通過柵極驅(qū)動器提高開關電源功率密度

像許多電子領域一樣，進步持續(xù)發(fā)生。目前，在 3.3kW 開關電源 (SMPS)中，產(chǎn)品效率高達 98%，1U結構尺寸，其功率密度可達 100 W/in3。這之所以可以實現(xiàn)是因為我們在 圖騰柱 PFC 級中明智地選擇了超結 (SJ) 功率 MOSFET（例如CoolMOS?），碳化硅 (SiC) MOSFET（例如 CoolSiC?），而且還采用了氮化鎵 (GaN) 功率開關（例如 CoolGaN?）用于400V LLC 應用。PFC 和 LLC 數(shù)字控制器是必不可少，正如采用平面磁性器件和先進的柵極驅(qū)動器 IC（如EiceDRIVER?）在實現(xiàn)高性能方面發(fā)揮著重要作用。

 市場趨勢

經(jīng)久耐用的電氣隔離

在系統(tǒng)的兩個（或多個）部分之間必須進行接地環(huán)路隔離時，就要采用電氣隔離。采用電氣隔離的主要原因有：

1. 避免接地偏移（由電源開關的正常操作導致）影響系統(tǒng)的正常運行。

2. 防止浪涌或脈沖損害系統(tǒng)的完整性。

3. 保護人們免受有害電擊。

目前，德國 VDE 規(guī)范 DIN VDE V 0884-11:2017-01 (“VDE 0884-11”) 是電氣隔離柵極驅(qū)動器 IC 器件級標準的“黃金標準”。

VDE 0884-11 是任何電氣隔離半導體產(chǎn)品（即，不管是光學隔離、磁性隔離還是電容隔離）的第一個行業(yè)標準，不僅考慮了零時（即制造商測試產(chǎn)品時）的隔離柵特性。VDE 0884-11 還要求產(chǎn)品使用壽命為 20 年。為此，柵極驅(qū)動器 IC 要接受與時間相關的電介質(zhì)擊穿（TDDB）壽命測試 tBD（擊穿時間），該測試的上限為 37.5 年（見表 1）。

而眾所周知的器件級隔離標準中（如 UL 1577、IEC 60747-5-5 或同時到期的 VDE 0884-10）沒有產(chǎn)品使用壽命的要求。

由于 VDE 0884-11 是德國標準，因此該標準已與在很大程度上類似的國際 IEC 60747-17 標準合并，IEC 60747-17 標準于 2020 年 9 月 20 日發(fā)布。

VDE 0884-11 標準中含有一個不容忽視且非常重要的聲明：

“只有在安全等級范圍內(nèi)才能保證安全的電氣隔離。應通過適當?shù)谋Ｗo電路確保符合安全等級?！?/p>

在人們需要防止觸電時，這句話尤為重要。

表 1.器件級隔離標準概述

設想一下半橋中最壞的情況：高邊 MOSFET 柵極-漏極短路，而低邊 MOSFET 導通。在這種電氣過載（“EOS”）情況下，我們可以觀察到有超過 600 A 的電流流向柵極驅(qū)動器 IC 輸出端。因此，為了保護柵極驅(qū)動器 IC 輸出端，我們?yōu)闁艠O電阻 (R1) 補充了抑制二極管 (D1)（見圖1）。抑制二極管為柵極驅(qū)動器輸出端提供了旁路，將電流引導至半橋中點。因此，我們只要選擇了合適的應用設計，那么柵極驅(qū)動器 IC 從輸出端到輸入端的隔離功能就能保持不變。

圖1.EOS 測試裝置

除了要保持這種隔離功能外，采用模塑化合物覆蓋的裸露金屬通常不可見，即，必須保持封裝的完整性。

EOS 測試表明，柵極驅(qū)動器 IC 在 IC 輸入端嵌入隔離柵后（如英飛凌科技股份有限公司的 EiceDRIVER? 2EDR 系列），即使沒有抑制二極管 D1，也能滿足這兩項要求。

多個進步領域

UVLO 輸出級啟動時間較短

由于高邊柵極驅(qū)動器 IC的自舉電源是一種非常經(jīng)濟高效的解決方案，因此該解決方案很常見。因此，高壓 LLC 中的半橋和全橋（典型值 400 V 直流總線電壓），或低壓 DCDC 轉換器（例如，48 V 至 12 V）初級側的硬開關全橋通常都帶有自舉電路。

