柵極驅動器 — 功率器件性能的關鍵環節：第 3 部分

其他柵極驅動器轉換器考慮因素

柵極驅動器 DC-DC 轉換器還有其他獨特的問題。其中包括：

1） 調節：當器件不切換時，DC-DC 轉換器上的負載接近于零。然而，大多數傳統轉換器始終要求最小負載;否則，它們的輸出電壓會急劇增加，可能達到柵極擊穿水平。

發生的情況是，這個高電壓存儲在大容量電容器上，因此當器件開始切換時，它可能會出現柵極過壓，直到轉換器電平下降到正常負載下。因此，應使用具有箝位輸出電壓或極低最小負載要求的 DC-DC 轉換器。

2） 啟動和關斷：重要的是，在驅動電路電壓軌達到指定值之前，IGBT 和 MOSFET 不要由 PWM 控制信號主動驅動。然而，當柵極驅動轉換器上電或斷電時，可能存在瞬態條件，即使 PWM 信號處于非活動狀態，也可以驅動器件，從而導致擊穿和損壞。因此，DC-DC轉換器輸出在上電和斷電時應表現良好，具有單調上升和下降，如圖1所示。

圖 1.DC-DC 轉換器輸出在上電和斷電序列期間表現良好且沒有電壓瞬變至關重要。（圖片：Murata Power Solutions）)

3） 隔離和耦合電容：在高功率下，功率逆變器或轉換器通常使用橋式配置來產生線路頻率交流電或為電機、變壓器或其他負載提供雙向 PWM 驅動。為了用戶安全和滿足監管要求，高側開關的柵極驅動 PWM 信號和相關驅動電源軌需要與地進行電流隔離，它們之間沒有歐姆路徑。此外，隔離柵必須堅固，并且在設計壽命內不會因重復的局部放電效應而出現顯著退化。

此外，由于隔離柵上的電容耦合也存在問題，這類似于完全絕緣的交流線路變壓器的初級和次級繞組之間的泄漏電流。這導致要求驅動電路和相關電源軌應不受開關節點的高 dV/dt 的影響，并且具有非常低的耦合電容。

這個問題的機制是由于非常快的開關邊沿，通常為每微秒 10 kV/μsec，對于最新的 GaN 器件，甚至高達 100 kV/μsec。這種快速轉換 dV/dt 會導致瞬態電流流過 DC-DC 轉換器隔離柵的電容。

由于電流 I = C × （dV/dt），即使是僅 20 皮法 （pF） 的小勢壘電容和 10 kV/μs 的開關，也會產生 200 mA 的電流。該電流通過控制器電路找到一條不確定的返回路徑返回電橋，導致連接電阻和電感之間出現電壓尖峰，這有可能破壞控制器甚至 DC-DC 轉換器的運行。因此，低耦合電容是非常理想的。

DC-DC 轉換器的基本隔離和相關絕緣還有另一個方面。隔離柵旨在持續承受額定電壓，但由于電壓是開關的，因此隔離柵可能會隨著時間的推移而更快地退化。這是由于阻擋材料中的電化學和局部放電效應，而這些效應完全是由于固定直流電壓而發生的。

因此，DC-DC 轉換器必須具有堅固的絕緣以及較大的爬電距離和間隙最小距離。如果轉換器安全柵也是安全隔離系統的一部分，則相關監管機構的要求適用于所需的隔離級別（基本、補充或加強）、工作電壓、污染程度、過電壓類別和海拔高度。

由于這些原因，只有具有合適設計和材料的柵極驅動 DC-DC 轉換器才能獲得或正在等待 UL60950-1 的各種基本和增強保護級別（通常相當于 EN 62477-1：2012 中的保護級別）的認可。醫療標準 ANSI/AAMI ES60601-1 也已獲得更嚴格的認可，其中包括 1 × 種患者保護手段 （MOPP） 和 2 種×作者保護手段 （MOOP） 要求。

4） 共模瞬態抗擾度：CMTI 是較高開關頻率下的重要柵極驅動器參數，其中柵極驅動器在兩個單獨的接地參考之間具有差分電壓，隔離式柵極驅動器就是這種情況。CMTI 定義為施加在兩個隔離電路之間的共模電壓的最大可容忍上升或下降速率，以 kV/μsec 或伏特/納秒 （V/nsec） 為單位。

具有高 CMTI 意味著當信號具有非常高的上升 （正） 或下降 （負） 轉換速率時，隔離式布置的兩側（發射側和接收側）會超過數據表的規格。DC-DC 轉換器數據表應具有該參數的規格值，設計人員需要將其與其電路的工作頻率和電壓的具體情況相匹配。

總結

為開關電源設計選擇合適的 MOSFET 或 IGBT 器件是設計過程中的關鍵步驟，但它只是整個信號鏈的一部分。還有相關的柵極驅動器，它控制開關器件，快速、清晰地在導通和關斷狀態之間切換。反過來，驅動器本身需要一個合適的 DC-DC 轉換器來提供其工作電源。各種供應商都提供具有必要電氣性能的 DC-DC 轉換器，這些轉換器也滿足為此功能規定的許多復雜的安全和監管要求。