注意柵極驅(qū)動器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電源使用

這有點像灰姑娘或丑小鴨的童話故事：多年來，各種類型、大小和速度的處理器都是一般媒體關(guān)注的迷人主題以及主要的研發(fā)投資。與此同時，功率器件——主要是基于硅的 MOSFET 和 IGBT——顯然被低估了，并且作為本應(yīng)乏味的功率利基市場的一部分在背景中萎靡不振。

過去幾年情況確實發(fā)生了變化，因為功率器件，尤其是基于氮化鎵和碳化硅工藝技術(shù)的功率器件，正在獲得大量關(guān)注和投資。在這里提供具體的美元金額是不切實際的，因為它很難衡量;有很多合理的方式來看待細節(jié)，也有很多方式可以解釋這種關(guān)注。盡管如此，毫無疑問，在電動汽車、綠色倡議和許多其他因素的推動下，電力設(shè)備是目前發(fā)生許多可見活動的地方。

但是與電源相關(guān)的電路設(shè)計并不僅僅依賴于它們的電源設(shè)備。柵極驅(qū)動器通常是除較小功率器件外的所有器件的獨立器件，在管理功率器件、確保其滿足其性能潛力并確保與電壓擺幅、電流、導(dǎo)通/開啟/關(guān)斷壓擺率、寄生電感和電容等都受到尊重和遵循。

事實上，使柵極驅(qū)動器成為開關(guān)功率器件的親密和合適的伙伴是設(shè)計過程的重要組成部分。正確的選擇可以使功率器件滿足目標規(guī)格，而次優(yōu)的失配可能會抵消其大部分潛力，甚至?xí)p壞或毀壞它。因此，柵極驅(qū)動器有自己的一套應(yīng)用筆記和設(shè)計指南;有些是特定于設(shè)備的，而另一些則更通用(參見參考資料)。

然而，在這種關(guān)系中還有另一個有點沉默的伙伴，它在幕后并且很容易被忽視，直到周期的后期：柵極驅(qū)動器自己的電源，幾乎總是一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。雖然電源設(shè)備通過負載有自己的電源軌，但柵極驅(qū)動器需要自己的電源軌，該電源軌必須與驅(qū)動器/電源設(shè)備組合的細節(jié)相匹配。在這個完整的電源系統(tǒng)鏈的風格化視圖中，通常有一個用于處理器及其支持的低壓軌，以及一個用于負載的軌，而柵極驅(qū)動器通常需要自己的電源，具體取決于驅(qū)動器和電源設(shè)備配對。

為什么要擔心柵極驅(qū)動器的電源?

當我看到Murata Power Systems的應(yīng)用說明“柵極驅(qū)動應(yīng)用說明：IGBT/MOSFET/SiC/GaN 柵極驅(qū)動 DC-DC 轉(zhuǎn)換器”時，我想起了這個顯而易見但很容易被忽視的現(xiàn)實。本說明著眼于驅(qū)動器的一些注意事項，以及它們?nèi)绾畏从车津?qū)動器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為其電源。

第一點是，在許多電路拓撲中，例如廣泛使用的橋式布置，驅(qū)動器及其 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要與高側(cè)功率器件一起與地電隔離;在某些情況下，高端和低端器件都需要隔離。

但這僅僅是開始。事實證明，雙極 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器可能不需要對稱，但可以與具有比正電壓更低的負電壓軌的驅(qū)動器有效地工作。只需要降低的負輸出電壓就可以在設(shè)計或指定 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率處理能力時提供更大的靈活性。例如，除了更常見的對稱雙極性值之外，村田 DC/DC 對還包括 20-V/–5-V 和 18-V/–2.5-V 單元。

正如 Murata 注釋所指出的那樣，“雖然柵極上的 0 V 對許多器件來說已經(jīng)足夠了，但通常在 –5 V 和 –10 V 之間的負電壓可以實現(xiàn)由柵極電阻器控制的快速開關(guān)。開關(guān)和驅(qū)動器參考之間的任何發(fā)射極電感 L 在開關(guān)關(guān)閉時會導(dǎo)致相反的柵極-發(fā)射極電壓。雖然電感可能很小，但僅 5 nH 就會以 1,000 A/μs 的 di/dt 產(chǎn)生 5V，這并不罕見(5 nH 只是幾毫米的有線連接)。適當?shù)呢擈?qū)動可確保柵極-發(fā)射極關(guān)斷電壓實際上總是為零或更低?！?

還需要考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)，因為驅(qū)動器提供的負載會在驅(qū)動功率器件開關(guān)時突然發(fā)生變化。Murata 的說明也明確指出：“在驅(qū)動電路電壓軌處于正確值之前，不應(yīng)由 PWM 信號主動驅(qū)動 IGBT/MOSFET。然而，當柵極驅(qū)動 DC/DC 上電或斷電時，即使 PWM 信號處于非活動狀態(tài)，也可能會導(dǎo)致器件被驅(qū)動開啟的瞬態(tài)條件，從而導(dǎo)致?lián)舸┖蛽p壞。因此，DC/DC 輸出在上電和斷電時應(yīng)該表現(xiàn)良好，具有單調(diào)的上升和下降?！? 是的，我們知道這一點，但是否適當考慮了這一方面?該說明指出了為柵極驅(qū)動器選擇合適的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時的一些問題。

有時我會擔心，對工程師的多維要求不會導(dǎo)致最終設(shè)計合理，因為面對不可避免的權(quán)衡，有太多相互矛盾的期望。然而，盡管我擔心，但我看到許多非常好的設(shè)計以某種方式設(shè)法滿足，達到可接受甚至要求的水平，對它們提出的許多電氣、環(huán)境、監(jiān)管、熱、效率、成本、生產(chǎn)和其他重疊的要求。

設(shè)備驅(qū)動器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的屬性是這些挑戰(zhàn)的又一組挑戰(zhàn)，具有許多可以應(yīng)對的自由度。不幸的是，公眾并不欣賞這一點，并且可能認為這很容易。這就是為什么當政客們?yōu)閷崿F(xiàn)某些值得稱贊的目標制定形式和進展速度時，我感到特別令人擔憂。像那么簡單就好了。

您在接觸柵極驅(qū)動器，尤其是它們的電源轉(zhuǎn)換器方面有何經(jīng)驗?即使驅(qū)動器和功率器件匹配得當，轉(zhuǎn)換器的性能是否會成為意想不到的限制因素或問題?