1.2 驱动器设计考虑

第二部分驱动器的设计考虑

为获得更佳的性能以及良好的抗干扰能力

栅极驱动器的设计至关重要

这里我们比较三种材料下

RDS(on) 随栅极电压的变化的情况

增强型 GaN 或者说是 eGaN

它基本上采用水平构造结构

相形之下碳化硅和硅则采用垂直构造结构

GaN FET 理想的驱动电压为 5V

如右图所示

并且它没法承受超过六伏的电压

因此我们在设计考虑时

必须考虑门极的驱动电压

一些高压氮化镓器件

采用级联式的高压后进型模式

或者是穿通型的 GaN FET

再加上低压的硅 MOSFET

这些器件和常规的硅 MOSFET

有相类似的驱动电压的要求

如我们左图所看到的

我们可以看到当门极电压为 7V 的时候

硅 MOSFET 和级联式的 GaN FET

他们已经完全导通

对于碳化硅来说

它的一般最佳的驱动电压会在 20V 导通

他们需要 -5V 电压作为可靠的电压关断

这里我们比较三种高压晶体管

同等 RDS(on) 情况下面

总栅极电荷的特性

650V、67mΩ 的 CO-Junction FET

它的驱动电压到 10V 的时候

需要有 138nC 的电荷

而碳化硅 FET 栅极电压到 15V 的时候

它也仅需要 30nC 的电荷

而对于 650V 的 GaN FET 来说

它在 6V 的驱动电压的时候

也仅仅需要大概 5.8nC 的电荷

很显然宽禁带器件

仅仅需要很小的驱动功率

就可以在硬开关的应用场合

实现更高的频率

另外高压的 Super-Junction FET

它的开通延时可以为宽禁带器件的 3-4 倍

这个也限制了 Super-Junction FET

它的最大的工作频率

低的门极电荷

和更快的开关速度也会导致其他的挑战

开关的 dv/dt 会达到 40V/ns 以上

因此减小线路板分布电感、电容

对于一个可靠的 EMC 兼容的设计至关重要

也由于这个原因

集成了智能 FET 驱动器的宽禁带器件

成为理想的解决方案

特别是它的结温可以很好地进行管理

我们讨论的三种器件都是场效应晶体管

电压控制型器件

但是我们知道

我们需要在开关的瞬间

对栅极的电容进行快速地充电和放电

宽禁带器件它极低的栅极电荷特性

使他们可以在几百皮秒内进行导通

因此封装和布线的寄生效应

对它性能的影响特别地明显

一般来说对于驱动器的数据表里面

会给出拉电流和灌电流的数据

这是它对于输出大电流的情况下

来进行测得的

这个数据它没有考虑寄生参数的影响

比如说我们以一颗具有 4A 灌电流

和 -8A 抽电流的驱动器来说

如果它对一个 1nF 的门极电容进行充放电

我们可以很容易地算出

它的上升时间为 2ns

下降时间为 1ns

这个事实上可以发生吗

在更贴近实际的分析里面

我们会考虑把封装

和 PCB 板的电感因素考虑在内

我们加入驱动器的 bonding wire 的电感

以及栅极的阻抗

我们来再进行计算

可以看到驱动器的 8A 抽电流

事实上降到了 -4.6A

下降时间也明显地被拉长了

更糟糕的是

我们可以看到这里的驱动电压和电流

显示了一个带明显振铃的振荡回路

如果寄生阻抗严重的话

就很容易会使得我们的器件发生误导通

可以想象这种后果通常是灾难性的

为了删减栅极的电压振荡

我们通常需要

在驱动回路里面增加驱动电阻

这种方式就抹杀了

我们使用宽禁带器件的价值

因此如果我们想要保留宽禁带的优势

我们需要最大限度地减少

栅极驱动电感的影响

宽禁带器件开关的瞬间

它的漏极的电压变化率可以达到 100V/ns

这个变化会通过我们的密勒电容

耦合到栅极电压上

右图里面

碳化硅器件 dv/dt 的上升的摆率为 40V/ns

在栅极产生了大约 4V 的电压

这个尖峰对于 15V 导通的碳化硅来说

没有什么问题

但是对于氮化镓来说

可以触发它完全导通

从而导致直通现象

解决这个问题的方案包括

我们尽量地减少抽流的电阻

RG 加上 RSINK

以及我们在关断时设置负的偏置电压

当然这个会增加额外的驱动损耗了

