够的电流。因此,提供适当尺寸且具有适当关键属性的栅极驱动器,对于发挥电源装置的潜力和效率至关重要。然而,要想限度地发挥栅极驱动器的作用,设计人员必须特别注意驱动器的直流电源,而这个电源独立于电源装置的直流电轨之外。此电源与传统电源类似,但也有一些重要的区别之处。它可以是单极电源,但在许多情况下,它是一个非对称的双极电源,同时还有其他功能和结构差异。此外,设计人员还必须注意外形尺寸,包括电路板基底面和扁平要求,以及与设计的预期装配和制造工艺的兼容性。
    本文将以 Murata Power SoluTIons 的 MGJ2 系列 2 W 栅极驱动 DC/DC 转换器中的表面贴装器件 (SMD) DC/DC 电源为例,重点介绍栅极驱动器的电源。
    从开关器件开始
    要了解栅极驱动器 DC/DC 转换器的作用和所需的属性,需要从开关器件开始。在用作开关器件的 MOSFET 中,栅源路径可用于控制器件的关断或导通状态(IGBT 与之相似)。当栅源电压小于阈值电压 (VGS 《 VTH) 时,MOSFET 处于截止区,没有漏电流流动(ID = 0 A),MOSFET 看起来像一个“开路开关”(图 1)。
 
    图 1:在截止模式下,MOSFET 漏源路径看起来像一个开路开关。(图片:Quora)
    相反,当栅源电压远大于阈值电压 (VGS 》 VTH) 时,MOSFET 处于饱和区,有漏电流流动 (ID = VDD /RL),MOSFET 看起来像一个“闭路开关”(图 2)。对于理想 MOSFET,漏源电压为零(VDS = 0 V),但在实践中,由于内部导通电阻 RDS(on)(通常低于 0.1 Ω,并且可能低至几十 mΩ),VDS 通常为 0.2 V 左右。
    
    图 2:在饱和模式下,MOSFET 漏源路径看起来像一个低电阻开关。(图片:Quora)
    虽然原理图让人看起来是施加在栅极上的电压导致 MOSFET 导通和关断,但这种看法并不全面。该电压驱动电流进入 MOSFET,直至有足够的累积电荷将其导通。根据开关驱动器的大小(额定电流)和类型,快速进入完全导通状态所需的电流量可能为区区几 mA 到几 A。
    栅极驱动器的功能是,将足够的电流快速利落地驱动到栅极中,以使 MOSFET 导通,以及将该电流反向拉出,以使 MOSFET 关断。更正式地说,栅极需要通过一个低阻抗电源来驱动,而该电源能够拉出和灌入足够的电流,从而实现控制电荷的快速插入和拔出。
    如果 MOSFET 栅极看起来像一个纯粹的阻性负载,那么此电流的拉出和灌入将会相对简单。但是,不仅 MOSFET 具有内部容性和感性寄生元件,还存在来自驱动器和电源装置之间的互连器件的寄生效应(图 3)。
   
    图 3:此 MOSFET 模型显示了影响驱动器性能的寄生电容和电感。(图片:Texas Instruments)
    于是,栅极驱动信号在接近阈值电压时会出现瞬时振荡,导致器件在完全导通或关断的轨迹上出现或多次导通和关断;这有点类似于机械开关的“开关弹跳”现象(图 4)。
 
    图 4:由于 MOSFET 负载中的寄生效应导致驱动器输出出现瞬时振荡,进而导致类似于机械开关弹跳的瞬时振荡和误触发。(图片:Learn About Electronics)
    这一现象影响的范围很广:小到在开关灯这类无关紧要的应用中,可能造成没有人会注意到或仅仅有些烦人的细微影响;大到在电源、电机驱动器和类似子系统中,可能对广泛使用的脉宽调制 (PWM) 快速开关电路造成损坏。在标准的半桥和全桥拓扑结构中,由于负载被置于上下一对 MOSFET 之间,如果电桥同一侧的两个 MOSFET 同时导通,哪怕只是一瞬间,也会造成短路,甚至是性的损坏。这种现象被称为“击穿”(图 5)。
  
