掌握高压栅极驱动器设计的基础知识和艺术性设计
Loading the player...
将在30s后自动为您播放下一课程
大家好。 我叫Wei Zhang。 我是TI的系统和应用工程师。 这是一个培训服务， 讨论高压栅极驱动器，设计用于MOSFET、IGBT 和宽带隙器件，如碳化硅和氮化镓， 用于各种应用， 如UPS、电信和服务器。 我们将从本演示中 得到的是门驱动器应用， 我们将介绍低端驱动器， 高端和低端驱动器，以及隔离栅极驱动器。 我们还将介绍如何通过深入研究栅极驱动器的 设计考虑来最大化栅极驱动器的性能， 包括寄生效应，硬开关和软开关， 高dV dt和di dt，以及隔离栅极驱动器 考虑因素。 本演示文稿中包含的部件 包括UC2751,52和x24低侧驱动器， 以及容量为2771x的600伏驱动器。 此外，隔离栅极驱动器系列 是2152x、2122x，以及UCC53系列。 有关更多详细信息，请查看TI.com 以获取其他参考设计。 在本次培训系列中，我们将涉及 栅极驱动器应用，低端栅极驱动器的基本原理， 高端和低端栅极驱动器 以及隔离栅极驱动器。 我们会深入了解并帮助您了解TI参考设计中的 栅极驱动器设计注意事项， 以及相应的关键 波形。 栅极驱动器的应用非常广泛， 我在这里列举一些，如便携式设备的电池管理系统、 AC适配器、服务器/电信/ UPS、 电动车充电器、电机驱动器和D类音频。 此外，还有厨房、可再生能源 和固态照明等应用。 一般来说，栅极驱动器 已被无处不在地用于高效功率转换。 看一下服务器/电信的典型功率， 它将公用电网连接到前面的功率因数校正， 建立400伏直流总线， 然后是隔离的直流 到直流转换器，以及…级别的砖总线转换器 和负载点。 在示例电路中，我选择了两个通道交错的 PFC和IOC升压，用于隔离DC-DC转换器， 以及用于总线转换器的全桥。 对于简单的、几百瓦的前端转换器， 总共有大约10到20个开关。 使用流行的图腾柱PFC， 您需要更多有源设备以获得更好的性能。 重要的是，每个开关都需要一个栅极驱动器。 单通道或双通道低侧栅极驱动器， 高侧和低侧栅极驱动器，用于高电桥， 48伏总线可以是100伏， 400伏总线可以是600伏。 隔离栅可根据系统安全要求 使用单通道或双通道隔离栅极驱动器。 对于双向电动车辆颤振， 所有这些都是高压开关，以及用于电动车辆 和电池供电工具的电动机驱动器。 高侧和低侧半桥驱动器更受欢迎。 同样，如果控制器位于不同的接地参考， 则应使用单通道 或双通道隔离栅极驱动器。 现代电力电子技术以开关模式功率转换 为主导。 常用的器件，包括MOSFET、IGBT， 以及新技术，如碳化硅和氮化镓， 都在高开关频率下工作。 栅极端子控制MOSFET和IGBT的导通和关断。 要为常关设备打开设备， 您需要应用超过此阈值的部件电压。 要关闭它，您可以将门 下拉到0，或者关闭负值。 栅极是具有高阻抗的 电容输入和从栅极到漏极的 寄生电容（CGD）和栅极到源极（CGX）。 这里展示了一些流行的功率半导体， 包括碳化硅IGBT、碳化硅MOSFET 和氮化镓器件。 它们不同。 对于硅MOSFET，以及作为驱动电压， 当高驱动它们时， 通常为10伏至15伏。 对于较低电压的MOSFET，它可能以5伏 至7伏驱动。 IGBT可能具有更高的阈值， 并且通常在驱动电压为15伏的 情况下通过驱动。 碳化硅MOSFET有点不同， 当完全在器件上时，可能需要 更高的电压。 它需要20伏完全打开。 适用于IGBT和碳化硅。 在恶劣的条件下，您可能需要关闭设备的 负电压，以确保噪音不会意外 打开设备。 对于氮化镓器件，这里的示例显示了 具有增强型GaN器件，在完全导通电压之间的空间， 例如5伏， 它在完全导通电压与绝对最大电压之间的 余量很小， 这是在6至7伏。 因此，当我们驱动不同的开关时， 需要小心选择栅极驱动器， 以及栅极驱动器 电路设计。 例如，在服务器和电信电源应用中， 低侧栅极驱动器可用于驱动 PFC级中的有源开关。 并且还可以用于驱动总线 转换器级的同步整流，因为电源开关都是以地 为参考。 低侧驱动器可以 以离散的方式实现， 其中有相当多的低压晶体管用于电平转换器，以及图腾柱 …阶段。 由于许多分立元件， 元件尺寸，PCB布局以及非音频封装 和PCB走线引入的寄生效应， 缺点是[听不清]。 所有这些分立器件都可以轻松 集成智能芯片，优化可靠性保护功能， 以及驱动器性能， 如峰值驱动电流，小传播延迟， 更好的暂停宽度失真， 以及电流消耗小… 对于低侧栅极驱动器， 您可以选择单通道和双通道。 单通道和双通道的非反相。 与左下方显示的示例一样， 这些器件具有两个输入引脚， 通过以不同方式连接两个输入， 使其成为非反相和反相的 通用引脚。 更重要的是，如果需要更快的关闭， 输出引脚可以分开编程， 以便编程不同的开启和关闭， 可以节省外部元件。 与前一页介绍的低端驱动器类似， 半桥配置中的低端 栅极驱动器相对简单直接。 输入和输出具有传播延迟。 由于高端驱动器 未以地为参考，因此需要电平…电路 来连接接地参考输入。 要提供高端驱动器，最常用的方法 是使用自举配置， 在底部FET导通时为自举电容充电。 如图所示，您有输入参考地面。 但是，输出电压参考的开关节点为 100伏至700伏。 HO和HS之间的差异是高侧栅极驱动器电压， 其通常是BDD减去 自举二极管的完全电压降。 一些应用甚至集成了自举二极管， 以方便客户。 通过输入滤波器 和分离开关，它通常显示高侧和低侧驱动器的 所有功能电路。 这是前几页讨论的关键规范的 快速摘要。 欠压锁定和VDD发生最大值， 就像我们提到的驱动不同FET的情况一样， 对于E模式GaN，最大可以低至7伏， 对于碳化硅可以高达35伏。 峰值源和吸收电流， 可以是对称的或不对称的， 以满足不同的开启和关闭要求。 不同的输入逻辑， TTL和CMOS输入支持来自控制器的输入， 通常小于3.3伏。 虽然CMOS输入需要超过50％的 VDD才能打开器件， 这样可以提供更好的抗噪性。 但是，它可能需要TSP或FPGA控制器的缓冲区。 对于具有自举配置的 高侧和低侧栅极驱动器， 对于48伏总线条件， 它具有高达100伏的电平移位器， 对于400伏总线条件， 高达700伏特。 动态参数包括导通和关断的 传播延迟，上升和下降时间， 以及延迟匹配 和最小开关脉冲。 所有动态参数都很重要 - 瞬态响应，开关损耗 以及高频操作。 更重要的是，封装也很重要。 TI支持典型的SOIC封装， 并且还支持小至2×2的低配置封装。 安全合规性也是一个重要因素， 因为电源可以连接 公用电网和安全操作员。 对于二次站点控制架构， 隔离不仅应该在功率级实现， 一般是电源变压器， 也应该在控制器和驱动电路中实现。 IEC标准列于此处， 增强隔离要求超过3 kV，高达5 kV的隔离电压。 因此，我们应该如何在栅极驱动器上 实现这种隔离？ 栅极驱动变压器是提供这种隔离的 传统和流行方式。 低侧栅极驱动器在顶部开关 栅极驱动的示例中提供 具有补偿电路的驱动信号增强器 和栅极驱动器变压器输入， 包括C4，C6和D1，D2。 栅极驱动器变压器不仅提供信号， 还提供从输入到输出的电源隔离。 这种配置的缺点 不仅包括两个庞大的栅极驱动器变压器， 还包括脉冲宽度失真控制策略的 频带瞬态性能。 在这里，我们比较两种流行的方式 - 类型A的栅极驱动变压器 和B型的数字振荡器加高侧和低侧驱动器。 比较这两种解决方案。 栅极驱动变压器具有良好的透视传播延迟， 并且还可以传输信号和功率。 