如何使用高压隔离驱动器IC实现快速切换

2021-01-22

近年来，工业系统一直在努力寻求高效率，同时还需要更紧凑的系统。这也影响与诸如碳化硅（SiC）MOSFET的高速开关相关的栅极驱动器的选择。意法半导体最近推出了STGAP2，这是一系列隔离栅驱动器，专注于工业电源市场。其产品组合包括不同的隔离电压和功能。

隔离式栅极驱动器广泛用于工业电源应用。在高开关频率应用中，电源开关的高换向斜率要求抵抗高水平的共模噪声。另外，通常还需要隔离能力和非常短的信号传播延迟。

STMicroelectronics的STGAP2S产品系列[1] [2]通过无芯变压器提供隔离，传播延迟为80 ns。此外，它具有高于100 V / ns的共模抗扰性。一次侧和二次侧之间的隔离度经过了最高1.7 kV的测试。所有这些都以非常紧凑的封装形式提供：单通道驱动器采用SO-8N封装，而STGAP2D-双通道则采用SO-16N封装。提供两种变体：一种是带有有源米勒钳位（AMC）的STGAP2SCM，另一种是带有开/关输出的STGAP2SM。表1列出了STGAP2技术的所有器件的比较表。

STGAP2S系列设备的初级侧和次级侧之间的爬电距离为4 mm。对于某些应用，可能需要更高的爬电距离，具体取决于污染程度和最大湿度水平。

在这些情况下，将指示STGAP2HS [3]系列。它采用8毫米爬电距离的SO-8W封装提供，允许该系列的栅极驱动器在6 kV电压下进行测试。

此外，该系列还包括专用于SiC MOSFET的器件编号，即STGAP2SiCS [4]。它们具有增加的欠压锁定（UVLO）值，以与那些开关的较高工作栅极电压耦合。 

共模瞬变抗扰度

工业应用中应用的快速电源开关的摆率超过50 V / ns。这是减少动态损耗并实现更高系统效率的理想功能。快速瞬变会在相关的栅极驱动器中产生干扰。在高端驱动器中，次级侧的快速瞬变会在初级接地中产生振荡。在最坏的情况下，这可能会导致输入信号出现毛刺，从而导致SiC MOSFET的不必要的导通。

图1显示了STGAP2S器件在直流电压Vdc = 1500 V的非常快的正向和负向瞬变期间的实验结果。这些波形表明，即使压摆率在120至130 V / ns的数量级，栅极驱动程序能够正确运行并保持所需的输出状态。 

通过米勒电容耦合

漏极至源极电压中的高摆率瞬变也会通过Miller电容（MC），即MOSFET漏极与栅极之间的寄生电容，在栅极中引起振荡。为了使其最小化，STGAP2S的一种变体STGAP25CM提供了有源米勒钳位（AMC），请参见图2。

零件号	＃频道	包	隔离	紫外线	输出配置
STGAP2SM	单	SO-8N	1.7伏	9.1伏	分开开/关
STGAP2SCM	单	SO-8N	1.7伏	9.1伏	米勒夹钳
STGAP2D	双	SO-16N	1.7伏	9.1伏	单输出
STGAP2HSM	单	SO-8W	6千伏	9.1伏	分开开/关
STGAP2HSCM	单	SO-8W	6千伏	9.1伏	米勒夹钳
STGAP2碳化硅	单	SO-8W	6千伏	15.5伏	分开开/关
STGAP2SiCSC	单	SO-8W	6千伏	15.5伏	米勒夹钳

 表1：STGAP2技术的产品组合。
1专用部分中有关隔离电压的更多详细信息。
²指的是开启阈值的典型值，如数据表中所述。

图1：在STGAP2S中，VDC = 1500V时测得的正和负瞬变。

在需要快速硬开关瞬变的应用中，建议将AMC与SiC MOSFET一起使用。图3描绘了使用SCTW35N120G2V（意法半导体的额定650V SiC MOSFET）的半桥逆变器的理想波形[6]。由于假定输出电流为正，因此在续流期间，低侧开关（S2）接通。在S2关断后的短暂死区时间之后，高侧开关S1接通。发生这种情况时，S1的VDS变为零，从而导致S2的VDS增加。两种瞬态都具有相同的压摆率。S2的栅极电压VGS（处于OFF电压）现在通过Miller电容的耦合被上拉。同样，当S1关断时，VGS被下拉。对称地，当输出电流为负时，在S1中会出现相同类型的振荡。 

图2：STGAP2S的可用选项。

图3：具有SIC MOSFET的半桥逆变器，以及VDS和VGS的理想波形。

图4：使用STGAP2S的两个变体的半桥逆变器中的VGS波形。

表2：采用SO-8W封装的STGAP2H器件的电压特性。

在关闭状态下，VGS中的正向和负向振荡都可能对器件和系统产生负面影响。正振荡会导致MOSFET的寄生导通，并因此导致整个半桥的直通。另一方面，负振荡可能会使VGS超出安全操作区域（SOA），并触发器件中的降级机制。

从图4的波形可以看出，ACM能够在关闭状态下将VGS的正和负尖峰减小到安全值。如图所示，当由STGAP2SM驱动时，SiC MOSFET的VGS可以达到正值，从而具有寄生导通的风险。使用STGAP2SCM时，相同的配置会出现更低的峰值，这些峰值永远不会达到正值。

同样，图4右侧的负振荡也减小了。STGAP2SM的配置在绝对最小栅极电压以下呈现负峰值，对于SCTW35N65G2V，其位于VGS，min = -10V。使用STGAP2SCM，负尖峰永远不会达到VGS，min。

隔离电压

SO-8W封装内的栅极驱动器（请参阅表1）具有6 kV的隔离度。根据UL1577，该电压与生产期间的测试电压有关。表2显示了采用SO-8W封装的STGAP2H系列的电压特性的更多详细信息。

欠压锁定（UVLO）

欠压锁定（UVLO）是所有STGAP2器件中都具有的保护功能。这样可以防止以低于其要求的电压驱动电源开关。当次级侧的电源电压（即引脚VH和GNDISO之间的电压）降至某个值以下时，将激活UVLO保护。

IGBT和超结MOSFET在+12 V至+15 V的栅极电压下工作。在此范围以下，MOSFET的导通电阻（或IGBT的饱和电压）开始增加，并且其导通损耗开关。开关也可能开始以线性模式运行，从而导致热跑道和设备故障。SiC MOSFET中也会发生同样的情况。但是，由于需要在栅极上施加更高的电压-从+ 18V到+ 20V，因此需要相应地提高UVLO激活时的电压值。

图5给出了STW90N65G2V的输出特性[5]。图中的VI曲线是在室温下针对不同栅极-源极电压VGS值获得的。图表下方的值是在40 A的漏极电流下由于电流传导而计算出的功耗。对于VGS = 18 V（该器件的标称值），产生的功耗约为28W。

图5 – SCTW90N65G2V SiC MOSFET的输出特性，以及针对不同栅极-源极电压计算出的传导损耗。

如果栅极驱动器上的电源下降，这也会影响VGS。在图上，我们以VGS = 12 V为例，这已经使传导损耗几乎增加了一倍。进一步下降将导致MOSFET以线性模式工作。相关的极高损耗会导致MOSFET因过热而发生故障。

为避免这种情况，STGAP2SiCS [5]器件的UVLO已增加至15.5V。即使在MOSFET上采用双极驱动，这也能确保提供适当的保护。例如，如果将-3V的负截止电压施加到MOSFET，则将使有效激活电压降至+ 12.5V，对于SiC MOSFET来说仍然足够安全。