在许多的高压应用

比如说我们的多相电机逆变器

和离线式的电源里面

我们通常有必要将

控制线路和功率级线路进行分割开来

以满足安全、电势差以及抗干扰的能力

隔离等级包括

基本绝缘、功能绝缘以及增强绝缘等等

我们这里下面列举了不同的驱动电压方式

以及他们所适应的带宽

可以看到在使用隔离驱动器的情况下面

我们 WBG 的器件可以获得非常高的频率

它具有特殊的优势

这些驱动器的延时非常小

对 dv/dt 的免疫力高

特别适用于兆赫级的高频率的功率应用场合

另外一个考虑的事项是

我们怎么以最佳的方式来建立一个负驱电压

来驱动桥式线路里面的上管

通常我们有两种方式来实现

一个是使用自举线路

比如说我们左图里红线的标出

考虑 WBG 的高速的开关的速度

我们的自举二极管需要有

非常低的反向恢复电荷 Qrr

因此这个二极管通常选用碳化硅二极管

这种方式它的局限点是说

它没法适合高占空比的工作模式

并且它受制于 dv/dt 的影响

以及供电的电压

另外一个方式

我们可以使用充电棒

或者是一个辅助的电源

来提供一个稳定的辅助电压

这种方式虽然来说比较的昂贵

但是它相比于自举线路来说

它的可靠性会更高

并且它可以

在 100% 的占空比条件下进行工作

布线和驱动的规则

想必大家对驱动 MOSFET 和 IGBT 的布线

已经非常熟悉了

对 WBG 的器件来说

它的挑战会更多一些

速度比较慢的 MOSFET 应用场合里面

对于性能没有什么影响的寄生阻抗

在和 WBG 的器件进行工作的时候

就可能会产生振荡以及发生辐射

因此我们在布线时需要尽可能减少

di/dt 环路区域

减少 dv/dt 的变化对于器件的影响

来优化驱动线路

最小化我们的门极的电压的过充和振荡

电磁仿真工具有助于我们更深刻地了解

一些不能够直观的获得的

一些由器件和寄生参数组成的无功线路

这些我们会在后续的介绍里面涉及到

这一部分里我们介绍了宽禁带的器件

驱动器的设计

以及布线的考虑因素

谢谢大家

第二部分驱动器的设计考虑

为获得更佳的性能以及良好的抗干扰能力

栅极驱动器的设计至关重要

这里我们比较三种材料下

RDS(on) 随栅极电压的变化的情况

增强型 GaN 或者说是 eGaN

它基本上采用水平构造结构

相形之下碳化硅和硅则采用垂直构造结构

GaN FET 理想的驱动电压为 5V

如右图所示

并且它没法承受超过六伏的电压

因此我们在设计考虑时

必须考虑门极的驱动电压

一些高压氮化镓器件

采用级联式的高压后进型模式

或者是穿通型的 GaN FET

再加上低压的硅 MOSFET

这些器件和常规的硅 MOSFET

有相类似的驱动电压的要求

如我们左图所看到的

我们可以看到当门极电压为 7V 的时候

硅 MOSFET 和级联式的 GaN FET

他们已经完全导通

对于碳化硅来说

它的一般最佳的驱动电压会在 20V 导通

他们需要 -5V 电压作为可靠的电压关断

这里我们比较三种高压晶体管

同等 RDS(on) 情况下面

总栅极电荷的特性

650V、67mΩ 的 CO-Junction FET

它的驱动电压到 10V 的时候

需要有 138nC 的电荷

而碳化硅 FET 栅极电压到 15V 的时候

它也仅需要 30nC 的电荷

而对于 650V 的 GaN FET 来说

它在 6V 的驱动电压的时候

也仅仅需要大概 5.8nC 的电荷

很显然宽禁带器件

仅仅需要很小的驱动功率

就可以在硬开关的应用场合

实现更高的频率

另外高压的 Super-Junction FET

它的开通延时可以为宽禁带器件的 3-4 倍

这个也限制了 Super-Junction FET

它的最大的工作频率

低的门极电荷

和更快的开关速度也会导致其他的挑战

开关的 dv/dt 会达到 40V/ns 以上

因此减小线路板分布电感、电容

对于一个可靠的 EMC 兼容的设计至关重要

也由于这个原因

集成了智能 FET 驱动器的宽禁带器件

成为理想的解决方案