B型具有暂定的梯形传播延迟， 需要为第二次复位提供电源。 然而，为了获得干净的驱动信号， A型需要大量的辅助电路， 并且具有相对大的输入和输出电容、漏电感， 因此预期会出现更大的过冲。 而且，考虑到尺寸，这是一个例子。 对于增强隔离下的尺寸比较， 此处仅考虑包括PCB面积 和体积的关键参数。 B型节省了近一半的PCB…尺寸区域， 并且由于变压器的尺寸不合适 而节省了更多的音量。 另一种类型的驱动器 将隔离器和驱动器集成在一个称为 ISO驱动器的芯片中， 每纳秒CMTI具有超过100伏特，5千伏 增强隔离。 关系传播延迟仅为19纳秒， 暂停宽度失真小于5纳秒。 重要的是，尺寸仅为解决方案B的一半， 比A型节省75％以上。 UCC21520系列栅极驱动器 是业界最快的5.7 kV隔离双通道栅极驱动器。 它还在TI的栅极驱动器产品系列中 引入了一个新的隔离系列。 集成元件，包括先进的保护功能 和优化的开关性能， 使该驱动器成为一站式解决方案， 用作低侧、高侧、低侧 或半桥栅极驱动器。 除了优势之外，我们还讨论 并与栅极驱动器变压器进行比较， UCC21520系列具有6安培4安培吸收器和源峰值 电流。 它还允许3伏至18伏宽的输入电压范围。 并且还有6.5伏特，输出电压范围 高达30伏。 它还具有可编程延迟，具有重叠、互锁 以及死区时间，从0纳秒到5 微秒。 输出是故障安全的，具有主动下拉电路。 此外，还有三种欠压锁定选项-- 5伏、8伏和12伏， 用于驱动不同的MOSFET、IGBT和碳化硅MOSFET。 好吧，我们介绍了所有的基本内容， 看起来并不困难。 这只是一个驱动程序。 有一个输入。 有一个输出。 但是，让我们保持好奇并看看系统级 对栅极驱动器性能的影响， 如寄生效应，如硬和软切换差异， 如非线性Coss和CMTI，dV dt，di dt 以及非音频PCB布局。 让我们更深入一点，我将向您展示 驱动器在转换器效率 和可靠性方面的重要作用。 对于寄生效应 - 结电容， PCB走线和…电感， 以及电阻都是寄生效应。 因此，开启和关闭将 会更复杂一些。 对于碳化硅MOSFET和硅MOSFET， 还有一个寄生二极管， 也被认为是寄生效应。 通过分段线性图示， 开启过程可分为三个阶段。 第一级是栅极驱动电压、路径阈值， 以及通道电流增加。 在显示CGS的红线中 突出显示的等效电路在此阶段占主导地位。 在第二阶段，它正在给CGT充电 并降低VDS电压。 第三阶段是通过对CGD和CGS充电 来进一步增加栅极电压，进一步降低RDSN VDS和ID的重叠会产生开关损耗。 更强的驱动器被最小化T1到T3阶段 将减少开关损耗。 关闭状态与打开时类似。 让两个器件置于 半桥配置中，可以增加一点复杂性。 在硬开关应用中， 将发生二极管反向恢复。 临界波形显示在左上角。 这种反向恢复将反映到顶部开关， 并且通常会更多地开启损耗。 根据硅MOSFET的体二极管 和IGBT的反并联二极管的两个扩展结果， 您可以看到大量的浪涌电流， 这是由反向恢复引起的。 对于硅MOSFET， 过冲可能比正常开关电流高5倍， 而IGBT相对较小。 主要原因是硅MOSFET的体二极管 是寄生二极管，没有完全优化， 而IGBT的紧凑型二极管 可以是超快速或软恢复二极管。 反向恢复会增加损耗，导致电流电压 过冲并增加di dt。 它还会导致栅极振荡，与栅极驱动信号…共同的 源电感和公共源电感一起丢失， 并减慢开关转换。 降低速度的一种方法是通过添加二极管 或使用分离输出栅极驱动器来增加导通电阻。 如您所见，如果RG增加， 峰值反向恢复时间将减少。 但是，这种改善仍然有限。 上一节中讨论的反向恢复实际上 是优化系统效率 和可靠性的问题。 为了进一步消除这个问题，软切换 是可行的方法。 像临界模式图腾柱PFC 和IOC转换器一样。 在VDS电压降至0后，它们将打开 设备。 通过软切换， 前面提到的三个阶段，现在只有一个阶段。 没有Miller充电。 当Coss完全放电并且器件通道电流 由外部电路决定时，打开器件， 而不是寄生。 通常，与硬切换相比， di dt非常慢，因此没有重叠。 没有开启损失。 并且随着栅极驱动器损耗机制 也发生变化，对于硬开关， 假设栅极驱动器电压为10伏， 阴影区域的开启和关闭区域 是栅极驱动器电路中消耗的总损耗。 每个周期的总能量是总面积Qg 乘以10伏VGS。 对于软开关，由于没有Miller电荷， 红色实线表示开启轨迹。 关闭类似于硬切换。 与硬开关栅极驱动器损耗相比， 软开关的损耗更小。 软开关解决了这种开启损耗。 但是，关闭太难切换。 与快速模式电流传导一样， 关断电流也增加了一倍。 如果用弱驱动器 驱动FET，开关损耗肯定会增加。 这意味着较低的吸电流能力驱动器。 是强大的门驱动器， 你几乎看不到米勒平台，重叠期 最小化。 重要的是，开关行为 不受栅极电流控制， 而是受Coss和负载电流控制。 考虑到高度非线性电容， 分段线性开关波形 如右上图所示。 在初始阶段非常慢的dV dt变为上限， 并且低电压非常大， 其为5毫微法和0伏。 然后是非常高的dV dt和高电压， 从而进一步减小了重叠面积。 这是关闭超级结MOSFET的 实验示例。 放大，波形显示栅极驱动器 非常干净，米勒平台时间非常短。 VDS增长非常缓慢且提前关闭。 看，每个偏差仅为5伏特， 然后逐渐增加。 VGS完全关断后，所有开关电压 和电流都会发生变化， 这意味着开关行为不受栅极驱动器的控制， 而是受Coss和负载电流的控制。 即使具有强栅极驱动器的重叠区域 被最小化，它仍然存在。 如果我们调整，我们肯定会看到重叠。 但是，它真的是损耗吗？ 让我们来看看流行的IOC电路的 关闭机制，每个器件 由一个通道、体二极管和一个CDS组成。 第一级，底部FET导通， 电流流过通道。 第二阶段，通道关闭，通道电流减小， 剩余电流充电 和放电两个开关的Coss。 由于相对较大的感性负载， 在开关转换期间的负载电流 保持… 状态三，通道关闭。 所有负载电流用于继续充电 和放电Coss。 最后阶段，ZVS实现并且电流 流过体二极管。 真正的损失仅发生 在第二阶段，其中通道电流和电压之间 存在重叠。 第三阶段只是给Coss充电和放电。 我们可能知道，在软切换期间， 所有Coss能量将在下一个周期中恢复。 减少损失并关闭是件好事。 然而，dV dt和di dt取决于负载， 并且它可以在非常重的负载下产生 高dV dt和di dt。 对于开关节点中的高dV dt， 其行为确实是现有寄生电容的 噪声源，包括 杠杆移位器帽，自举二极管或结帽。 通过该电容器的dV dt耦合 会将噪声注入初级侧接地参考。 如果地面不干净，你会发现门驱动器 出现故障。 在这个实验中，波形输入存在， 但输出过程丢失。 15安培关闭，左图显示了 氮化镓和超结MOSFET的dV dt 与栅极驱动器电阻的关系。 如您所见，MOSFET的dV dt 可能达到每纳秒50伏以上。 并且氮化镓甚至更高， 超过150纳伏/纳秒。 虽然di dt遵循类似的趋势。 一种解决方案是为低侧栅极驱动器增加电平移位器， 试图将电源地和逻辑地分开。 更重要的是，通过额外的旁路电容， 环路最小化和dV dt噪声 将通过增加电阻器盖， 充电环路以及环路电感中的电阻 而流经不同的路径。 因此，流过初级侧的噪音较小。 谈完dV dt之后，让我们来看看di dt。 它与寄生电感有关。 不幸的是，寄生效应无处不在。 使用高di dt，它不仅会减慢驱动器的速度， 还会导致开关节点的 严重耗尽。 例如，当您关闭顶部开关时， 底部分支将具有正的di dt， 与寄生电感相结合，HSP 实际电路中将存在下冲引流。 