栅极驱动器 — 功率器件性能的关键环节：第 3 部分

其他栅极驱动器转换器考虑因素

栅极驱动器 DC-DC 转换器还有其他独特的问题。其中包括：

1） 调节：当器件不切换时，DC-DC 转换器上的负载接近于零。然而，大多数传统转换器始终要求最小负载;否则，它们的输出电压会急剧增加，可能达到栅极击穿水平。

发生的情况是，这个高电压存储在大容量电容器上，因此当器件开始切换时，它可能会出现栅极过压，直到转换器电平下降到正常负载下。因此，应使用具有箝位输出电压或极低最小负载要求的 DC-DC 转换器。

2） 启动和关断：重要的是，在驱动电路电压轨达到指定值之前，IGBT 和 MOSFET 不要由 PWM 控制信号主动驱动。然而，当栅极驱动转换器上电或断电时，可能存在瞬态条件，即使 PWM 信号处于非活动状态，也可以驱动器件，从而导致击穿和损坏。因此，DC-DC转换器输出在上电和断电时应表现良好，具有单调上升和下降，如图1所示。

图 1.DC-DC 转换器输出在上电和断电序列期间表现良好且没有电压瞬变至关重要。（图片：Murata Power Solutions）)

3） 隔离和耦合电容：在高功率下，功率逆变器或转换器通常使用桥式配置来产生线路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要求，高侧开关的栅极驱动 PWM 信号和相关驱动电源轨需要与地进行电流隔离，它们之间没有欧姆路径。此外，隔离栅必须坚固，并且在设计寿命内不会因重复的局部放电效应而出现显著退化。

此外，由于隔离栅上的电容耦合也存在问题，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泄漏电流。这导致要求驱动电路和相关电源轨应不受开关节点的高 dV/dt 的影响，并且具有非常低的耦合电容。

这个问题的机制是由于非常快的开关边沿，通常为每微秒 10 kV/μsec，对于最新的 GaN 器件，甚至高达 100 kV/μsec。这种快速转换 dV/dt 会导致瞬态电流流过 DC-DC 转换器隔离栅的电容。

由于电流 I = C × （dV/dt），即使是仅 20 皮法 （pF） 的小势垒电容和 10 kV/μs 的开关，也会产生 200 mA 的电流。该电流通过控制器电路找到一条不确定的返回路径返回电桥，导致连接电阻和电感之间出现电压尖峰，这有可能破坏控制器甚至 DC-DC 转换器的运行。因此，低耦合电容是非常理想的。

DC-DC 转换器的基本隔离和相关绝缘还有另一个方面。隔离栅旨在持续承受额定电压，但由于电压是开关的，因此隔离栅可能会随着时间的推移而更快地退化。这是由于阻挡材料中的电化学和局部放电效应，而这些效应完全是由于固定直流电压而发生的。

因此，DC-DC 转换器必须具有坚固的绝缘以及较大的爬电距离和间隙最小距离。如果转换器安全栅也是安全隔离系统的一部分，则相关监管机构的要求适用于所需的隔离级别（基本、补充或加强）、工作电压、污染程度、过电压类别和海拔高度。

由于这些原因，只有具有合适设计和材料的栅极驱动 DC-DC 转换器才能获得或正在等待 UL60950-1 的各种基本和增强保护级别（通常相当于 EN 62477-1：2012 中的保护级别）的认可。医疗标准 ANSI/AAMI ES60601-1 也已获得更严格的认可，其中包括 1 × 种患者保护手段 （MOPP） 和 2 种×作者保护手段 （MOOP） 要求。

4） 共模瞬态抗扰度：CMTI 是较高开关频率下的重要栅极驱动器参数，其中栅极驱动器在两个单独的接地参考之间具有差分电压，隔离式栅极驱动器就是这种情况。CMTI 定义为施加在两个隔离电路之间的共模电压的最大可容忍上升或下降速率，以 kV/μsec 或伏特/纳秒 （V/nsec） 为单位。

具有高 CMTI 意味着当信号具有非常高的上升 （正） 或下降 （负） 转换速率时，隔离式布置的两侧（发射侧和接收侧）会超过数据表的规格。DC-DC 转换器数据表应具有该参数的规格值，设计人员需要将其与其电路的工作频率和电压的具体情况相匹配。

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关键步骤，但它只是整个信号链的一部分。还有相关的栅极驱动器，它控制开关器件，快速、清晰地在导通和关断状态之间切换。反过来，驱动器本身需要一个合适的 DC-DC 转换器来提供其工作电源。各种供应商都提供具有必要电气性能的 DC-DC 转换器，这些转换器也满足为此功能规定的许多复杂的安全和监管要求。