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如何使用高壓隔離驅動器IC實現快速切換

2021-01-22

近年來，工業系統一直在努力尋求高效率，同時還需要更緊湊的系統。這也影響與諸如碳化硅（SiC）MOSFET的高速開關相關的柵極驅動器的選擇。意法半導體最近推出了STGAP2，這是一系列隔離柵驅動器，專注于工業電源市場。其產品組合包括不同的隔離電壓和功能。

隔離式柵極驅動器廣泛用于工業電源應用。在高開關頻率應用中，電源開關的高換向斜率要求抵抗高水平的共模噪聲。另外，通常還需要隔離能力和非常短的信號傳播延遲。

STMicroelectronics的STGAP2S產品系列[1] [2]通過無芯變壓器提供隔離，傳播延遲為80 ns。此外，它具有高于100 V / ns的共模抗擾性。一次側和二次側之間的隔離度經過了最高1.7 kV的測試。所有這些都以非常緊湊的封裝形式提供：單通道驅動器采用SO-8N封裝，而STGAP2D-雙通道則采用SO-16N封裝。提供兩種變體：一種是帶有有源米勒鉗位（AMC）的STGAP2SCM，另一種是帶有開/關輸出的STGAP2SM。表1列出了STGAP2技術的所有器件的比較表。

STGAP2S系列設備的初級側和次級側之間的爬電距離為4 mm。對于某些應用，可能需要更高的爬電距離，具體取決于污染程度和最大濕度水平。

在這些情況下，將指示STGAP2HS [3]系列。它采用8毫米爬電距離的SO-8W封裝提供，允許該系列的柵極驅動器在6 kV電壓下進行測試。

此外，該系列還包括專用于SiC MOSFET的器件編號，即STGAP2SiCS [4]。它們具有增加的欠壓鎖定（UVLO）值，以與那些開關的較高工作柵極電壓耦合。 

共模瞬變抗擾度

工業應用中應用的快速電源開關的擺率超過50 V / ns。這是減少動態損耗并實現更高系統效率的理想功能。快速瞬變會在相關的柵極驅動器中產生干擾。在高端驅動器中，次級側的快速瞬變會在初級接地中產生振蕩。在最壞的情況下，這可能會導致輸入信號出現毛刺，從而導致SiC MOSFET的不必要的導通。

圖1顯示了STGAP2S器件在直流電壓Vdc = 1500 V的非常快的正向和負向瞬變期間的實驗結果。這些波形表明，即使壓擺率在120至130 V / ns的數量級，柵極驅動程序能夠正確運行并保持所需的輸出狀態。 

通過米勒電容耦合

漏極至源極電壓中的高擺率瞬變也會通過Miller電容（MC），即MOSFET漏極與柵極之間的寄生電容，在柵極中引起振蕩。為了使其最小化，STGAP2S的一種變體STGAP25CM提供了有源米勒鉗位（AMC），請參見圖2。

零件號	＃頻道	包	隔離	紫外線	輸出配置
STGAP2SM	單	SO-8N	1.7伏	9.1伏	分開開/關
STGAP2SCM	單	SO-8N	1.7伏	9.1伏	米勒夾鉗
STGAP2D	雙	SO-16N	1.7伏	9.1伏	單輸出
STGAP2HSM	單	SO-8W	6千伏	9.1伏	分開開/關
STGAP2HSCM	單	SO-8W	6千伏	9.1伏	米勒夾鉗
STGAP2碳化硅	單	SO-8W	6千伏	15.5伏	分開開/關
STGAP2SiCSC	單	SO-8W	6千伏	15.5伏	米勒夾鉗