这种下冲将导致驱动器故障， 二极管后过流以及VHP减去VHS的过充电。 为了增强驱动器的稳健性， 新的27714栅极驱动器可 支持负70伏，100纳秒， 负30伏，200纳秒。 TIDA-01159结构紧凑，易于评估 UCC21520的参考设计，用于驱动额定电压为1伏 至690伏的功率级。 该设计适用于任何具有 半桥功率级的设备。 该板内置简单，低成本的隔离电源， 可驱动高端开关。 该设计演示并帮助客户 评估UCC21520栅极驱动器 丰富功能集的性能， 包括5 kV隔离的高驱动器件， 高CMTI环境的稳健器件 以及碳化硅MOSFET 器件的高频操作。 该解决方案提供简单易用的…电路板， 可将性能与传统上使用的基于电源 变压器的解决方案进行比较，以驱动半桥 功率级。 与之前的设计类似，TIDA-01160 和其他设计为UCC53系列栅极驱动器提供参考。 该设计旨在用于需要单个隔离栅极驱动器 来驱动IGBT或碳化硅 MOSFET的设备中。 关键终端设备包括单相或三相UPS， 直流充电电源和…系统。 该板具有内置的低成本 隔离电源，可通过负电压驱动高侧开关 … 总结一下，我们说了栅极驱动的基本原理， 介绍了低侧，高侧和低侧，以及隔离式 栅极驱动器。 我们还介绍了寄生效应及其 对软开关和硬开关的影响，非线性Coss 具有强栅极驱动器、CMTI、dV dt和di dt， 以及如何分离由dV dt引起的接地噪声。 有关更多信息，请查看TIDA参考设计。 非常感谢您的宝贵时间。
大家好。 我叫Wei Zhang。 我是TI的系统和应用工程师。 这是一个培训服务， 讨论高压栅极驱动器，设计用于MOSFET、IGBT 和宽带隙器件，如碳化硅和氮化镓， 用于各种应用， 如UPS、电信和服务器。 我们将从本演示中 得到的是门驱动器应用， 我们将介绍低端驱动器， 高端和低端驱动器，以及隔离栅极驱动器。 我们还将介绍如何通过深入研究栅极驱动器的 设计考虑来最大化栅极驱动器的性能， 包括寄生效应，硬开关和软开关， 高dV dt和di dt，以及隔离栅极驱动器 考虑因素。 本演示文稿中包含的部件 包括UC2751,52和x24低侧驱动器， 以及容量为2771x的600伏驱动器。 此外，隔离栅极驱动器系列 是2152x、2122x，以及UCC53系列。 有关更多详细信息，请查看TI.com 以获取其他参考设计。 在本次培训系列中，我们将涉及 栅极驱动器应用，低端栅极驱动器的基本原理， 高端和低端栅极驱动器 以及隔离栅极驱动器。 我们会深入了解并帮助您了解TI参考设计中的 栅极驱动器设计注意事项， 以及相应的关键 波形。 栅极驱动器的应用非常广泛， 我在这里列举一些，如便携式设备的电池管理系统、 AC适配器、服务器/电信/ UPS、 电动车充电器、电机驱动器和D类音频。 此外，还有厨房、可再生能源 和固态照明等应用。 一般来说，栅极驱动器 已被无处不在地用于高效功率转换。 看一下服务器/电信的典型功率， 它将公用电网连接到前面的功率因数校正， 建立400伏直流总线， 然后是隔离的直流 到直流转换器，以及…级别的砖总线转换器 和负载点。 在示例电路中，我选择了两个通道交错的 PFC和IOC升压，用于隔离DC-DC转换器， 以及用于总线转换器的全桥。 对于简单的、几百瓦的前端转换器， 总共有大约10到20个开关。 使用流行的图腾柱PFC， 您需要更多有源设备以获得更好的性能。 重要的是，每个开关都需要一个栅极驱动器。 单通道或双通道低侧栅极驱动器， 高侧和低侧栅极驱动器，用于高电桥， 48伏总线可以是100伏， 400伏总线可以是600伏。 隔离栅可根据系统安全要求 使用单通道或双通道隔离栅极驱动器。 对于双向电动车辆颤振， 所有这些都是高压开关，以及用于电动车辆 和电池供电工具的电动机驱动器。 高侧和低侧半桥驱动器更受欢迎。 同样，如果控制器位于不同的接地参考， 则应使用单通道 或双通道隔离栅极驱动器。 现代电力电子技术以开关模式功率转换 为主导。 常用的器件，包括MOSFET、IGBT， 以及新技术，如碳化硅和氮化镓， 都在高开关频率下工作。 栅极端子控制MOSFET和IGBT的导通和关断。 要为常关设备打开设备， 您需要应用超过此阈值的部件电压。 要关闭它，您可以将门 下拉到0，或者关闭负值。 栅极是具有高阻抗的 电容输入和从栅极到漏极的 寄生电容（CGD）和栅极到源极（CGX）。 这里展示了一些流行的功率半导体， 包括碳化硅IGBT、碳化硅MOSFET 和氮化镓器件。 它们不同。 对于硅MOSFET，以及作为驱动电压， 当高驱动它们时， 通常为10伏至15伏。 对于较低电压的MOSFET，它可能以5伏 至7伏驱动。 IGBT可能具有更高的阈值， 并且通常在驱动电压为15伏的 情况下通过驱动。 碳化硅MOSFET有点不同， 当完全在器件上时，可能需要 更高的电压。 它需要20伏完全打开。 适用于IGBT和碳化硅。 在恶劣的条件下，您可能需要关闭设备的 负电压，以确保噪音不会意外 打开设备。 对于氮化镓器件，这里的示例显示了 具有增强型GaN器件，在完全导通电压之间的空间， 例如5伏， 它在完全导通电压与绝对最大电压之间的 余量很小， 这是在6至7伏。 因此，当我们驱动不同的开关时， 需要小心选择栅极驱动器， 以及栅极驱动器 电路设计。 例如，在服务器和电信电源应用中， 低侧栅极驱动器可用于驱动 PFC级中的有源开关。 并且还可以用于驱动总线 转换器级的同步整流，因为电源开关都是以地 为参考。 低侧驱动器可以 以离散的方式实现， 其中有相当多的低压晶体管用于电平转换器，以及图腾柱 …阶段。 由于许多分立元件， 元件尺寸，PCB布局以及非音频封装 和PCB走线引入的寄生效应， 缺点是[听不清]。 所有这些分立器件都可以轻松 集成智能芯片，优化可靠性保护功能， 以及驱动器性能， 如峰值驱动电流，小传播延迟， 更好的暂停宽度失真， 以及电流消耗小… 对于低侧栅极驱动器， 您可以选择单通道和双通道。 单通道和双通道的非反相。 与左下方显示的示例一样， 这些器件具有两个输入引脚， 通过以不同方式连接两个输入， 使其成为非反相和反相的 通用引脚。 更重要的是，如果需要更快的关闭， 输出引脚可以分开编程， 以便编程不同的开启和关闭， 可以节省外部元件。 与前一页介绍的低端驱动器类似， 半桥配置中的低端 栅极驱动器相对简单直接。 输入和输出具有传播延迟。 由于高端驱动器 未以地为参考，因此需要电平…电路 来连接接地参考输入。 要提供高端驱动器，最常用的方法 是使用自举配置， 在底部FET导通时为自举电容充电。 如图所示，您有输入参考地面。 但是，输出电压参考的开关节点为 100伏至700伏。 HO和HS之间的差异是高侧栅极驱动器电压， 其通常是BDD减去 自举二极管的完全电压降。 一些应用甚至集成了自举二极管， 以方便客户。 通过输入滤波器 和分离开关，它通常显示高侧和低侧驱动器的 所有功能电路。 这是前几页讨论的关键规范的 快速摘要。 欠压锁定和VDD发生最大值， 就像我们提到的驱动不同FET的情况一样， 对于E模式GaN，最大可以低至7伏， 对于碳化硅可以高达35伏。 峰值源和吸收电流， 可以是对称的或不对称的， 以满足不同的开启和关闭要求。 不同的输入逻辑， TTL和CMOS输入支持来自控制器的输入， 通常小于3.3伏。 虽然CMOS输入需要超过50％的 VDD才能打开器件， 这样可以提供更好的抗噪性。 但是，它可能需要TSP或FPGA控制器的缓冲区。 