電隔離式 (GI) 柵極驅動器在優(yōu)化碳化硅 (SiC) MOSFET性能方面扮演著至關重要的角色，特別是在應對電氣化系統(tǒng)日益增長的需求時。隨著全球對電力在工業(yè)、交通和消費產(chǎn)品中依賴性的加深，SiC技術憑借其提升效率和縮小系統(tǒng)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器的隔離能力評估 ，并介紹其典型的應用市場與安森美(onsemi)可提供的高新能產(chǎn)品選型。

隔離能力

隔離能力由系統(tǒng)的工作電壓決定，而系統(tǒng)工作電壓與隔離能力成正比。隔離柵極驅動器的關鍵參數(shù)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免受潛在有害電流放電的傷害至關重要，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(nèi)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(shù)隔離柵極驅動器的數(shù)據(jù)手冊中，隔離額定值都以參數(shù)的形式出現(xiàn)，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(tǒng)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。在開關工作期間，漏電流可能會通過這個輸入到輸出的耦合電容，從而成比例增加柵極驅動器的功率損耗。

通過下式可以看出，隔離電容與漏電流成正比。

Ileak= 2× π ×fs× CISO× VSYS

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(tǒng)工作電壓。功率損耗與漏電流成正比。如果系統(tǒng)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）是與隔離柵極驅動器相關的關鍵特性之一，尤其是當系統(tǒng)以高開關頻率運行時。它之所以重要，是因為高斜率（高頻）瞬態(tài)會干擾跨隔離柵的數(shù)據(jù)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，大功率噪聲可能會耦合到隔離柵極驅動器上，產(chǎn)生電流回路，導致開關的柵極出現(xiàn)電荷。如果電荷量足夠大，就會導致柵極驅動器將噪聲誤解為驅動信號，由此導致因直通而造成嚴重的電路故障。

電流驅動能力考慮因素

柵極驅動器能夠在短時間內(nèi)拉/灌較大的柵極電流，從而縮短開關時間，降低驅動晶體管內(nèi)的開關功率損耗。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。

柵極驅動器電流驅動能力

在功率晶體管中，有一個參數(shù)QG（柵極電荷），指柵極驅動器為了使晶體管導通或關斷所需要充放的電荷量。為了正確且適時地驅動功率晶體管，我們需要為柵極驅動器選擇適當?shù)碾娏黩寗幽芰Α?/p>

IG,AV= QG/ tSW,ON / OFF

其中，tSW,ON/OFF 是指功率晶體管導通/關斷的速度。如果未知，可從開關頻率得出的開關時間 tSW 的 2% 開始計算。

柵極驅動器拉、灌峰值電流的大致計算公式如下:

導通時（拉電流）

ISOURCE≥1.5 ×QG/ tSW, ON

關斷時（灌電流）

ISINK≥1.5 ×QG/ tSW, OFF

其中，QG表示在VGS = VCC 時的柵極電荷，tSW,ON/OFF = 開關導通/關斷時間，1.5 = 經(jīng)驗確定的系數(shù)（受驅動器輸入級延遲和寄生元件的影響）。

柵極驅動器電流驅動能力選型示例

例如，tSW,ON/OFF為 100ns：100kHz的1%，300kHz的3%，等等。

高壓、大功率市場及應用

與大功率應用相關的終端產(chǎn)品種類繁多。這些應用包括：

使用SiC車載充電機（OBC）的電動汽車。對于這些車輛而言，實現(xiàn)高效率的同時確保安全至關重要。電隔離柵極驅動器能夠在這方面發(fā)揮作用，助力達成目標。

電動汽車充電站，其發(fā)展趨勢是采用高電壓，因此安全對系統(tǒng)和人身安全都很重要。

太陽能逆變器 – 在這里，逆變器的效率始終是關鍵，而安全總是重中之重。特別是當逆變器作為家庭太陽能系統(tǒng)的一部分時，安全問題顯得尤為突出。

云計算/服務器工作時需要從公共事業(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。在這一領域，電隔離柵極驅動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器

安森美的電隔離柵極驅動器專為快速開關而設計，并集成了保護功能。安森美的SiC驅動器解決方案針對SiC應用進行了優(yōu)化，集成了負偏壓功能，無需外部元件。安森美的隔離柵極驅動器在生產(chǎn)階段使用MPS測試儀（型號MSPS-20）進行隔離性能測試。安森美的電隔離柵極驅動器為 SiC MOSFET 提供了可靠的解決方案，適用于廣泛的應用，包括汽車電動車、電動車充電、太陽能逆變器和云計算/服務器系統(tǒng)等。

安森美提供四款新發(fā)布的柵極驅動器：

NCP51152

NCV51152

NCP51752

NCV51752

NCP/NCV51152是隔離型單通道柵極驅動器，具有高達 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值電流。它專為實現(xiàn)極快的開關速度而設計，用于驅動功率MOSFET開關。NCP/NCV51252提供短且匹配的傳播延遲。兩個次級側驅動器之間的內(nèi)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，如每個驅動器的欠壓鎖定（UVLO）和使能功能。

NCP/NCV51752 是隔離型單通道柵極驅動器，具有高達 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值電流。它專為實現(xiàn)極快的開關速度而設計，用于驅動功率MOSFET開關。NCP/NCV51752 提供短且匹配的傳播延遲，具有在柵極驅動環(huán)路中產(chǎn)生負偏壓的集成機制，可為任何類型的 SiC 提供安全的關斷狀態(tài)。

此外， 安森美還是高性能 SiC MOSFET 和柵極驅動器的集成供應商，擁有同類極佳 SiC MOSFET 器件的廣泛產(chǎn)品組合以及與之配套的不斷增長的優(yōu)化柵極驅動器系列。

結語

電氣系統(tǒng)中對高壓、高頻和大功率的需求不斷增長，這種趨勢只會越來越快。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)界先進的 EliteSiC 碳化硅解決方案和優(yōu)化的SiC柵極驅動器產(chǎn)品組合。