【導讀】最新的寬帶間隙（WBG）半導體正走向最理想的狀態，也就是具有高電壓和低損耗的超快速切換，而現代的MOSFET和溝槽IGBT也可以有高dV/dt和di/dt。然而，下橋臂電路中的快速切換會將瞬態電壓耦合到柵極驅動電路，從而造成混亂或損壞，同時上橋臂柵極驅動器的信號和電源隔離還會受到應力影響。本文將探討這些影響、解釋如何減輕影響，以及評估應力和局部放電（PD）帶來的損傷的實驗結果。
使用寬帶隙（WBG）技術的現代半導體開關、MOSFET和一些IGBT能夠實現極快的切換。這減少了開關轉換的功耗，同時在高效率、高功率密度、更小的無源組件和更低成本下進行高頻率的運作。然而，高dV/dt和di/dt的缺點是會增加柵極驅動絕緣系統的EMI和應力。圖1為IGBT的典型柵極驅動電路，在5V和20V之間施加正電壓以將器件開啟，0V將其關斷。該電路也非常適用于SiC和GaN技術中的增強型Si MOSFET和WBG器件；在所有的情況下，器件都保證在連續柵極施加0V時關斷。
圖1：基本柵極驅動電路
但是如圖2所示，器件快速切換時會出現問題，寄生電容和電感組件將造成問題。
圖2：有寄生組件的柵極驅動器
如果以di/dt為例，漏極-源極電流為10A/ns（這在最先進的GaN是有可能的），源電感為15nH。若V = - L di/dt，150V會出現在電感器兩端。在關斷時，電壓拖動源極為負極，與柵極驅動相反，并且在導通時方向為正，再次與柵極驅動相反。這可能降低效率，虛假開啟甚至會導致擊穿而造成損壞。15nH可能看起來很大，但對應到PCB軌道其實僅25mm。即使約1.2nH的PCB通孔電感也會產生12V瞬態電壓。在這些高di/dt的情況下，只有芯片尺寸封裝以開爾文連接到柵極驅動的柵極和源極是實用的。在關斷的狀態下施加負電壓來驅動柵極可以對無法避免的電感有些幫助。
在實際電路中，例如逆變器或電機控制中的推挽式或全橋式的電路，兩個下橋臂器件通常共享源極和柵極驅動電流的共同回路，如圖3所示。
圖3：下橋臂器件使用共接地
現在不能使用開爾文連接因為兩個驅動器各有自己的回路。兩個驅動器接地和兩個發射極（源極）必須接在一起，如果這個接點為靠近左側開關的Powergnd 1，右側開關將比左側有更多的源極連接電感，導致不對稱開關、潛在的EMI以及由電感兩端的感應電壓造成的損壞。如果要對稱，Powergnd 2是唯一的選擇，但是現在兩個源在柵極驅動環路中具有相同且又高的連接電感，因此這不是一個適當的折衷辦法，特別是當高功率系統的設備沒有設在一起。
解決方案是為兩個柵極驅動提供隔離信號和電源，如圖4所示。現在，驅動器信號和電源返回可以直接連接到各自的器件發射器（源），不包括驅動器環路中大部份的外部電感。
圖4：柵極驅動采用開爾文連接以及信號和電源隔離
上橋臂開關之挑戰
圖4的配置解決了di/dt引起的發射極（源極）電感的柵極電壓瞬變的問題。該配置通常也用于H橋的兩個上橋臂開關，其中兩個柵極驅動返回實際上是反相開關節點，因此必須與彼此隔離。在上橋臂的配置中，在柵極驅動隔離部件上出現的高開關電壓可能引起其他問題。根據I = C dV/dt來看，高dV/dt可能是由隔離電容產生的位移電流所導致的問題。由于邊緣速率很容易達到100V/ns，10pF勢壘電容可能讓一安培電流的通過并在柵極驅動電路的初級電路中循環，可能造成工作中斷。
柵極驅動信號隔離組件通常是光耦合器或變壓器，有時也會使用電容耦合。表1為隔離柵極驅動器IC的關鍵參數，其中有與我們的高dV/dt電路最相關的共模瞬態抗擾度（CMTI）。然而，該值是實驗室測量出的數據，很有可能是單脈沖。沒有提及在持續高壓、高dV/dt波形下的可靠性。
表1：隔離柵極驅動之關鍵參數