对于具有自举配置的 高侧和低侧栅极驱动器， 对于48伏总线条件， 它具有高达100伏的电平移位器， 对于400伏总线条件， 高达700伏特。 动态参数包括导通和关断的 传播延迟，上升和下降时间， 以及延迟匹配 和最小开关脉冲。 所有动态参数都很重要 - 瞬态响应，开关损耗 以及高频操作。 更重要的是，封装也很重要。 TI支持典型的SOIC封装， 并且还支持小至2×2的低配置封装。 安全合规性也是一个重要因素， 因为电源可以连接 公用电网和安全操作员。 对于二次站点控制架构， 隔离不仅应该在功率级实现， 一般是电源变压器， 也应该在控制器和驱动电路中实现。 IEC标准列于此处， 增强隔离要求超过3 kV，高达5 kV的隔离电压。 因此，我们应该如何在栅极驱动器上 实现这种隔离？ 栅极驱动变压器是提供这种隔离的 传统和流行方式。 低侧栅极驱动器在顶部开关 栅极驱动的示例中提供 具有补偿电路的驱动信号增强器 和栅极驱动器变压器输入， 包括C4，C6和D1，D2。 栅极驱动器变压器不仅提供信号， 还提供从输入到输出的电源隔离。 这种配置的缺点 不仅包括两个庞大的栅极驱动器变压器， 还包括脉冲宽度失真控制策略的 频带瞬态性能。 在这里，我们比较两种流行的方式 - 类型A的栅极驱动变压器 和B型的数字振荡器加高侧和低侧驱动器。 比较这两种解决方案。 栅极驱动变压器具有良好的透视传播延迟， 并且还可以传输信号和功率。 B型具有暂定的梯形传播延迟， 需要为第二次复位提供电源。 然而，为了获得干净的驱动信号， A型需要大量的辅助电路， 并且具有相对大的输入和输出电容、漏电感， 因此预期会出现更大的过冲。 而且，考虑到尺寸，这是一个例子。 对于增强隔离下的尺寸比较， 此处仅考虑包括PCB面积 和体积的关键参数。 B型节省了近一半的PCB…尺寸区域， 并且由于变压器的尺寸不合适 而节省了更多的音量。 另一种类型的驱动器 将隔离器和驱动器集成在一个称为 ISO驱动器的芯片中， 每纳秒CMTI具有超过100伏特，5千伏 增强隔离。 关系传播延迟仅为19纳秒， 暂停宽度失真小于5纳秒。 重要的是，尺寸仅为解决方案B的一半， 比A型节省75％以上。 UCC21520系列栅极驱动器 是业界最快的5.7 kV隔离双通道栅极驱动器。 它还在TI的栅极驱动器产品系列中 引入了一个新的隔离系列。 集成元件，包括先进的保护功能 和优化的开关性能， 使该驱动器成为一站式解决方案， 用作低侧、高侧、低侧 或半桥栅极驱动器。 除了优势之外，我们还讨论 并与栅极驱动器变压器进行比较， UCC21520系列具有6安培4安培吸收器和源峰值 电流。 它还允许3伏至18伏宽的输入电压范围。 并且还有6.5伏特，输出电压范围 高达30伏。 它还具有可编程延迟，具有重叠、互锁 以及死区时间，从0纳秒到5 微秒。 输出是故障安全的，具有主动下拉电路。 此外，还有三种欠压锁定选项-- 5伏、8伏和12伏， 用于驱动不同的MOSFET、IGBT和碳化硅MOSFET。 好吧，我们介绍了所有的基本内容， 看起来并不困难。 这只是一个驱动程序。 有一个输入。 有一个输出。 但是，让我们保持好奇并看看系统级 对栅极驱动器性能的影响， 如寄生效应，如硬和软切换差异， 如非线性Coss和CMTI，dV dt，di dt 以及非音频PCB布局。 让我们更深入一点，我将向您展示 驱动器在转换器效率 和可靠性方面的重要作用。 对于寄生效应 - 结电容， PCB走线和…电感， 以及电阻都是寄生效应。 因此，开启和关闭将 会更复杂一些。 对于碳化硅MOSFET和硅MOSFET， 还有一个寄生二极管， 也被认为是寄生效应。 通过分段线性图示， 开启过程可分为三个阶段。 第一级是栅极驱动电压、路径阈值， 以及通道电流增加。 在显示CGS的红线中 突出显示的等效电路在此阶段占主导地位。 在第二阶段，它正在给CGT充电 并降低VDS电压。 第三阶段是通过对CGD和CGS充电 来进一步增加栅极电压，进一步降低RDSN VDS和ID的重叠会产生开关损耗。 更强的驱动器被最小化T1到T3阶段 将减少开关损耗。 关闭状态与打开时类似。 让两个器件置于 半桥配置中，可以增加一点复杂性。 在硬开关应用中， 将发生二极管反向恢复。 临界波形显示在左上角。 这种反向恢复将反映到顶部开关， 并且通常会更多地开启损耗。 根据硅MOSFET的体二极管 和IGBT的反并联二极管的两个扩展结果， 您可以看到大量的浪涌电流， 这是由反向恢复引起的。 对于硅MOSFET， 过冲可能比正常开关电流高5倍， 而IGBT相对较小。 主要原因是硅MOSFET的体二极管 是寄生二极管，没有完全优化， 而IGBT的紧凑型二极管 可以是超快速或软恢复二极管。 反向恢复会增加损耗，导致电流电压 过冲并增加di dt。 它还会导致栅极振荡，与栅极驱动信号…共同的 源电感和公共源电感一起丢失， 并减慢开关转换。 降低速度的一种方法是通过添加二极管 或使用分离输出栅极驱动器来增加导通电阻。 如您所见，如果RG增加， 峰值反向恢复时间将减少。 但是，这种改善仍然有限。 上一节中讨论的反向恢复实际上 是优化系统效率 和可靠性的问题。 为了进一步消除这个问题，软切换 是可行的方法。 像临界模式图腾柱PFC 和IOC转换器一样。 在VDS电压降至0后，它们将打开 设备。 通过软切换， 前面提到的三个阶段，现在只有一个阶段。 没有Miller充电。 当Coss完全放电并且器件通道电流 由外部电路决定时，打开器件， 而不是寄生。 通常，与硬切换相比， di dt非常慢，因此没有重叠。 没有开启损失。 并且随着栅极驱动器损耗机制 也发生变化，对于硬开关， 假设栅极驱动器电压为10伏， 阴影区域的开启和关闭区域 是栅极驱动器电路中消耗的总损耗。 每个周期的总能量是总面积Qg 乘以10伏VGS。 对于软开关，由于没有Miller电荷， 红色实线表示开启轨迹。 关闭类似于硬切换。 与硬开关栅极驱动器损耗相比， 软开关的损耗更小。 软开关解决了这种开启损耗。 但是，关闭太难切换。 与快速模式电流传导一样， 关断电流也增加了一倍。 如果用弱驱动器 驱动FET，开关损耗肯定会增加。 这意味着较低的吸电流能力驱动器。 是强大的门驱动器， 你几乎看不到米勒平台，重叠期 最小化。 重要的是，开关行为 不受栅极电流控制， 而是受Coss和负载电流控制。 考虑到高度非线性电容， 分段线性开关波形 如右上图所示。 在初始阶段非常慢的dV dt变为上限， 并且低电压非常大， 其为5毫微法和0伏。 然后是非常高的dV dt和高电压， 从而进一步减小了重叠面积。 这是关闭超级结MOSFET的 实验示例。 放大，波形显示栅极驱动器 非常干净，米勒平台时间非常短。 VDS增长非常缓慢且提前关闭。 看，每个偏差仅为5伏特， 然后逐渐增加。 VGS完全关断后，所有开关电压 和电流都会发生变化， 这意味着开关行为不受栅极驱动器的控制， 而是受Coss和负载电流的控制。 即使具有强栅极驱动器的重叠区域 被最小化，它仍然存在。 如果我们调整，我们肯定会看到重叠。 但是，它真的是损耗吗？ 让我们来看看流行的IOC电路的 关闭机制，每个器件 由一个通道、体二极管和一个CDS组成。 第一级，底部FET导通， 电流流过通道。 第二阶段，通道关闭，通道电流减小， 剩余电流充电 和放电两个开关的Coss。 由于相对较大的感性负载， 在开关转换期间的负载电流 保持… 状态三，通道关闭。 所有负载电流用于继续充电 和放电Coss。 最后阶段，ZVS实现并且电流 流过体二极管。 真正的损失仅发生 在第二阶段，其中通道电流和电压之间 存在重叠。 