    图 5:与正常的 MOSFET 导通(Q1 和 Q4(左图)或 Q2 和 Q3(右图))相比,如果由于驱动器问题或其他原因,电桥的 Q1 和 Q2 或 Q3 和 Q4 同时导通,则在电源轨和接地之间就会出现不可接受且可能造成损坏的短路情况,也称为“击穿”。(图片:Quora)
    栅极驱动详细信息
    为了驱动电流进入栅极,电轨的正电压应足够高,以确保电源开关处于完全饱和/增强状态,但不应超过其栅极的电压。虽然此电压值取决于具体的器件类型和型号,但 IGBT 和标准 MOSFET 通常在 15 V 驱动电压下就能完全导通,而典型的 SiC MOSFET 可能需要接近 20 V 的驱动电压才能完全导通。
    负栅极驱动电压的情况则要复杂一些。原则上,对于关断状态,栅极上保持 0 V 电压就足够了。但是,利用一个负电压(通常介于 -5 V 至 -10 V 之间),则可以实现受栅极电阻器控制的快速开关。适当的负驱动电压可确保栅极-发射极的关断电压实际始终为零或更低。
    这一点很关键,因为只要开关和驱动器基准之间存在任何发射极电感 (L)(在图 6 中的“x”点),都会导致开关关断时出现反向的栅极-发射极电压。虽然该电感可能很小,但即使是极小的 5 nH 电感(几毫米的导线连接)也会产生 di/dt 压摆率达 1000 A/μs 的 5 V 电压。
   
    图 6:由于布局因素,在开关和驱动器基准之间的“x”点即使有一个很小的发射极电感,也会在开关关断时感应一个反向的栅极-发射极电压,导致出现开/关“抖动”。(图片:Murata Power SoluTIons)
    负栅极驱动电压也有助于克服集电极/漏极-栅极米勒效应电容 Cm 的影响,该电容会在器件关断期间向栅极驱动电路注入电流。当器件被关断时,集电极-栅极电压上升,值为 Cm × dVce/dt 的电流经由米勒电容,流入栅极至发射极/源极电容 Cge,并经由栅极电阻器流向驱动电路。栅极上产生的电压 Vge 可能足以再次导通器件,从而造成可能的击穿和损坏(图 7)。
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    图 7:使用负栅极驱动电压可以克服由于 MOSFET 或 IGBT 内存在米勒效应电容而产生的缺点。(图片:Murata Power SoluTIons)
    不过,通过负栅极驱动电压,这种影响被化。出于此原因,有效的驱动器设计需要正、负两个电压轨来实现栅极驱动功能。然而,与大多数具有对称输出(如 +5 V 和 -5 V)的双极 DC/DC 转换器不同,栅极驱动器的电源轨通常是非对称的,且正电压大于负电压。
    确定转换器的额定功率大小
    关键因素之一是栅极驱动转换器必须提供多大的电流,进而提供多大的额定功率。基本的计算过程非常简单。在每个开关周期,栅极必须通过栅极电阻器 Rg 进行充电和放电。该器件的规格书中提供了栅极电荷 Qg 值的曲线,其中 Qg 是指在特定的栅极电压下需要注入到栅极电极以导通(驱动)MOSFET 的电荷量。使用以下公式得出必须由 DC/DC 转换器提供的功率:
    其中,Qg 是所选栅极电压摆动(从正到负,值为 Vs,频率为 F)对应的栅极电荷。该功率耗散在器件的内部栅极电阻 (Rint) 和外部串联电阻 Rg 中。大多数栅极驱动器需要低于一到两瓦的电源。
    另一个考虑因素是:给栅极充电和放电所需的峰值电流 (Ipk)。这是 Vs、Rint 和 Rg 的函数。它使用以下公式计算:
   