 表1：STGAP2技術的產品組合。
1專用部分中有關隔離電壓的更多詳細信息。
2指的是開啟閾值的典型值，如數據表中所述。

圖1：在STGAP2S中，VDC = 1500V時測得的正和負瞬變。

在需要快速硬開關瞬變的應用中，建議將AMC與SiC MOSFET一起使用。圖3描繪了使用SCTW35N120G2V（意法半導體的額定650V SiC MOSFET）的半橋逆變器的理想波形[6]。由于假定輸出電流為正，因此在續流期間，低側開關（S2）接通。在S2關斷后的短暫死區時間之后，高側開關S1接通。發生這種情況時，S1的VDS變為零，從而導致S2的VDS增加。兩種瞬態都具有相同的壓擺率。S2的柵極電壓VGS（處于OFF電壓）現在通過Miller電容的耦合被上拉。同樣，當S1關斷時，VGS被下拉。對稱地，當輸出電流為負時，在S1中會出現相同類型的振蕩。 

圖2：STGAP2S的可用選項。

圖3：具有SIC MOSFET的半橋逆變器，以及VDS和VGS的理想波形。

圖4：使用STGAP2S的兩個變體的半橋逆變器中的VGS波形。

表2：采用SO-8W封裝的STGAP2H器件的電壓特性。

在關閉狀態下，VGS中的正向和負向振蕩都可能對器件和系統產生負面影響。正振蕩會導致MOSFET的寄生導通，并因此導致整個半橋的直通。另一方面，負振蕩可能會使VGS超出安全操作區域（SOA），并觸發器件中的降級機制。

從圖4的波形可以看出，ACM能夠在關閉狀態下將VGS的正和負尖峰減小到安全值。如圖所示，當由STGAP2SM驅動時，SiC MOSFET的VGS可以達到正值，從而具有寄生導通的風險。使用STGAP2SCM時，相同的配置會出現更低的峰值，這些峰值永遠不會達到正值。

同樣，圖4右側的負振蕩也減小了。STGAP2SM的配置在絕對最小柵極電壓以下呈現負峰值，對于SCTW35N65G2V，其位于VGS，min = -10V。使用STGAP2SCM，負尖峰永遠不會達到VGS，min。

隔離電壓

SO-8W封裝內的柵極驅動器（請參閱表1）具有6 kV的隔離度。根據UL1577，該電壓與生產期間的測試電壓有關。表2顯示了采用SO-8W封裝的STGAP2H系列的電壓特性的更多詳細信息。

欠壓鎖定（UVLO）

欠壓鎖定（UVLO）是所有STGAP2器件中都具有的保護功能。這樣可以防止以低于其要求的電壓驅動電源開關。當次級側的電源電壓（即引腳VH和GNDISO之間的電壓）降至某個值以下時，將激活UVLO保護。

IGBT和超結MOSFET在+12 V至+15 V的柵極電壓下工作。在此范圍以下，MOSFET的導通電阻（或IGBT的飽和電壓）開始增加，并且其導通損耗開關。開關也可能開始以線性模式運行，從而導致熱跑道和設備故障。SiC MOSFET中也會發生同樣的情況。但是，由于需要在柵極上施加更高的電壓-從+ 18V到+ 20V，因此需要相應地提高UVLO激活時的電壓值。

圖5給出了STW90N65G2V的輸出特性[5]。圖中的VI曲線是在室溫下針對不同柵極-源極電壓VGS值獲得的。圖表下方的值是在40 A的漏極電流下由于電流傳導而計算出的功耗。對于VGS = 18 V（該器件的標稱值），產生的功耗約為28W。

圖5 – SCTW90N65G2V SiC MOSFET的輸出特性，以及針對不同柵極-源極電壓計算出的傳導損耗。

如果柵極驅動器上的電源下降，這也會影響VGS。在圖上，我們以VGS = 12 V為例，這已經使傳導損耗幾乎增加了一倍。進一步下降將導致MOSFET以線性模式工作。相關的極高損耗會導致MOSFET因過熱而發生故障。

為避免這種情況，STGAP2SiCS [5]器件的UVLO已增加至15.5V。即使在MOSFET上采用雙極驅動，這也能確保提供適當的保護。例如，如果將-3V的負截止電壓施加到MOSFET，則將使有效激活電壓降至+ 12.5V，對于SiC MOSFET來說仍然足夠安全。