第三阶段只是给Coss充电和放电。 我们可能知道，在软切换期间， 所有Coss能量将在下一个周期中恢复。 减少损失并关闭是件好事。 然而，dV dt和di dt取决于负载， 并且它可以在非常重的负载下产生 高dV dt和di dt。 对于开关节点中的高dV dt， 其行为确实是现有寄生电容的 噪声源，包括 杠杆移位器帽，自举二极管或结帽。 通过该电容器的dV dt耦合 会将噪声注入初级侧接地参考。 如果地面不干净，你会发现门驱动器 出现故障。 在这个实验中，波形输入存在， 但输出过程丢失。 15安培关闭，左图显示了 氮化镓和超结MOSFET的dV dt 与栅极驱动器电阻的关系。 如您所见，MOSFET的dV dt 可能达到每纳秒50伏以上。 并且氮化镓甚至更高， 超过150纳伏/纳秒。 虽然di dt遵循类似的趋势。 一种解决方案是为低侧栅极驱动器增加电平移位器， 试图将电源地和逻辑地分开。 更重要的是，通过额外的旁路电容， 环路最小化和dV dt噪声 将通过增加电阻器盖， 充电环路以及环路电感中的电阻 而流经不同的路径。 因此，流过初级侧的噪音较小。 谈完dV dt之后，让我们来看看di dt。 它与寄生电感有关。 不幸的是，寄生效应无处不在。 使用高di dt，它不仅会减慢驱动器的速度， 还会导致开关节点的 严重耗尽。 例如，当您关闭顶部开关时， 底部分支将具有正的di dt， 与寄生电感相结合，HSP 实际电路中将存在下冲引流。 这种下冲将导致驱动器故障， 二极管后过流以及VHP减去VHS的过充电。 为了增强驱动器的稳健性， 新的27714栅极驱动器可 支持负70伏，100纳秒， 负30伏，200纳秒。 TIDA-01159结构紧凑，易于评估 UCC21520的参考设计，用于驱动额定电压为1伏 至690伏的功率级。 该设计适用于任何具有 半桥功率级的设备。 该板内置简单，低成本的隔离电源， 可驱动高端开关。 该设计演示并帮助客户 评估UCC21520栅极驱动器 丰富功能集的性能， 包括5 kV隔离的高驱动器件， 高CMTI环境的稳健器件 以及碳化硅MOSFET 器件的高频操作。 该解决方案提供简单易用的…电路板， 可将性能与传统上使用的基于电源 变压器的解决方案进行比较，以驱动半桥 功率级。 与之前的设计类似，TIDA-01160 和其他设计为UCC53系列栅极驱动器提供参考。 该设计旨在用于需要单个隔离栅极驱动器 来驱动IGBT或碳化硅 MOSFET的设备中。 关键终端设备包括单相或三相UPS， 直流充电电源和…系统。 该板具有内置的低成本 隔离电源，可通过负电压驱动高侧开关 … 总结一下，我们说了栅极驱动的基本原理， 介绍了低侧，高侧和低侧，以及隔离式 栅极驱动器。 我们还介绍了寄生效应及其 对软开关和硬开关的影响，非线性Coss 具有强栅极驱动器、CMTI、dV dt和di dt， 以及如何分离由dV dt引起的接地噪声。 有关更多信息，请查看TIDA参考设计。 非常感谢您的宝贵时间。
大家好。
我叫Wei Zhang。
我是TI的系统和应用工程师。
这是一个培训服务，
讨论高压栅极驱动器，设计用于MOSFET、IGBT
和宽带隙器件，如碳化硅和氮化镓，
用于各种应用，
如UPS、电信和服务器。
我们将从本演示中
得到的是门驱动器应用，
我们将介绍低端驱动器，
高端和低端驱动器，以及隔离栅极驱动器。
我们还将介绍如何通过深入研究栅极驱动器的
设计考虑来最大化栅极驱动器的性能，
包括寄生效应，硬开关和软开关，
高dV dt和di dt，以及隔离栅极驱动器
考虑因素。
本演示文稿中包含的部件
包括UC2751,52和x24低侧驱动器，
以及容量为2771x的600伏驱动器。
此外，隔离栅极驱动器系列
是2152x、2122x，以及UCC53系列。
有关更多详细信息，请查看TI.com
以获取其他参考设计。
在本次培训系列中，我们将涉及
栅极驱动器应用，低端栅极驱动器的基本原理，
高端和低端栅极驱动器
以及隔离栅极驱动器。
我们会深入了解并帮助您了解TI参考设计中的
栅极驱动器设计注意事项，
以及相应的关键
波形。
栅极驱动器的应用非常广泛，
我在这里列举一些，如便携式设备的电池管理系统、
AC适配器、服务器/电信/ UPS、
电动车充电器、电机驱动器和D类音频。
此外，还有厨房、可再生能源
和固态照明等应用。
一般来说，栅极驱动器
已被无处不在地用于高效功率转换。
看一下服务器/电信的典型功率，
它将公用电网连接到前面的功率因数校正，
建立400伏直流总线， 然后是隔离的直流
到直流转换器，以及…级别的砖总线转换器
和负载点。
在示例电路中，我选择了两个通道交错的
PFC和IOC升压，用于隔离DC-DC转换器，
以及用于总线转换器的全桥。
对于简单的、几百瓦的前端转换器，
总共有大约10到20个开关。
使用流行的图腾柱PFC，
您需要更多有源设备以获得更好的性能。
重要的是，每个开关都需要一个栅极驱动器。
单通道或双通道低侧栅极驱动器，
高侧和低侧栅极驱动器，用于高电桥，
48伏总线可以是100伏，
400伏总线可以是600伏。
隔离栅可根据系统安全要求
使用单通道或双通道隔离栅极驱动器。
对于双向电动车辆颤振，
所有这些都是高压开关，以及用于电动车辆
和电池供电工具的电动机驱动器。
高侧和低侧半桥驱动器更受欢迎。
同样，如果控制器位于不同的接地参考，
则应使用单通道
或双通道隔离栅极驱动器。
现代电力电子技术以开关模式功率转换
为主导。
常用的器件，包括MOSFET、IGBT，
以及新技术，如碳化硅和氮化镓，
都在高开关频率下工作。
栅极端子控制MOSFET和IGBT的导通和关断。
要为常关设备打开设备，
您需要应用超过此阈值的部件电压。
要关闭它，您可以将门
下拉到0，或者关闭负值。
栅极是具有高阻抗的
电容输入和从栅极到漏极的
寄生电容（CGD）和栅极到源极（CGX）。
这里展示了一些流行的功率半导体，
包括碳化硅IGBT、碳化硅MOSFET
和氮化镓器件。
它们不同。
对于硅MOSFET，以及作为驱动电压，
当高驱动它们时，
通常为10伏至15伏。
对于较低电压的MOSFET，它可能以5伏
至7伏驱动。
IGBT可能具有更高的阈值，
并且通常在驱动电压为15伏的
情况下通过驱动。
碳化硅MOSFET有点不同，
当完全在器件上时，可能需要
更高的电压。
它需要20伏完全打开。
适用于IGBT和碳化硅。
在恶劣的条件下，您可能需要关闭设备的
负电压，以确保噪音不会意外
打开设备。
对于氮化镓器件，这里的示例显示了
具有增强型GaN器件，在完全导通电压之间的空间，
例如5伏，
它在完全导通电压与绝对最大电压之间的
余量很小，
这是在6至7伏。
因此，当我们驱动不同的开关时，
需要小心选择栅极驱动器，
以及栅极驱动器
电路设计。
例如，在服务器和电信电源应用中，
低侧栅极驱动器可用于驱动
PFC级中的有源开关。
并且还可以用于驱动总线
转换器级的同步整流，因为电源开关都是以地
为参考。
低侧驱动器可以
以离散的方式实现，
其中有相当多的低压晶体管用于电平转换器，以及图腾柱
…阶段。
由于许多分立元件，
元件尺寸，PCB布局以及非音频封装
和PCB走线引入的寄生效应，
缺点是[听不清]。
所有这些分立器件都可以轻松
集成智能芯片，优化可靠性保护功能，
以及驱动器性能，
如峰值驱动电流，小传播延迟，
更好的暂停宽度失真，
以及电流消耗小…
对于低侧栅极驱动器，
您可以选择单通道和双通道。
单通道和双通道的非反相。
与左下方显示的示例一样，
这些器件具有两个输入引脚，
