【導(dǎo)讀】像許多電子領(lǐng)域一樣,進(jìn)步持續(xù)發(fā)生。目前,在 3.3kW 開關(guān)電源 (SMPS)中,產(chǎn)品效率高達(dá) 98%,1U結(jié)構(gòu)尺寸,其功率密度可達(dá) 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(jié) (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(guān)(例如 CoolGaN?)用于400V LLC 應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(guān)的正常操作導(dǎo)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。
VDE 0884-11 是任何電氣隔離半導(dǎo)體產(chǎn)品(即,不管是光學(xué)隔離、磁性隔離還是電容隔離)的第一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn),因此該標(biāo)準(zhǔn)已與在很大程度上類似的國際 IEC 60747-17 標(biāo)準(zhǔn)合并,IEC 60747-17 標(biāo)準(zhǔn)于 2020 年 9 月 20 日發(fā)布。
VDE 0884-11 標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)通過適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)電路確保符合安全等級。”
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(biāo)準(zhǔn)概述
設(shè)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(dǎo)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(hù)柵極驅(qū)動器 IC 輸出端,我們?yōu)闁艠O電阻 (R1) 補(bǔ)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(dǎo)至半橋中點。因此,我們只要選擇了合適的應(yīng)用設(shè)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(jìn)步領(lǐng)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(jì)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(zhuǎn)換器(例如,48 V 至 12 V)初級側(cè)的硬開關(guān)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(shè)計提供了優(yōu)勢:
a. 快速正常系統(tǒng)啟動。
b. 欠壓保護(hù)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(hù)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(dāng)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(jìn)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(guān)斷時間
在達(dá)到 UVLO 觸發(fā)的輸出級關(guān)斷時,其主要目標(biāo)是能足夠快地保護(hù)開關(guān)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(yīng)關(guān)斷開關(guān)級。
實際經(jīng)驗表明,500 ns 的關(guān)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(fù)載跳躍引起)引發(fā)意外的輸出級關(guān)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(guān)斷。這降低了半橋自舉啟動過程中的直通風(fēng)險。
在電源電壓高于 UVLOon 閾值時,柵極驅(qū)動器 IC 預(yù)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(dāng)?shù)瓦吳袚Q為升壓電容充電時,由高邊開關(guān)的 CGD 和 CGS組成的容性分壓器會導(dǎo)致 VGS 超過其導(dǎo)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(dǎo)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(guān)與低邊開關(guān)同時導(dǎo)通,就會形成半橋直通。
先進(jìn)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(guān)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(yīng)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(dǎo)致開關(guān)器件的電氣過載。
具有可配置死區(qū)時間的直通保護(hù)
在半橋中引入死區(qū)時間的目的在于,在開關(guān)關(guān)斷后、半橋另一側(cè)導(dǎo)通前,使開關(guān)尾電流衰減。否則,就可能發(fā)生直通事件。超結(jié)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(guān)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(yīng)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(jī)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(shè)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(guān)技術(shù),包括氮化鎵 (GaN) 功率開關(guān)。死區(qū)時間精度可達(dá) +/-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(dá) 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(shè)計人員現(xiàn)已可選用無引腳 4x4 mm2 封裝。相對于默認(rèn)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(dāng)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(dāng)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(jì)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(dǎo)通/關(guān)斷特性、界定的 UVLO、5 A 強(qiáng)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(jié)論
柵極驅(qū)動器 IC 集成了電氣隔離,該功能已經(jīng)從認(rèn)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(dāng)?shù)膽?yīng)用設(shè)計,隔離功能和封裝完整性即使在嚴(yán)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(guān)斷時間可防止開關(guān)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(hù)和死區(qū)時間控制,這些功能是重要的二級安全機(jī)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。
欲了解更多信息,請訪問我們的 EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動器 IC 專業(yè)網(wǎng)站。點擊此處
下載建議:應(yīng)用說明——隔離柵極驅(qū)動解決方案參考文獻(xiàn)
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(guān)電源設(shè)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(hù)”,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(fù)責(zé)人。由其提供技術(shù)支持的柵極驅(qū)動器 IC 主要應(yīng)用于超結(jié) MOSFET CoolMOS?、CoolSiC?碳化硅 MOSFET、CoolGaN? GaN HEMT 以及中低壓 OptiMOS? 開關(guān)應(yīng)用。Baierl 先生持有美國路易斯安那州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位及德國奧格斯堡大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀: