選好柵極驅動器SiC MOSFET高效又安全
發布時間：2025-6-27 10:51
發布者：Eways-SiC
|
隔離驅動在新能源應用中扮演了非常重要的角色，將直接或間接影響新能源產品的安全性、可靠性、壽命、效率以及成本等，本期從5個方面解讀隔離驅動的重要參數；選好柵極驅動器SiC MOSFET高效又安全 https://mp.weixin.qq.com/s/iRpCBZuT_ToCMRHTRJFk5A 1.安規方面 2.時間相關的介電擊穿（TDDB） 3.共模瞬態抗擾度（CMTI） 4.傳輸延時（Tpd） 5.驅動能力(Isink&Isource) 1.安規方面 隔離耐壓（Viso） 隔離耐壓是指在規定的測試條件下（如電壓幅值、施加時間等），能夠承受的最大電壓而不發生擊穿、閃絡或其他形式的電氣故障的能力�；诎踩紤]，隔離驅動須經過全面的測試和認證以確保用戶安全。其中，UL1577為隔離器件的隔離耐壓Viso（通常為 2.5kVRMS 或 5kVRMS)提供參考，在通過UL1577安規標準的基礎上，隔離耐壓越高的產品，意味著其產品質量及可靠性也越高； 爬電距離（Creepage distance，圖1）和電氣間隙（Clearance，圖2） 爬電距離是兩個導電器件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離，一般爬電距離不小于電氣間隙。根據污染等級、材料組別（CTI）和工作電壓（RMS）來確定。電氣間隙是導電器件之間在空氣中的最短距離， 用于防止瞬態過壓期間產生空氣電離或電弧。電氣間隙的重要影響因素是海拔和污染等級。爬電距離與長期穩定的工作電壓相關， 電氣間隙與較短的瞬態電壓相關，同一條件下爬電距離和電氣間隙越大系統工作越安全可靠。 IEC 60664-1涵蓋了爬電距離和電氣間隙的相關測試 。爬電距離和電氣間隙的重要影響因素是隔離等級， 例如基本隔離、增強型隔離和功能隔離。 同一條件下實現增強型隔離所需爬電距離是基本隔離的2倍。 圖片 2.時間相關的介電擊穿（TDDB） 介質層擊穿是影響器件可靠性的重要模式，通�？梢苑譃樗矔r擊穿和經時擊穿兩大類。對于隔離器件瞬時擊穿與Viso設計能力相關，經時擊穿與TDDB設計能力相關。 1/E模型、E模型通過增加壓應力電壓來模擬隔離器件的壽命。如下圖3、4所示 圖片 CMTI（Common mode transient immunity）是隔離驅動重要的指標之一。CMTI（圖5）共模瞬變抗擾度，指是指瞬態穿過隔離層以破壞驅動器輸出狀態所需最低上升或下降的dv/dt（單位V/ns或KV/us）。 CMTI分為靜態（圖6）和動態。靜態是指把輸入信號不變（高電平或低電平），然后施加共模瞬變，測試輸出狀態。UL and VDE 0884-11 并沒有要求強制通過動態CMTI的測試，和靜態CMTI的要求一樣。 新能源應用中對隔離驅動一般要求CMTI在150V/ns的共模瞬變下，輸出狀態穩定。隨著光伏逆變器、充電模塊等功率大幅提升，不少設備廠商對隔離驅動的CMTI提出更高的要求：200V/ns，比如TI的UCC23525，手冊給出最小CMTI 200V/ns，實際會更高； 圖片 4.傳輸延時（Tpd） 隔離驅動的傳輸延時Tpd（圖7），是指輸入信號的變化到輸出驅動Gate電壓發生變化的延遲時間。新能源系統應用設計中，一般是數字控制模式，對于不同的數控模式，對Tpd時間有不同的需求，一般要求Tpd時間越短越好，對于系統死區時間、效率、軟件代碼復雜度都會有很好的優化。TI的UCC5350的Tpd典型值為：60ns 圖片 5.驅動能力(Isink&Isource) 驅動能力是隔離驅動重要的指標之一，驅動能力直接關系到功率MOS的開關速度，對于硬開關的設計中直接影響開關損耗。新能源系統應用設計中，大功率應用中并管設計越來越多，對驅動能力的要求越來越大。TI的UCC21750的驅動能力為±10A ，并且集成了故障狀態下（橋臂短路等）慢關斷功能，防止因為過高的di/dt,損壞功率器件。（國內廠家像數明、川土納芯微、思瑞浦等等基本可以實現P2P替換） SiC MOSFET特 性 系統尺寸和電氣效率是許多現代電力電子系統的關 鍵要求，而碳化硅已成為一種流行的半導體技術。作為一種寬禁帶材料，SiC 與硅相比具有眾多優勢，包括高熱 導率、低熱膨脹系數、高最大電流密度和卓越的導電性。 此外，SiC 的低開關損耗和高工作頻率也提高了效率，特 別是在需要大電流、高溫和高熱導率的應用中。 圖片 SiC MOSFET柵極驅動器設計考慮因素 柵極驅動器的設計可確保電源應用中使用的 MOSFET 安全運行。選擇柵極驅動器時需要考慮的因素 包括： ●米勒電容(CDG)與寄生導通(PTO) SiC MOSFET容易產生寄生導通(PTO), 這是由于 米勒電容CDG 在開關過程中將漏極電壓耦合到柵極。當 漏極電壓上升時，該耦合電壓可能會短暫超過柵極閾值電壓，使MOSFET 導通。在同步降壓轉換器等電路中， MOSFET 通常成對使用，其中有一個高壓側和一個低壓 側MOSFET, 而PTO會導致這些電路中的“直通”(shoot- through) 導通。 當高壓側和低壓側MOSFET 同時導通時，就會發生 直通導通，導致高壓通過兩個MOSFET 短路到GND 。這 種直通的嚴重程度取決于MOSFET 的工作條件和柵極電 路的設計，關鍵因素包括總線電壓、開關速度，(dv/dt) 和 漏極-源極電阻(RDS(ON)) 。 在最壞的情況下，PTO 會引 發災難性的后果，包括短路和MOSFET 損壞。 與PCB 布局和封裝有關的寄生電容和電感也會加劇 PTO。 如下文所述，可以通過對器件的關斷電壓進行負 偏置來避免這種情況。 ●柵極驅動器電壓范圍 MOSFET 的導通和關斷是通過向其柵極施加電壓實 現的，電壓由專用的柵極驅動器提供，如圖1所示。柵 極驅動器負責提供拉電流，使MOSFET 的柵極充電至最 終導通電壓VGS(ON), 并在器件放電至最終關斷電壓 VGS(OFF) 時提供灌電流。 圖片 柵極驅動的正電壓應足夠高，以確保MOSFET 能夠 完全導通，同時又不超過最大柵極電壓。在使用碳化硅 MOSFET 時，必須考慮到它們通常需要比硅MOSFET更高的柵極電壓。同樣，雖然0 V的電壓足以確保硅 MOSFET 關斷，但通常建議SiC器件采用負偏置電壓，以 消除寄生導通的風險。在關斷過程中，允許電壓向下擺 動到-3 V 甚至-5V, 這樣就有了一定的余量或裕度，可以 避免在某些情況下觸發VGS(TH), 從而意外導通器件。 以這種方式負偏置柵極電壓還能降低MOSFET 的EOFF 損耗。如圖2所示，在驅動安森美的第2代"EliteSiC M3S" 系列SiC MOSFET時，將關斷電壓從0 V降到-3 V, 可將EOFF損耗降低25%。 圖片 RDS(ON) 是當器件通過施加到柵極上的特定柵極到 源極電壓(VGS) 導通時，MOSFET 的漏極和源極之間的 電阻。隨著VGS 的增加，RDS(ON) 通常會減小， 一般來 說 ，RDS(ON) 越小越好，因為MOSFET 被用作開關�？� 柵極電荷QG(TOT) 是使MOSFET 完全導通所需的電荷， 單位為庫侖，通常與RDS(ON)成反比。QG(TOT)電荷由 柵極驅動器提供，因此驅動器必須能夠提供拉灌所需的 電 流 。 優化功率損耗 要利用碳化硅MOSFET 降低開關損耗，設計人員需 要注意權衡考慮多方面因素。SiC MOSFET的總功率損 耗是其導通損耗和開關損耗之和。導通損耗的計算公式 為ID2*RDS(ON), 其中ID 為漏極電流，選擇RDS(ON) 較低的器件可將導通損耗降至最低。然而，由于上述 QG(TOT) 與RDS(ON) 之間的反比關系，較低的RDS(ON) 值要求柵極驅動器具有較高的拉電流和灌電流。換句話 說，當設計人員選擇RDS(ON) 值較低的SiC MOSFET來 減少大功率應用中的導通損耗時，柵極驅動器的拉電流 (導通)和灌(關斷)電流要求也會相應增加。 SiC MOSFET的開關損耗更為復雜，因為它們受到 QG(TOT) 、 反向恢復電荷(QRR) 、輸入電容(CISS)、柵 極電阻(RG) 、EON損耗和EOFF 損耗等器件參數的影響。 開關損耗可以通過提高柵極電流的開關速度來降低，但 與此同時，較快的開關速度可能會帶來不必要的電磁干擾 (EMI), 特別是在半橋拓撲結構中，在預期的開關關 斷時還可能觸發PTO。 如上所述，還可以通過負偏置柵極電壓來降低開關損耗。 因此，柵極驅動器的設計對于確保電力電子應用中 的SiC MOSFET按預期工作至關重要。幸運的是，市場上 有大量由安森美等制造商提供的專用柵極驅動IC, 這些 IC讓設計者無需把精力放在驅動電路設計的細節中，同 時節省了物料清單(BoM) 成本和PCB 空間。 例如，NCP(V)51752 系列隔離式SiC 柵極驅動器專為 功率MOSFET和SiC MOSFET器件的快速開關而設計，拉 電流和灌電流分別為4.5 A 和9 A。NCP(V)51752 系列包括創新的嵌入式負偏壓軌機制，無需系統為驅動器提供負偏壓軌，從而節省了設計工作和系統成本。 結論 SiC MOSFET具有增強的導電性、低開關損耗、高工作頻率和高耐壓能力，為快速電池充電器和伺服驅動器 等電力電子應用的設計人員帶來了眾多優勢。柵極驅動 器電路的設計是確保SiC MOSFET發揮預期功能、優化 損耗并防止PTO情況造成損壞的關鍵。因此，謹慎選擇 MOSFET和柵極驅動器對最終應用的性能至關重要。 |
網友評論