通过以不同方式连接两个输入， 使其成为非反相和反相的
通用引脚。
更重要的是，如果需要更快的关闭，
输出引脚可以分开编程， 以便编程不同的开启和关闭，
可以节省外部元件。
与前一页介绍的低端驱动器类似，
半桥配置中的低端
栅极驱动器相对简单直接。
输入和输出具有传播延迟。
由于高端驱动器
未以地为参考，因此需要电平…电路
来连接接地参考输入。
要提供高端驱动器，最常用的方法
是使用自举配置，
在底部FET导通时为自举电容充电。
如图所示，您有输入参考地面。
但是，输出电压参考的开关节点为
100伏至700伏。
HO和HS之间的差异是高侧栅极驱动器电压，
其通常是BDD减去
自举二极管的完全电压降。
一些应用甚至集成了自举二极管，
以方便客户。
通过输入滤波器
和分离开关，它通常显示高侧和低侧驱动器的
所有功能电路。
这是前几页讨论的关键规范的
快速摘要。
欠压锁定和VDD发生最大值，
就像我们提到的驱动不同FET的情况一样，
对于E模式GaN，最大可以低至7伏，
对于碳化硅可以高达35伏。
峰值源和吸收电流，
可以是对称的或不对称的，
以满足不同的开启和关闭要求。
不同的输入逻辑，
TTL和CMOS输入支持来自控制器的输入，
通常小于3.3伏。
虽然CMOS输入需要超过50％的
VDD才能打开器件，
这样可以提供更好的抗噪性。
但是，它可能需要TSP或FPGA控制器的缓冲区。
对于具有自举配置的
高侧和低侧栅极驱动器，
对于48伏总线条件，
它具有高达100伏的电平移位器， 对于400伏总线条件，
高达700伏特。
动态参数包括导通和关断的
传播延迟，上升和下降时间，
以及延迟匹配
和最小开关脉冲。
所有动态参数都很重要 -
瞬态响应，开关损耗
以及高频操作。
更重要的是，封装也很重要。
TI支持典型的SOIC封装，
并且还支持小至2×2的低配置封装。
安全合规性也是一个重要因素，
因为电源可以连接
公用电网和安全操作员。
对于二次站点控制架构，
隔离不仅应该在功率级实现，
一般是电源变压器，
也应该在控制器和驱动电路中实现。
IEC标准列于此处，
增强隔离要求超过3 kV，高达5 kV的隔离电压。
因此，我们应该如何在栅极驱动器上
实现这种隔离？
栅极驱动变压器是提供这种隔离的
传统和流行方式。
低侧栅极驱动器在顶部开关
栅极驱动的示例中提供
具有补偿电路的驱动信号增强器 和栅极驱动器变压器输入，
包括C4，C6和D1，D2。
栅极驱动器变压器不仅提供信号，
还提供从输入到输出的电源隔离。
这种配置的缺点
不仅包括两个庞大的栅极驱动器变压器，
还包括脉冲宽度失真控制策略的
频带瞬态性能。
在这里，我们比较两种流行的方式 -
类型A的栅极驱动变压器
和B型的数字振荡器加高侧和低侧驱动器。
比较这两种解决方案。
栅极驱动变压器具有良好的透视传播延迟，
并且还可以传输信号和功率。
B型具有暂定的梯形传播延迟，
需要为第二次复位提供电源。
然而，为了获得干净的驱动信号，
A型需要大量的辅助电路，
并且具有相对大的输入和输出电容、漏电感，
因此预期会出现更大的过冲。
而且，考虑到尺寸，这是一个例子。
对于增强隔离下的尺寸比较，
此处仅考虑包括PCB面积
和体积的关键参数。
B型节省了近一半的PCB…尺寸区域，
并且由于变压器的尺寸不合适
而节省了更多的音量。
另一种类型的驱动器
将隔离器和驱动器集成在一个称为 ISO驱动器的芯片中，
每纳秒CMTI具有超过100伏特，5千伏
增强隔离。
关系传播延迟仅为19纳秒，
暂停宽度失真小于5纳秒。
重要的是，尺寸仅为解决方案B的一半，
比A型节省75％以上。
UCC21520系列栅极驱动器
是业界最快的5.7 kV隔离双通道栅极驱动器。
它还在TI的栅极驱动器产品系列中
引入了一个新的隔离系列。
集成元件，包括先进的保护功能
和优化的开关性能，
使该驱动器成为一站式解决方案，
用作低侧、高侧、低侧
或半桥栅极驱动器。
除了优势之外，我们还讨论
并与栅极驱动器变压器进行比较，
UCC21520系列具有6安培4安培吸收器和源峰值
电流。
它还允许3伏至18伏宽的输入电压范围。
并且还有6.5伏特，输出电压范围
高达30伏。
它还具有可编程延迟，具有重叠、互锁
以及死区时间，从0纳秒到5
微秒。
输出是故障安全的，具有主动下拉电路。
此外，还有三种欠压锁定选项--
5伏、8伏和12伏，
用于驱动不同的MOSFET、IGBT和碳化硅MOSFET。
好吧，我们介绍了所有的基本内容，
看起来并不困难。
这只是一个驱动程序。
有一个输入。
有一个输出。
但是，让我们保持好奇并看看系统级
对栅极驱动器性能的影响，
如寄生效应，如硬和软切换差异，
如非线性Coss和CMTI，dV dt，di dt
以及非音频PCB布局。
让我们更深入一点，我将向您展示
驱动器在转换器效率
和可靠性方面的重要作用。
对于寄生效应 - 结电容，
PCB走线和…电感，
以及电阻都是寄生效应。
因此，开启和关闭将
会更复杂一些。
对于碳化硅MOSFET和硅MOSFET，
还有一个寄生二极管，
也被认为是寄生效应。
通过分段线性图示，
开启过程可分为三个阶段。
第一级是栅极驱动电压、路径阈值，
以及通道电流增加。
在显示CGS的红线中
突出显示的等效电路在此阶段占主导地位。
在第二阶段，它正在给CGT充电
并降低VDS电压。
第三阶段是通过对CGD和CGS充电
来进一步增加栅极电压，进一步降低RDSN
VDS和ID的重叠会产生开关损耗。
更强的驱动器被最小化T1到T3阶段
将减少开关损耗。
关闭状态与打开时类似。
让两个器件置于
半桥配置中，可以增加一点复杂性。
在硬开关应用中，
将发生二极管反向恢复。
临界波形显示在左上角。
这种反向恢复将反映到顶部开关，
并且通常会更多地开启损耗。
根据硅MOSFET的体二极管
和IGBT的反并联二极管的两个扩展结果，
您可以看到大量的浪涌电流，
这是由反向恢复引起的。
对于硅MOSFET，
过冲可能比正常开关电流高5倍，
而IGBT相对较小。
主要原因是硅MOSFET的体二极管
是寄生二极管，没有完全优化，
而IGBT的紧凑型二极管
可以是超快速或软恢复二极管。
反向恢复会增加损耗，导致电流电压
过冲并增加di dt。
它还会导致栅极振荡，与栅极驱动信号…共同的
源电感和公共源电感一起丢失，
并减慢开关转换。
降低速度的一种方法是通过添加二极管
或使用分离输出栅极驱动器来增加导通电阻。
如您所见，如果RG增加，
峰值反向恢复时间将减少。
但是，这种改善仍然有限。
上一节中讨论的反向恢复实际上
是优化系统效率
和可靠性的问题。
为了进一步消除这个问题，软切换
是可行的方法。
像临界模式图腾柱PFC
和IOC转换器一样。
在VDS电压降至0后，它们将打开
设备。
通过软切换，
前面提到的三个阶段，现在只有一个阶段。
没有Miller充电。
当Coss完全放电并且器件通道电流
由外部电路决定时，打开器件，
而不是寄生。
通常，与硬切换相比，
di dt非常慢，因此没有重叠。
没有开启损失。
并且随着栅极驱动器损耗机制
也发生变化，对于硬开关，
假设栅极驱动器电压为10伏，
阴影区域的开启和关闭区域 是栅极驱动器电路中消耗的总损耗。
每个周期的总能量是总面积Qg
乘以10伏VGS。
对于软开关，由于没有Miller电荷，
红色实线表示开启轨迹。
关闭类似于硬切换。
与硬开关栅极驱动器损耗相比，
软开关的损耗更小。
软开关解决了这种开启损耗。
但是，关闭太难切换。
与快速模式电流传导一样，
关断电流也增加了一倍。
如果用弱驱动器
驱动FET，开关损耗肯定会增加。
这意味着较低的吸电流能力驱动器。