特别是它的结温可以很好地进行管理

我们讨论的三种器件都是场效应晶体管

电压控制型器件

但是我们知道

我们需要在开关的瞬间

对栅极的电容进行快速地充电和放电

宽禁带器件它极低的栅极电荷特性

使他们可以在几百皮秒内进行导通

因此封装和布线的寄生效应

对它性能的影响特别地明显

一般来说对于驱动器的数据表里面

会给出拉电流和灌电流的数据

这是它对于输出大电流的情况下

来进行测得的

这个数据它没有考虑寄生参数的影响

比如说我们以一颗具有 4A 灌电流

和 -8A 抽电流的驱动器来说

如果它对一个 1nF 的门极电容进行充放电

我们可以很容易地算出

它的上升时间为 2ns

下降时间为 1ns

这个事实上可以发生吗

在更贴近实际的分析里面

我们会考虑把封装

和 PCB 板的电感因素考虑在内

我们加入驱动器的 bonding wire 的电感

以及栅极的阻抗

我们来再进行计算

可以看到驱动器的 8A 抽电流

事实上降到了 -4.6A

下降时间也明显地被拉长了

更糟糕的是

我们可以看到这里的驱动电压和电流

显示了一个带明显振铃的振荡回路

如果寄生阻抗严重的话

就很容易会使得我们的器件发生误导通

可以想象这种后果通常是灾难性的

为了删减栅极的电压振荡

我们通常需要

在驱动回路里面增加驱动电阻

这种方式就抹杀了

我们使用宽禁带器件的价值

因此如果我们想要保留宽禁带的优势

我们需要最大限度地减少

栅极驱动电感的影响

宽禁带器件开关的瞬间

它的漏极的电压变化率可以达到 100V/ns

这个变化会通过我们的密勒电容

耦合到栅极电压上

右图里面

碳化硅器件 dv/dt 的上升的摆率为 40V/ns

在栅极产生了大约 4V 的电压

这个尖峰对于 15V 导通的碳化硅来说

没有什么问题

但是对于氮化镓来说

可以触发它完全导通

从而导致直通现象

解决这个问题的方案包括

我们尽量地减少抽流的电阻

RG 加上 RSINK

以及我们在关断时设置负的偏置电压

当然这个会增加额外的驱动损耗了

在许多的高压应用

比如说我们的多相电机逆变器

和离线式的电源里面

我们通常有必要将

控制线路和功率级线路进行分割开来

以满足安全、电势差以及抗干扰的能力

隔离等级包括

基本绝缘、功能绝缘以及增强绝缘等等

我们这里下面列举了不同的驱动电压方式

以及他们所适应的带宽

可以看到在使用隔离驱动器的情况下面

我们 WBG 的器件可以获得非常高的频率

它具有特殊的优势

这些驱动器的延时非常小

对 dv/dt 的免疫力高

特别适用于兆赫级的高频率的功率应用场合

另外一个考虑的事项是

我们怎么以最佳的方式来建立一个负驱电压

来驱动桥式线路里面的上管

通常我们有两种方式来实现

一个是使用自举线路

比如说我们左图里红线的标出

考虑 WBG 的高速的开关的速度

我们的自举二极管需要有

非常低的反向恢复电荷 Qrr

因此这个二极管通常选用碳化硅二极管

这种方式它的局限点是说

它没法适合高占空比的工作模式

并且它受制于 dv/dt 的影响

以及供电的电压

另外一个方式

我们可以使用充电棒

或者是一个辅助的电源

来提供一个稳定的辅助电压

这种方式虽然来说比较的昂贵

但是它相比于自举线路来说

它的可靠性会更高

并且它可以

在 100% 的占空比条件下进行工作

布线和驱动的规则

想必大家对驱动 MOSFET 和 IGBT 的布线

已经非常熟悉了

对 WBG 的器件来说

它的挑战会更多一些

速度比较慢的 MOSFET 应用场合里面

对于性能没有什么影响的寄生阻抗

在和 WBG 的器件进行工作的时候

就可能会产生振荡以及发生辐射

因此我们在布线时需要尽可能减少

di/dt 环路区域

减少 dv/dt 的变化对于器件的影响

来优化驱动线路

最小化我们的门极的电压的过充和振荡

电磁仿真工具有助于我们更深刻地了解

一些不能够直观的获得的

一些由器件和寄生参数组成的无功线路

这些我们会在后续的介绍里面涉及到

这一部分里我们介绍了宽禁带的器件

驱动器的设计

以及布线的考虑因素

谢谢大家