【導讀】電隔離式 (GI) 柵極驅動(dòng)器在優(yōu)化碳化硅 (SiC) MOSFET性能方面扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色，特別是在應對電氣化系統日益增長(cháng)的需求時(shí)。隨著(zhù)全球對電力在工業(yè)、交通和消費產(chǎn)品中依賴(lài)性的加深，SiC技術(shù)憑借其提升效率和縮小系統體積的能力脫穎而出。本文為第二篇，將分享電隔離柵極驅動(dòng)器的隔離能力評估 ，并介紹其典型的應用市場(chǎng)與安森美(onsemi)可提供的高新能產(chǎn)品選型。
電隔離式 (GI) 柵極驅動(dòng)器在優(yōu)化碳化硅 (SiC) MOSFET性能方面扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色，特別是在應對電氣化系統日益增長(cháng)的需求時(shí)。隨著(zhù)全球對電力在工業(yè)、交通和消費產(chǎn)品中依賴(lài)性的加深，SiC技術(shù)憑借其提升效率和縮小系統體積的能力脫穎而出。本文為第二篇，將分享電隔離柵極驅動(dòng)器的隔離能力評估 ，并介紹其典型的應用市場(chǎng)與安森美(onsemi)可提供的高新能產(chǎn)品選型。
隔離能力
隔離能力由系統的工作電壓決定，而系統工作電壓與隔離能力成正比。隔離柵極驅動(dòng)器的關(guān)鍵參數之一是其隔離電壓額定值。正確的隔離額定值對于保護用戶(hù)免受潛在有害電流放電的傷害至關(guān)重要，因為它旨在避免意外的電壓瞬態(tài)破壞與電源相連的其他電路。
此外，該額定值還能使轉換器內的信號免受噪聲或意外共模瞬態(tài)電壓的干擾。 隔離通常表示為隔離層可承受的電壓量。在大多數隔離柵極驅動(dòng)器的數據手冊中，隔離額定值都以參數的形式出現，如最大重復峰值隔離電壓 (VIORM)、最大工作隔離電壓 (VIOWM)、最大瞬態(tài)隔離電壓 (VIOTM)、最大浪涌隔離電壓 (VIOSM) 和耐壓隔離電壓 (VISO)。 系統工作電壓越高，所需的轉換器隔離能力就越高。
帶 DC/DC 的 OBC 通用框圖
隔離電容和功率損耗
隔離電容是電隔離器低壓輸入級（初級芯片）和高壓輸出級（次級芯片）之間的寄生電容。在開(kāi)關(guān)工作期間，漏電流可能會(huì )通過(guò)這個(gè)輸入到輸出的耦合電容，從而成比例增加柵極驅動(dòng)器的功率損耗。
通過(guò)下式可以看出，隔離電容與漏電流成正比。
其中，Ileak：漏電流，fs：工作頻率，CISO：隔離器輸入輸出耦合電容，VSYS：系統工作電壓。功率損耗與漏電流成正比。如果系統需要在高工作頻率和高電壓下運行，則有必要注意轉換器絕緣電容器的大小，以避免溫升過(guò)高。
共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）
共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）是與隔離柵極驅動(dòng)器相關(guān)的關(guān)鍵特性之一，尤其是當系統以高開(kāi)關(guān)頻率運行時(shí)。它之所以重要，是因為高斜率（高頻）瞬態(tài)會(huì )干擾跨隔離柵的數據傳輸。隔離柵上的電容（例如隔離接地平面之間的電容）為這些快速瞬態(tài)提供了穿越隔離柵并破壞輸出波形的路徑。單位通常為 kV/μs 或 V/ns。
如果 CMTI 不夠高，大功率噪聲可能會(huì )耦合到隔離柵極驅動(dòng)器上，產(chǎn)生電流回路，導致開(kāi)關(guān)的柵極出現電荷。如果電荷量足夠大，就會(huì )導致柵極驅動(dòng)器將噪聲誤解為驅動(dòng)信號，由此導致因直通而造成嚴重的電路故障。
電流驅動(dòng)能力考慮因素
柵極驅動(dòng)器能夠在短時(shí)間內拉/灌較大的柵極電流，從而縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，降低驅動(dòng)晶體管內的開(kāi)關(guān)功率損耗。峰值拉電流和灌電流（ISOURCE和 ISINK）應大于平均電流（IG,AV），如下圖所示。
柵極驅動(dòng)器電流驅動(dòng)能力
在功率晶體管中，有一個(gè)參數QG（柵極電荷），指柵極驅動(dòng)器為了使晶體管導通或關(guān)斷所需要充放的電荷量。為了正確且適時(shí)地驅動(dòng)功率晶體管，我們需要為柵極驅動(dòng)器選擇適當的電流驅動(dòng)能力。
IG,AV = QG / tSW,ON / OFF