是强大的门驱动器，
你几乎看不到米勒平台，重叠期
最小化。
重要的是，开关行为
不受栅极电流控制，
而是受Coss和负载电流控制。
考虑到高度非线性电容，
分段线性开关波形
如右上图所示。
在初始阶段非常慢的dV dt变为上限，
并且低电压非常大，
其为5毫微法和0伏。
然后是非常高的dV dt和高电压，
从而进一步减小了重叠面积。
这是关闭超级结MOSFET的
实验示例。
放大，波形显示栅极驱动器
非常干净，米勒平台时间非常短。
VDS增长非常缓慢且提前关闭。
看，每个偏差仅为5伏特，
然后逐渐增加。
VGS完全关断后，所有开关电压
和电流都会发生变化，
这意味着开关行为不受栅极驱动器的控制，
而是受Coss和负载电流的控制。
即使具有强栅极驱动器的重叠区域
被最小化，它仍然存在。
如果我们调整，我们肯定会看到重叠。
但是，它真的是损耗吗？
让我们来看看流行的IOC电路的
关闭机制，每个器件
由一个通道、体二极管和一个CDS组成。
第一级，底部FET导通，
电流流过通道。
第二阶段，通道关闭，通道电流减小，
剩余电流充电
和放电两个开关的Coss。
由于相对较大的感性负载，
在开关转换期间的负载电流
保持…
状态三，通道关闭。
所有负载电流用于继续充电
和放电Coss。
最后阶段，ZVS实现并且电流
流过体二极管。
真正的损失仅发生
在第二阶段，其中通道电流和电压之间
存在重叠。
第三阶段只是给Coss充电和放电。
我们可能知道，在软切换期间，
所有Coss能量将在下一个周期中恢复。
减少损失并关闭是件好事。
然而，dV dt和di dt取决于负载，
并且它可以在非常重的负载下产生
高dV dt和di dt。
对于开关节点中的高dV dt，
其行为确实是现有寄生电容的
噪声源，包括
杠杆移位器帽，自举二极管或结帽。
通过该电容器的dV dt耦合
会将噪声注入初级侧接地参考。
如果地面不干净，你会发现门驱动器
出现故障。
在这个实验中，波形输入存在，
但输出过程丢失。
15安培关闭，左图显示了
氮化镓和超结MOSFET的dV dt
与栅极驱动器电阻的关系。
如您所见，MOSFET的dV dt
可能达到每纳秒50伏以上。
并且氮化镓甚至更高，
超过150纳伏/纳秒。
虽然di dt遵循类似的趋势。
一种解决方案是为低侧栅极驱动器增加电平移位器，
试图将电源地和逻辑地分开。
更重要的是，通过额外的旁路电容，
环路最小化和dV dt噪声
将通过增加电阻器盖，
充电环路以及环路电感中的电阻
而流经不同的路径。
因此，流过初级侧的噪音较小。
谈完dV dt之后，让我们来看看di dt。
它与寄生电感有关。
不幸的是，寄生效应无处不在。
使用高di dt，它不仅会减慢驱动器的速度，
还会导致开关节点的
严重耗尽。
例如，当您关闭顶部开关时，
底部分支将具有正的di dt，
与寄生电感相结合，HSP
实际电路中将存在下冲引流。
这种下冲将导致驱动器故障，
二极管后过流以及VHP减去VHS的过充电。
为了增强驱动器的稳健性，
新的27714栅极驱动器可
支持负70伏，100纳秒，
负30伏，200纳秒。
TIDA-01159结构紧凑，易于评估
UCC21520的参考设计，用于驱动额定电压为1伏
至690伏的功率级。
该设计适用于任何具有
半桥功率级的设备。
该板内置简单，低成本的隔离电源，
可驱动高端开关。
该设计演示并帮助客户
评估UCC21520栅极驱动器
丰富功能集的性能，
包括5 kV隔离的高驱动器件，
高CMTI环境的稳健器件
以及碳化硅MOSFET
器件的高频操作。
该解决方案提供简单易用的…电路板，
可将性能与传统上使用的基于电源
变压器的解决方案进行比较，以驱动半桥
功率级。
与之前的设计类似，TIDA-01160
和其他设计为UCC53系列栅极驱动器提供参考。
该设计旨在用于需要单个隔离栅极驱动器
来驱动IGBT或碳化硅
MOSFET的设备中。
关键终端设备包括单相或三相UPS，
直流充电电源和…系统。
该板具有内置的低成本
隔离电源，可通过负电压驱动高侧开关
…
总结一下，我们说了栅极驱动的基本原理，
介绍了低侧，高侧和低侧，以及隔离式
栅极驱动器。
我们还介绍了寄生效应及其
对软开关和硬开关的影响，非线性Coss
具有强栅极驱动器、CMTI、dV dt和di dt，
以及如何分离由dV dt引起的接地噪声。
有关更多信息，请查看TIDA参考设计。
非常感谢您的宝贵时间。
大家好。 我叫Wei Zhang。 我是TI的系统和应用工程师。 这是一个培训服务， 讨论高压栅极驱动器，设计用于MOSFET、IGBT 和宽带隙器件，如碳化硅和氮化镓， 用于各种应用， 如UPS、电信和服务器。 我们将从本演示中 得到的是门驱动器应用， 我们将介绍低端驱动器， 高端和低端驱动器，以及隔离栅极驱动器。 我们还将介绍如何通过深入研究栅极驱动器的 设计考虑来最大化栅极驱动器的性能， 包括寄生效应，硬开关和软开关， 高dV dt和di dt，以及隔离栅极驱动器 考虑因素。 本演示文稿中包含的部件 包括UC2751,52和x24低侧驱动器， 以及容量为2771x的600伏驱动器。 此外，隔离栅极驱动器系列 是2152x、2122x，以及UCC53系列。 有关更多详细信息，请查看TI.com 以获取其他参考设计。 在本次培训系列中，我们将涉及 栅极驱动器应用，低端栅极驱动器的基本原理， 高端和低端栅极驱动器 以及隔离栅极驱动器。 我们会深入了解并帮助您了解TI参考设计中的 栅极驱动器设计注意事项， 以及相应的关键 波形。 栅极驱动器的应用非常广泛， 我在这里列举一些，如便携式设备的电池管理系统、 AC适配器、服务器/电信/ UPS、 电动车充电器、电机驱动器和D类音频。 此外，还有厨房、可再生能源 和固态照明等应用。 一般来说，栅极驱动器 已被无处不在地用于高效功率转换。 看一下服务器/电信的典型功率， 它将公用电网连接到前面的功率因数校正， 建立400伏直流总线， 然后是隔离的直流 到直流转换器，以及…级别的砖总线转换器 和负载点。 在示例电路中，我选择了两个通道交错的 PFC和IOC升压，用于隔离DC-DC转换器， 以及用于总线转换器的全桥。 对于简单的、几百瓦的前端转换器， 总共有大约10到20个开关。 使用流行的图腾柱PFC， 您需要更多有源设备以获得更好的性能。 重要的是，每个开关都需要一个栅极驱动器。 单通道或双通道低侧栅极驱动器， 高侧和低侧栅极驱动器，用于高电桥， 48伏总线可以是100伏， 400伏总线可以是600伏。 隔离栅可根据系统安全要求 使用单通道或双通道隔离栅极驱动器。 对于双向电动车辆颤振， 所有这些都是高压开关，以及用于电动车辆 和电池供电工具的电动机驱动器。 高侧和低侧半桥驱动器更受欢迎。 同样，如果控制器位于不同的接地参考， 则应使用单通道 或双通道隔离栅极驱动器。 现代电力电子技术以开关模式功率转换 为主导。 常用的器件，包括MOSFET、IGBT， 以及新技术，如碳化硅和氮化镓， 都在高开关频率下工作。 栅极端子控制MOSFET和IGBT的导通和关断。 要为常关设备打开设备， 您需要应用超过此阈值的部件电压。 要关闭它，您可以将门 下拉到0，或者关闭负值。 栅极是具有高阻抗的 电容输入和从栅极到漏极的 寄生电容（CGD）和栅极到源极（CGX）。 这里展示了一些流行的功率半导体， 包括碳化硅IGBT、碳化硅MOSFET 和氮化镓器件。 它们不同。 对于硅MOSFET，以及作为驱动电压， 当高驱动它们时， 通常为10伏至15伏。 对于较低电压的MOSFET，它可能以5伏 至7伏驱动。 