其他VIORM/VIOWM/VIOTM/VPR參數也很重要，但與我們的開關電路無直接關系因為標準測試通常設定為50/60Hz，DC或峰值。單獨的柵極驅動變壓器具有相似的限制，通常只需要一秒或一分鐘、DC或50/60Hz的AC電流的簡單Hi-pot測試。在繞組或CMTI上施加高頻開關電壓的可靠性評級十分少見。以變壓器來說，獲得高隔離度的方法因應用而異；漆包線可以單獨進行Hi-pot測試但不可靠，幾乎可以保證漆面上會有針孔。安全機構當然不允許將其作為任何電壓的安全勢壘。具有更好絕緣性的電線如“三重絕緣線”可以獲得安全機構的認可，但是體積過于龐大，導致變壓器會有相對高的耦合電容和位移電流。由于絕緣層之間的局部放電（PD）效應，因此在高開關電壓下三重絕緣線的表現不佳。如果要滿足安全機構的要求，理想的結構是繞組互相分開，中間有足夠的空間、提供低繞組電容，同時不依賴可能導致局部放電的固體材料，如圖5所示。
圖5：柵極驅動變壓器的繞組互相分開
相同的考慮因素也適用于隔離柵極驅動電源內部的變壓器，CMTI時常被忽略，高壓隔離也常以各種方式顯示。
局部放電影響
我們已經提到了局部放電（PD），即固體絕緣材料受高壓應力后緩慢降解的現象。該現象是由材料的微孔連續遭受破壞而引起的。如果是有機材料，等離子體會導致碳化。空隙造成永久性短路，降低了整體的絕緣厚度，從而在剩余的絕緣層上產生更強的電壓場，并最終導致完全失效。PD效應在“起始”電壓突然開始，該電壓取決于空隙中的氣體、壓力和空隙大小，以帕邢曲線[1]為特征。若為開關電壓，那么起始電壓會由頻率決定。
另外，也不應完全對散裝材料的擊穿電壓信以為真。例如，玻璃被認為是優異絕緣體，具有約60kV/mm的擊穿電壓，但這是在頻率為60Hz的情況下。如果頻率為1MHz，數值小于十分之一，約為5kV/mm。對于一些絕緣間距為<10μm的柵極驅動IC，則需要仔細考慮高頻效應。
因此，開關電壓、dV/dt和頻率是評估絕緣可靠性的關鍵參數。由過沖和寄生電容和電感的諧振引起的瞬態電壓也應要經過評估并加到系統電壓中。
勢壘絕緣評估與研究
柵極驅動電源制造商RECOM [2]已知曉DC-DC轉換器的變壓器有高開關共模電壓的潛在問題，并與Technische Universit?t Graz 和FH Johanneum 大學的絕緣材料專家Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn. Christof Sumereder一起進行研究。 這個項目的內部代號為BIER（ 勢壘絕緣評估與研究之縮寫），其中包括了對30個半橋功率級的評估，這些半功率級專門采用隔離式上橋臂和下橋臂開關結構，如圖6所示。表2為三種不同的配置在70°C環境溫度下工作1464小時，直流電壓為1000V、開關頻率為50kHz、邊沿速率為65kV/μs。T1未包含在測試中
圖6：PD測試評估電路
表2：BIER測試配置
局部放電在測試之前后各測量一次，性能沒有顯著降低（圖7）。PD啟動電壓保持在所施加的開關峰值電壓的兩倍，表示具有良好的余量以及良好的長期可靠性。如需完整報告請訪問RECOM網站[3]。
圖7：PD評估結果
結論
在推挽式和橋式電路中，隔離柵極驅動信號和功率解決了在下橋臂和上橋臂電路中耦合到柵極的電壓瞬變的問題。然而在高頻和高邊沿速率下，上橋臂的隔離組件仍然承受高共模電壓應力。 實際的局部放電測試顯示出柵極驅動DC-DC電源的隔離組件可以經過設計來具有良好的長期可靠性。
RECOM提供各種系列的DC-DC轉換器，輸出電壓和隔離額定值適用于IGBT、SiC和GaN技術之上橋臂柵極驅動應用。
文獻
https://en.wikipedia.org/wiki/Paschen%27s_law
https://recom-power.com
https://recom-power.com/en/report-gate-driver-converter-under-dvdt-stress.html
來源：RECOM
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