柵極驅(qū)動器 IC UVLO 啟動時間較短，從多方面為自舉式設計提供了優(yōu)勢：

a. 快速正常系統(tǒng)啟動。

b. 欠壓保護后的 LLC 啟動時間較短，例如超過 200 ms，這通常等同于 10 個電源周期。

c. 系統(tǒng)級保護激活后，重啟釋放時的 LLC 啟動時間較短。

d. 在自舉電路升壓期間，由于高邊與低邊 PWM 操作不對稱，主電源變壓器不會出現(xiàn)飽和狀態(tài)。

當在自舉高邊使用典型 UVLO 啟動時間為 2 μs 的雙通道電氣隔離柵極驅(qū)動器 IC時，在半橋可以開始工作之前，只會跳過四個高邊脈沖(前提是高邊 VDD 上升被視為典型值)。而類似的柵極驅(qū)動器 IC，其 UVLO 啟動時間為 10 μs 或更長，通常會跳過 10 個或更多高邊脈沖。這就大大延長了半橋工作的開始時間（圖 2）。

圖2. 最先進的雙通道隔離柵極驅(qū)動器 IC 的 UVLO 啟動時間比較

合適的 UVLO 關斷時間

在達到 UVLO 觸發(fā)的輸出級關斷時，其主要目標是能足夠快地保護開關器件免受熱過載。

同時，如果只是間歇降至 UVLOoff 閾值以下，則不應關斷開關級。

實際經(jīng)驗表明，500 ns 的關斷延遲是不錯的選擇，這可以避免 VDD 上的噪聲或振鈴（例如由負載跳躍引起）引發(fā)意外的輸出級關斷。

有源輸出鉗位

輸出鉗位的目的是在柵極驅(qū)動器電源仍低于 UVLOon 閾值的同時確保輸出級安全關斷。這降低了半橋自舉啟動過程中的直通風險。

在電源電壓高于 UVLOon 閾值時，柵極驅(qū)動器 IC 預計會將控制輸入傳遞到輸出級，即輸出端不再鉗位，而是跟隨輸入端信號。

在自舉半橋級中，當?shù)瓦吳袚Q為升壓電容充電時，由高邊開關的 CGD 和 CGS組成的容性分壓器會導致 VGS 超過其導通閾值。柵極驅(qū)動器 IC 輸出鉗位的目的在于避免 VGS 超過此導通閾值，并有效地使其短路。而如果輸出鉗位沒有發(fā)生，此時高邊開關與低邊開關同時導通，就會形成半橋直通。

先進的柵極驅(qū)動器 IC 帶有輸出鉗位電路，電路會在低至 1.2 V 的 VDD 電平下激活，非常適合高邊開關的“教科書式”啟動（見圖 3）。

圖3.有源輸出鉗位比內(nèi)置 RC 鉗位的輸出級響應更快。

與此相反，如果柵極驅(qū)動器 IC 帶有內(nèi)置慢速RC 鉗位電路，則在半橋的啟動期間會出現(xiàn)一定程度的直通，直到最終 VDD 值高到足以激活輸出鉗位電路為止。這并非理想情況，因為這會導致開關器件的電氣過載。

具有可配置死區(qū)時間的直通保護

在半橋中引入死區(qū)時間的目的在于，在開關關斷后、半橋另一側導通前，使開關尾電流衰減。否則，就可能發(fā)生直通事件。超結功率 MOSFET （例如英飛凌科技股份有限公司的 CoolMOS?）的典型衰減時間在 300 ns 內(nèi)。

在正常工作的系統(tǒng)中，在控制器 IC 中運行的軟件滿足這一死時間。這樣一來，控制器 IC 就可以管理該開關級的有效占空比。在確定軟件控制的死區(qū)時間時，控制器 IC 硬件、操作系統(tǒng)和應用軟件的實時性能都起到了作用。因此，基于軟件的有效死區(qū)時間通常不會小于 300 ns。但在大多數(shù)情況下，這一死區(qū)時間要長得多。

為了防止基于軟件的死區(qū)時間控制出現(xiàn)故障，柵極驅(qū)動器 IC 內(nèi)置的直通控制和死區(qū)時間控制可作為第二級安全機制來防止直通事件。

現(xiàn)代雙通道隔離柵極驅(qū)動器 IC 通過外部電阻實現(xiàn)了可配置的死區(qū)時間設置。死區(qū)時間從 10 ns 到 1000 ns 不等，選擇空間大。因此，這種柵極驅(qū)動器 IC 非常適用于各種功率開關技術，包括氮化鎵 (GaN) 功率開關。死區(qū)時間精度可達 +/-15%。實際上，這通常比基于 IC 的死區(qū)時間控制的實際控制要精確得多。