    在许多情况下,此峰值电流超出了 DC/DC 转换器可以提供的范围。大多数设计并没有采用更大、更昂贵的电源(在低占空比下运行),而是在驱动器电源轨上使用大容量电容器来供应电流,这些电容器则由转换器在低电流周期部分进行充电。
    通过基本计算可以确定这些大容量电容器的规格。但同样重要的是,它们必须具有较低的等效串联电阻 (ESR) 和电感 (ESL),以免妨碍它们所输送的瞬时电流。
    其他栅极驱动转换器考虑因素
    栅极驱动器的 DC/DC 转换器还面临着其他特有的问题。其中包括:
     调节:当 DC/DC 转换器没有开关时,器件上的负载接近于零。然而,大多数传统转换器任何时候都需要一个极小的负载;否则,它们的输出电压会急剧增加,甚至可能达到栅极击穿电平。
    这时会发生以下情况:此高电压被储存在大容量电容器上,导致器件开始开关时就会出现栅极过压,直到转换器电平在正常负载下下降。因此应使用具有钳位输出电压或极低的负载要求的 DC/DC 转换器。
     启动和关断:在驱动电路的电压轨达到指定值之前,IGBT 和 MOSFET 不能由 PWM 控制信号主动驱动,这一点很重要。然而,当栅极驱动转换器通电和断电时,可能存在一种瞬时条件,即使在 PWM 信号处于非活动状态时也能驱动器件导通,导致器件发生击穿和损坏。因此,DC/DC 转换器输出在通电和断电时应保持稳定,具有单调的上升和下降(图 8)。
  
