【導讀】新的技術與市場趨勢不斷對功率能力和解決方案尺寸提出更高需求。電動汽車、可再生能源微電網、海量儲能和大功率電信應用的發展也對功率密度提出了更高的要求。
以往專用于特定大功率應用的電壓和功率水平現在在日常應用中也越來越普遍，這意味著曾經可原諒的性能問題現在也變得無法忍受。這類應用的主要限制傳統上來自于電源開關技術，尤其是硅半導體的性能限制。但寬禁帶 (WBG) 半導體的出現突破了這個瓶頸，實現了高壓、高頻的電源變換器設計。
然而，高功率和高速率的結合為設計人員設計變換器帶來一系列新的問題。例如，電源轉換模塊中的高電壓與控制模塊中的弱小信號電路之間會產生不必要的耦合，本文將主要討論這種情況帶來的危害。
對隔離式柵極驅動器的需求
柵極驅動器是很多電源變換器中的常用元件。由于控制電路在低電壓下運行，控制器無法提供足夠的電力來快速安全地打開或關閉電源開關。因此，來自控制器的信號被發送到可以承受更高功率的柵極驅動器，由其根據需要來驅動 MOSFET 的柵極。
在大功率或高電壓應用中工作時，電路中的元件會受到大電壓漂移和大電流的影響。如果功率 MOSFET 到控制電路之間存在電流泄漏，則功率轉換電路中涉及的高電壓和電流很容易燒毀晶體管，從而導致控制電路大面積擊穿。另外，大功率應用還需要在輸入和輸出之間進行隔離，以保護用戶以及連接到變換器下游的任何其他設備。
隔離可以采用多種機制和材料來實現，每種方法都有其自身的優勢。不過，目前高性能系統最常用的方法還是容性耦合，因為它比電感隔離占用空間更少，比光耦合器更加可靠，并且能夠提供無可比擬的隔離能力。圖 1 顯示了一個隔離式驅動器的原理圖。
圖1: 隔離式驅動器原理圖
容性隔離器采用兩個串聯的電容。這些電容基于硅芯片，并以氧化硅作為電介質。通過使用厚電介質進行構建，這些電容可以承受極高的峰值電壓而不會被擊穿。這種隔離器的工作原理是將來自控制器的 PWM 信號調制為高頻信號，然后生成一個差分電壓對以將該信息發送到電容。這樣，調制信號可以通過隔離屏障而不會丟失任何數據。通過屏障后，信號在與驅動電路交互之前被解調。
容性隔離的主要益處在于整個隔離式驅動器可以被輕松集成到單個芯片中，因為電容采用了與其他驅動器組件相同標準的微電子工藝制造。MPS還提供同時具備上管和下管電源開關驅動器的 IC，例如隔離式半橋柵極驅動器 MP18831。
重要參數：隔離和 CMTI
隔離式柵極驅動器的關鍵參數之一是其隔離電壓額定值。擁有恰當的隔離電壓對于保護用戶免受潛在的放電電流危害至關重要，它還可以避免意外的電壓瞬變破壞連接到電源的其他電路。另外，隔離電壓還可使變換器內部信號免受噪聲或意外共模電壓瞬變帶來的干擾。
隔離度通常表示為隔離層可以承受的電壓量。在大多數數據手冊中，隔離電壓常表達為最大峰值隔離電壓、工作隔離電壓和 RMS 隔離電壓等參數。
但是，由于電壓和頻率增大，柵極驅動器將面臨斜率非常大的大幅度電壓漂移。如果這些電壓瞬變足夠快，電壓中的某些高頻分量可能無法被傳統隔離方法阻斷。共模瞬態隔離 (CMTI) 可以阻斷這些高頻電壓分量耦合并穿過隔離屏障，從而實現電路的保護。
隨著總線電壓和開關頻率的不斷提高，CMTI 在柵極驅動器中變得越來越重要。如果 CMTI 不夠高，高功率噪聲可能會耦合到隔離式柵極驅動器，從而產生電流環路并導致電荷出現在開關柵極上。當電荷足夠大，柵極驅動器可能會將噪聲誤解為驅動信號，從而擊穿并導致嚴重的電路故障。圖 2 顯示了在 CMTI 不足的情況下，電荷是如何通過隔離屏障耦合的。
圖 2： CMTI 不足導致的驅動器電荷耦合
隔離式柵極驅動器保護：米勒鉗位和 DESAT 保護
通過隔離屏障的寄生耦合可能不是擊穿的唯一原因。來自開關節點的電壓也可能通過晶體管自身的寄生耦合耦合到晶體管的柵極。這種耦合通常由 MOSFET 的等效寄生電容（稱為米勒電容）產生。米勒電容在高頻、高壓開關中會引起嚴重的問題。
因為電容存在自然高通行為，高頻電壓會通過米勒電容耦合，繞過 MOSFET 柵極和溝道之間的隔離屏障。
這意味著電流將流過柵極節點，為柵極充電并可能觸發開關。一旦發生這種情況，總線電壓和 GND 之間就會建立起一條直接的路徑，導致直通電流和變換器效率損失。
有源米勒鉗位是由一個比較器和一個附加 MOSFET 組成的低阻抗路徑。當上管 FET 導通時，它將下管 FET 的柵極連接到地。該過程將通過米勒電容的電流從柵極重定向到地，從而降低了柵極電荷并避免了不需要的柵極驅動。圖 3 展示了帶與不帶米勒鉗位時的開關半橋瞬態交叉傳導原理。 其中圖 3a 為沒有米勒鉗位時的原理圖；圖 3b 為帶米勒鉗位時的原理圖。
圖3: 開關半橋瞬態交叉傳導原理
柵極積累的電荷還可能導致其他問題，例如去飽和。去飽和是指 MOSFET 非自主地進入非線性區域的過程。該操作區域效率極低，因此從不用于功率轉換。它會使功耗增加，不僅系統效率降低，還可能導致開關損壞。為避免這種情況，可采用DESAT 保護電路來檢測開關兩端的電壓，在其超過去飽和閾值時停止為柵極供電（參見圖 5）。
圖 4：MOSFET 工作區域及去飽和保護原理
Conclusion
寬禁帶（WBG）半導體的引入不僅提高了開關頻率，還提高了功率要求，這使隔離成為電源變換器設計的關鍵環節。高隔離度和高CMTI 額定值是確保用戶和連接到電源的設備免受意外電流泄漏傷害的關鍵特性。而去飽和保護和有源米勒鉗位等保護功能則可以確保 MOSFET 的安全運行。
MPS 提供多種隔離式柵極驅動器，例如 MP18831, 這是一款具有可配置死區時間控制且專為半橋變換器拓撲而設計的雙通道驅動器。
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