封裝創(chuàng)新

雙通道電氣隔離柵極驅(qū)動器 IC，采用 150 mil 和 300 mil DSO 封裝，通常采用 14 引腳配置。在柵極驅(qū)動器 IC 級，傳統(tǒng)的 16 引腳配置與越來越流行的 14 引腳配置之間的區(qū)別在于，先前輸出端的“空”腳實際上已不存在（圖 4）。

這樣就能實現(xiàn)額外的 PCB 頂級布線?；蛘?，由于由此產(chǎn)生的通道間爬電距離增加到了 3.4 mm（參考 IEC 60664-1，I 級污染），因此可以實現(xiàn)高達 1025 VRMS的通道間功能隔離電壓。

電氣隔離柵極驅(qū)動器 IC 的封裝尺寸非常重要，設計人員現(xiàn)已可選用無引腳 4x4 mm2 封裝。相對于默認的 5x5 mm2 封裝尺寸，4x4 mm2 柵極驅(qū)動器 IC 節(jié)省了 36% 的 PCB 面積。輸入輸出隔離額定值相當于 VISO=2250 VRMS (UL 1577)。

大多數(shù)現(xiàn)代雙通道低邊柵極驅(qū)動器 IC 雖然帶有兩個輸入端，但這些輸入端通常與固定電位相連，這意味著輸入端實際上并未使用。那么，這種輸入端存在的原因是什么，尤其是當想要實現(xiàn)高功率密度時？

圖4. 14 引腳與 16 引腳 DSO 封裝比較。

雙通道低邊柵極驅(qū)動器 IC 采用 6 引腳封裝（如有引腳 SOT-23，甚至像 TSNP 等無引腳超小型 1.1x1.5 mm2 6 引腳封裝），是非常實用且經(jīng)濟高效的解決方案（圖 5）。這樣一來，柵極驅(qū)動器 IC 的所有優(yōu)勢都將得以體現(xiàn)，例如數(shù)字導通/關斷特性、界定的 UVLO、5 A 強輸出級、個位數(shù) ns 傳播延遲精度。同時，最大限度地降低了 PCB 面積占用，提高了 PCB 布局的靈活性。

圖5. 采用小尺寸封裝的雙通道低邊柵極驅(qū)動器 IC 示例

結論

柵極驅(qū)動器 IC 集成了電氣隔離，該功能已經(jīng)從認證為僅在零時狀態(tài)下有效的產(chǎn)品特征發(fā)展成為規(guī)定產(chǎn)品工作壽命為 20 年的產(chǎn)品特性。借助適當?shù)膽迷O計，隔離功能和封裝完整性即使在嚴重的電氣過載情況下，也絲毫不會受到影響。

縮短 UVLO 啟動時間加快了系統(tǒng)啟動速度，也避免了主電源變壓器出現(xiàn)飽和狀態(tài)。合適的 UVLO 關斷時間可防止開關器件出現(xiàn)熱過載，還有助于在 VDD 噪聲或振鈴情況下保證工作穩(wěn)健性。

雖然柵極驅(qū)動器電源仍低于 UVLOon 閾值，但有源輸出鉗位為柵極驅(qū)動器 IC 輸出端提供了一條低阻抗接地路徑。這種最通用的方法可以避免在自舉啟動過程中出現(xiàn)半橋級擊穿事件。

柵極驅(qū)動器 IC 硬件內(nèi)置可配置擊穿保護和死區(qū)時間控制，這些功能是重要的二級安全機制。封裝創(chuàng)新移除了未使用的引腳（以前稱為“空”腳），而且封裝尺寸也越來越小。

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下載建議：應用說明——隔離柵極驅(qū)動解決方案參考文獻

1. Hubert Baierl，“EiceDRIVER?解決電源中的接地偏移問題”，Elektronicnet.com，2018 年。

2. Hubert Baierl，“開關電源設計不再面臨接地偏移挑戰(zhàn)”，Power Electronic News，2018 年 5 月

3. Hubert Baierl，“智能診斷優(yōu)化工廠車間正常運行時間”，EE Times Europe，2013 年 5 月

4. Hubert Baierl，“提供智能化保護”，Bodo Power Systems，2011 年 5 月

作者簡介

Baierl 先生是英飛凌科技股份有限公司 EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動器 IC 和 ISOFACE?產(chǎn)品的產(chǎn)品營銷負責人。由其提供技術支持的柵極驅(qū)動器 IC 主要應用于超結 MOSFET CoolMOS?、CoolSiC?碳化硅 MOSFET、CoolGaN? GaN HEMT 以及中低壓 OptiMOS? 開關應用。Baierl 先生持有美國路易斯安那州立大學電氣工程碩士學位及德國奧格斯堡大學工商管理碩士學位。