其中，tSW,ON/OFF 是指功率晶體管導通/關(guān)斷的速度。如果未知，可從開(kāi)關(guān)頻率得出的開(kāi)關(guān)時(shí)間 tSW 的 2% 開(kāi)始計算。
柵極驅動(dòng)器拉、灌峰值電流的大致計算公式如下:
導通時(shí)（拉電流）
ISOURCE ≥ 1.5 × QG / tSW, ON
關(guān)斷時(shí)（灌電流）
ISINK ≥ 1.5 × QG / tSW, OFF
其中，QG表示在VGS = VCC 時(shí)的柵極電荷，tSW,ON/OFF = 開(kāi)關(guān)導通/關(guān)斷時(shí)間，1.5 = 經(jīng)驗確定的系數（受驅動(dòng)器輸入級延遲和寄生元件的影響）。
柵極驅動(dòng)器電流驅動(dòng)能力選型示例
高壓、大功率市場(chǎng)及應用
與大功率應用相關(guān)的終端產(chǎn)品種類(lèi)繁多。這些應用包括：
使用SiC車(chē)載充電機（OBC）的電動(dòng)汽車(chē)。對于這些車(chē)輛而言，實(shí)現高效率的同時(shí)確保安全至關(guān)重要。電隔離柵極驅動(dòng)器能夠在這方面發(fā)揮作用，助力達成目標。
電動(dòng)汽車(chē)充電站，其發(fā)展趨勢是采用高電壓，因此安全對系統和人身安全都很重要。
太陽(yáng)能逆變器 – 在這里，逆變器的效率始終是關(guān)鍵，而安全總是重中之重。特別是當逆變器作為家庭太陽(yáng)能系統的一部分時(shí)，安全問(wèn)題顯得尤為突出。
云計算/服務(wù)器工作時(shí)需要從公共事業(yè)的交流電中生成大量的清潔的直流電，不能承受任何損耗。在這一領(lǐng)域，電隔離柵極驅動(dòng)器同樣能夠幫助確保安全性和效率。
安森美高性能電隔離柵極驅動(dòng)器
安森美的電隔離柵極驅動(dòng)器專(zhuān)為快速開(kāi)關(guān)而設計，并集成了保護功能。安森美的SiC驅動(dòng)器解決方案針對SiC應用進(jìn)行了優(yōu)化，集成了負偏壓功能，無(wú)需外部元件。安森美的隔離柵極驅動(dòng)器在生產(chǎn)階段使用MPS測試儀（型號MSPS-20）進(jìn)行隔離性能測試。安森美的電隔離柵極驅動(dòng)器為 SiC MOSFET 提供了可靠的解決方案，適用于廣泛的應用，包括汽車(chē)電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)車(chē)充電、太陽(yáng)能逆變器和云計算/服務(wù)器系統等。
安森美提供四款新發(fā)布的柵極驅動(dòng)器：
NCP51152
NCV51152
NCP51752
NCV51752
NCP/NCV51152是隔離型單通道柵極驅動(dòng)器，具有高達 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值電流。它專(zhuān)為實(shí)現極快的開(kāi)關(guān)速度而設計，用于驅動(dòng)功率MOSFET開(kāi)關(guān)。NCP/NCV51252提供短且匹配的傳播延遲。兩個(gè)次級側驅動(dòng)器之間的內部功能隔離允許高達 ~1,200 VDC 的工作電壓。此外，它還提供了其他重要的保護功能，如每個(gè)驅動(dòng)器的欠壓鎖定（UVLO）和使能功能。
NCP/NCV51752 是隔離型單通道柵極驅動(dòng)器，具有高達 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值電流。它專(zhuān)為實(shí)現極快的開(kāi)關(guān)速度而設計，用于驅動(dòng)功率MOSFET開(kāi)關(guān)。NCP/NCV51752 提供短且匹配的傳播延遲，具有在柵極驅動(dòng)環(huán)路中產(chǎn)生負偏壓的集成機制，可為任何類(lèi)型的 SiC 提供安全的關(guān)斷狀態(tài)。
此外， 安森美還是高性能 SiC MOSFET 和柵極驅動(dòng)器的集成供應商，擁有同類(lèi)極佳 SiC MOSFET 器件的廣泛產(chǎn)品組合以及與之配套的不斷增長(cháng)的優(yōu)化柵極驅動(dòng)器系列。
結語(yǔ)
電氣系統中對高壓、高頻和大功率的需求不斷增長(cháng)，這種趨勢只會(huì )越來(lái)越快。SiC MOSFET 是適應這些需求的理想高效解決方案。為了幫助制造商開(kāi)發(fā)安全、有效和可靠的大功率應用，安森美提供了業(yè)界先進(jìn)的 EliteSiC 碳化硅解決方案和優(yōu)化的SiC柵極驅動(dòng)器產(chǎn)品組合。
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