    图 8:DC/DC 转换器输出在通电和断电序列中保持稳定,没有出现电压瞬变,这一点至关重要。(图片:Murata Power SoluTIons)
    隔离和耦合电容:在高功率下,电源逆变器或转换器通常使用电桥配置来生成线频率交流电,或为电机、变压器或其他负载提供双向 PWM 驱动。为了用户安全和满足监管规定,栅极驱动 PWM 信号和高压侧开关的相关驱动电源轨需要与接地保持电隔离,两者之间不存在任何电阻路径。此外,隔离栅必须非常紧固耐用,在设计寿命期内不会因为反复的局部放电效应而出现明显的性能退化。
    此外,还有一些问题是由于跨越隔离栅的电容耦合造成的;这类似于完全绝缘的交流线路变压器的初级和次级绕组之间的漏电流。这就要求驱动电路和相关的电源轨不能受开关节点处的高 dV/dt 的影响,并且具有极低的耦合电容。
    产生这一问题的机制是,由于开关速度非常快,dV/dt 通常高达 10 kV/μs,对于的 GaN 器件,甚至高达 100 kV/μs。这种快速摆动的 dV/dt 致使瞬时电流流经 DC/DC 转换器隔离栅的电容。
    由于电流 I = C x (dV/dt),即使是仅 20 pF 的很小隔离电容,在 10 kV/μs 的开关作用下,也会产生 200 mA 的电流。该电流会找到一条不确定的返回路线,通过控制器电路返回到电桥,导致连接电阻和电感两端出现电压尖峰,而这有可能破坏控制器甚至 DC/DC 转换器的运行。因此,低耦合电容显得非常重要。
    DC/DC 转换器的基本隔离和相关绝缘还存在另一方面的问题。隔离栅的设计可以连续承受额定电压,但由于是开关电压,因此隔离栅有可能随着时间的推移而加速退化。这是因为隔离栅材料中存在电化学和局部放电效应,而这些效应完全取决于固定直流电压。
    因此,DC/DC 转换器必须具有可靠的绝缘和宽裕的爬电和间隙距离。如果转换器隔离栅也构成安全隔离系统的一部分,则适用相关机构关于所需隔离水平(基本、补充、增强)、工作电压、污染度、过压类别和海拔高度的监管规定。
    由于这些原因,只有具有适当设计和材料的栅极驱动 DC/DC 转换器才能通过或申请 UL60950-1 ,提供各种级别的基本和增强保护(通常相当于 EN 62477-1:2012 中的保护级别);更严格的也已部署到位或正在申请中,以满足医疗标准 ANSI/AAMI ES60601-1 有关 1 × 患者保护措施 (MOPP) 和 2 × 操作者保护措施 (MOOP) 的要求。
     共模瞬态抗扰度:在更高的开关频率下,栅极驱动器的两个独立接地基准之间存在一个差分电压,这时 CMTI 便是一个重要的栅极驱动器参数,隔离式栅极驱动器便是如此。CMTI 的定义是,施加在两个隔离电路之间的共模电压的可容许上升或下降速率,并以 kV/?s 或 V/ns 为单位。
    具有高 CMTI 意味着,当用具有极高的上升(正)或下降(负)压摆率的信号“冲击”隔离栅时,隔离式部署的两端(发射端和接收端)将会超出规格书的规格。DC/DC 转换器的规格书应包含此参数的规格值,设计人员则需要根据其电路工作频率和电压的具体情况进行匹配。
    满足栅极驱动器 DC/DC 转换器的要求
    认识到对栅极驱动 DC/DC 转换器面临的诸多富有挑战性且经常相互冲突的需求后,Murata 对其 MGJ2 系列通孔 DC/DC 转换器进行了扩展,以纳入 SMD DC/DC 单元。他们的转换器由于具有高性能、紧凑的外形尺寸和扁平的外形(大约 20 mm 长 × 15 mm 宽 × 4 mm 高),并且与 SMD 制造工艺兼容,非常适合在空间和重量受限的应用中为 IGBT 和 MOSFET 的高压侧和低压侧栅极驱动电路供电。
    该系列 2 W 转换器的成员采用 5 V、12 V 和 15 V 标称输入电压,并提供非对称输出电压选择(+15 V/-5 V、+15 V/-9 V和 +20 V/-5 V 输出),以支持具有系统效率和少电磁干扰 (EMI) 的驱动电平。表面贴装封装简化了与栅极驱动器的物理集成,可实现更紧密的布局,从而降低布线的复杂性,同时限度减少 EMI 或射频干扰 (RFI) 的拾取。
    MGJ2 系列被指定用于满足电机驱动器和逆变器中使用的电桥电路所需的高隔离度和 dV/dt 要求,其工业级额定温度和结构提供了长使用寿命和高可靠性。其他关键属性包括:
    增强型绝缘,符合 UL62368 要求(申请中)
    ANSI/AAMI ES60601-1 (申请中)
    5.7 kV DC 绝缘测试电压(根据“高压测试”)
    超低的隔离电容
    工作温度高达 +105°C(降额)
    短路保护
    特征化的共模瞬变抗扰度 (CMTI) 》200 kV/?s
    2.5 kV 的连续隔离耐压性能
    特征化的局部放电性能
    以下两个单元展示了 MGJ2 系列可提供的性能范围:
     MGJ2D152005MPC-R7 接受 15 V 标称输入(13.5 V 至 16.5 V),并提供高度非对称的 +20 V 和 -5.0 V 输出,每路电流高达 80 mA。主要规格包括:两路输出分别具有 9% 和 8% 的负载调整率(值),纹波和噪声低于 20/45 mV(典型值/值),效率为 71/76%(值/典型值),隔离电容仅为 3 pF,平均故障时间 (MTTF) 约为 1100 kHr(使用 MIL-HDBK-217 FN2 确定)和 43,500 kHr(根据 Telecordia SR-332 计算模型)。
    MGJ2D121509MPC-R7 采用 12 V 标称输入电压(10.8 V 至 13.2 V),并提供非对称的 +15 V 和 -9.0 V 输出,每路电流同样高达 80 mA。其他主要规格包括:+15 V 输出具有 8%/13% 的负载调整率(典型值/值),-9.0 V 输出具有 7%/12% 的负载调整率(典型值/值),纹波和噪声低于 20/45 mV(典型值/值),效率为 72/77%(值/典型值),隔离电容为 3 pF,MTTF 约为 1550 kHr(使用 MIL-HDBK-217 FN2 确定)和 47,800 kHr(根据 Telecordia 模型)。
    除了详细说明静态和动态性能的预期列表和图表外,该系列成员的通用规格书还列出了这些转换器符合的许多行业标准和监管规定,以及用于确定这些因素的相关测试条件的全面细节。这不仅提高了产品的可信度,在具有严格合规性要求的应用中还能加速产品。
    总结
    为开关电源设计选择合适的 MOSFET 或 IGBT 器件是设计过程中的一个重要步骤。此外,还要选择相关的栅极驱动器,用于控制开关器件在开和关的状态之间快速利落地翻转。反过来,驱动器需要一个合适的 DC/DC 转换器为其提供工作电源。如前所示,Murata 的 MGJ2 系列 2 W 表面贴装 DC/DC 转换器不仅提供了所需的电气性能,还能满足这一功能所需的许多复杂的安全和监管规定。

关键词:电子

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