IGBT可能具有更高的阈值， 并且通常在驱动电压为15伏的 情况下通过驱动。 碳化硅MOSFET有点不同， 当完全在器件上时，可能需要 更高的电压。 它需要20伏完全打开。 适用于IGBT和碳化硅。 在恶劣的条件下，您可能需要关闭设备的 负电压，以确保噪音不会意外 打开设备。 对于氮化镓器件，这里的示例显示了 具有增强型GaN器件，在完全导通电压之间的空间， 例如5伏， 它在完全导通电压与绝对最大电压之间的 余量很小， 这是在6至7伏。 因此，当我们驱动不同的开关时， 需要小心选择栅极驱动器， 以及栅极驱动器 电路设计。 例如，在服务器和电信电源应用中， 低侧栅极驱动器可用于驱动 PFC级中的有源开关。 并且还可以用于驱动总线 转换器级的同步整流，因为电源开关都是以地 为参考。 低侧驱动器可以 以离散的方式实现， 其中有相当多的低压晶体管用于电平转换器，以及图腾柱 …阶段。 由于许多分立元件， 元件尺寸，PCB布局以及非音频封装 和PCB走线引入的寄生效应， 缺点是[听不清]。 所有这些分立器件都可以轻松 集成智能芯片，优化可靠性保护功能， 以及驱动器性能， 如峰值驱动电流，小传播延迟， 更好的暂停宽度失真， 以及电流消耗小… 对于低侧栅极驱动器， 您可以选择单通道和双通道。 单通道和双通道的非反相。 与左下方显示的示例一样， 这些器件具有两个输入引脚， 通过以不同方式连接两个输入， 使其成为非反相和反相的 通用引脚。 更重要的是，如果需要更快的关闭， 输出引脚可以分开编程， 以便编程不同的开启和关闭， 可以节省外部元件。 与前一页介绍的低端驱动器类似， 半桥配置中的低端 栅极驱动器相对简单直接。 输入和输出具有传播延迟。 由于高端驱动器 未以地为参考，因此需要电平…电路 来连接接地参考输入。 要提供高端驱动器，最常用的方法 是使用自举配置， 在底部FET导通时为自举电容充电。 如图所示，您有输入参考地面。 但是，输出电压参考的开关节点为 100伏至700伏。 HO和HS之间的差异是高侧栅极驱动器电压， 其通常是BDD减去 自举二极管的完全电压降。 一些应用甚至集成了自举二极管， 以方便客户。 通过输入滤波器 和分离开关，它通常显示高侧和低侧驱动器的 所有功能电路。 这是前几页讨论的关键规范的 快速摘要。 欠压锁定和VDD发生最大值， 就像我们提到的驱动不同FET的情况一样， 对于E模式GaN，最大可以低至7伏， 对于碳化硅可以高达35伏。 峰值源和吸收电流， 可以是对称的或不对称的， 以满足不同的开启和关闭要求。 不同的输入逻辑， TTL和CMOS输入支持来自控制器的输入， 通常小于3.3伏。 虽然CMOS输入需要超过50％的 VDD才能打开器件， 这样可以提供更好的抗噪性。 但是，它可能需要TSP或FPGA控制器的缓冲区。 对于具有自举配置的 高侧和低侧栅极驱动器， 对于48伏总线条件， 它具有高达100伏的电平移位器， 对于400伏总线条件， 高达700伏特。 动态参数包括导通和关断的 传播延迟，上升和下降时间， 以及延迟匹配 和最小开关脉冲。 所有动态参数都很重要 - 瞬态响应，开关损耗 以及高频操作。 更重要的是，封装也很重要。 TI支持典型的SOIC封装， 并且还支持小至2×2的低配置封装。 安全合规性也是一个重要因素， 因为电源可以连接 公用电网和安全操作员。 对于二次站点控制架构， 隔离不仅应该在功率级实现， 一般是电源变压器， 也应该在控制器和驱动电路中实现。 IEC标准列于此处， 增强隔离要求超过3 kV，高达5 kV的隔离电压。 因此，我们应该如何在栅极驱动器上 实现这种隔离？ 栅极驱动变压器是提供这种隔离的 传统和流行方式。 低侧栅极驱动器在顶部开关 栅极驱动的示例中提供 具有补偿电路的驱动信号增强器 和栅极驱动器变压器输入， 包括C4，C6和D1，D2。 栅极驱动器变压器不仅提供信号， 还提供从输入到输出的电源隔离。 这种配置的缺点 不仅包括两个庞大的栅极驱动器变压器， 还包括脉冲宽度失真控制策略的 频带瞬态性能。 在这里，我们比较两种流行的方式 - 类型A的栅极驱动变压器 和B型的数字振荡器加高侧和低侧驱动器。 比较这两种解决方案。 栅极驱动变压器具有良好的透视传播延迟， 并且还可以传输信号和功率。 B型具有暂定的梯形传播延迟， 需要为第二次复位提供电源。 然而，为了获得干净的驱动信号， A型需要大量的辅助电路， 并且具有相对大的输入和输出电容、漏电感， 因此预期会出现更大的过冲。 而且，考虑到尺寸，这是一个例子。 对于增强隔离下的尺寸比较， 此处仅考虑包括PCB面积 和体积的关键参数。 B型节省了近一半的PCB…尺寸区域， 并且由于变压器的尺寸不合适 而节省了更多的音量。 另一种类型的驱动器 将隔离器和驱动器集成在一个称为 ISO驱动器的芯片中， 每纳秒CMTI具有超过100伏特，5千伏 增强隔离。 关系传播延迟仅为19纳秒， 暂停宽度失真小于5纳秒。 重要的是，尺寸仅为解决方案B的一半， 比A型节省75％以上。 UCC21520系列栅极驱动器 是业界最快的5.7 kV隔离双通道栅极驱动器。 它还在TI的栅极驱动器产品系列中 引入了一个新的隔离系列。 集成元件，包括先进的保护功能 和优化的开关性能， 使该驱动器成为一站式解决方案， 用作低侧、高侧、低侧 或半桥栅极驱动器。 除了优势之外，我们还讨论 并与栅极驱动器变压器进行比较， UCC21520系列具有6安培4安培吸收器和源峰值 电流。 它还允许3伏至18伏宽的输入电压范围。 并且还有6.5伏特，输出电压范围 高达30伏。 它还具有可编程延迟，具有重叠、互锁 以及死区时间，从0纳秒到5 微秒。 输出是故障安全的，具有主动下拉电路。 此外，还有三种欠压锁定选项-- 5伏、8伏和12伏， 用于驱动不同的MOSFET、IGBT和碳化硅MOSFET。 好吧，我们介绍了所有的基本内容， 看起来并不困难。 这只是一个驱动程序。 有一个输入。 有一个输出。 但是，让我们保持好奇并看看系统级 对栅极驱动器性能的影响， 如寄生效应，如硬和软切换差异， 如非线性Coss和CMTI，dV dt，di dt 以及非音频PCB布局。 让我们更深入一点，我将向您展示 驱动器在转换器效率 和可靠性方面的重要作用。 对于寄生效应 - 结电容， PCB走线和…电感， 以及电阻都是寄生效应。 因此，开启和关闭将 会更复杂一些。 对于碳化硅MOSFET和硅MOSFET， 还有一个寄生二极管， 也被认为是寄生效应。 通过分段线性图示， 开启过程可分为三个阶段。 第一级是栅极驱动电压、路径阈值， 以及通道电流增加。 在显示CGS的红线中 突出显示的等效电路在此阶段占主导地位。 在第二阶段，它正在给CGT充电 并降低VDS电压。 第三阶段是通过对CGD和CGS充电 来进一步增加栅极电压，进一步降低RDSN VDS和ID的重叠会产生开关损耗。 更强的驱动器被最小化T1到T3阶段 将减少开关损耗。 关闭状态与打开时类似。 让两个器件置于 半桥配置中，可以增加一点复杂性。 在硬开关应用中， 将发生二极管反向恢复。 临界波形显示在左上角。 这种反向恢复将反映到顶部开关， 并且通常会更多地开启损耗。 根据硅MOSFET的体二极管 和IGBT的反并联二极管的两个扩展结果， 您可以看到大量的浪涌电流， 这是由反向恢复引起的。 对于硅MOSFET， 过冲可能比正常开关电流高5倍， 而IGBT相对较小。 主要原因是硅MOSFET的体二极管 是寄生二极管，没有完全优化， 而IGBT的紧凑型二极管 可以是超快速或软恢复二极管。 反向恢复会增加损耗，导致电流电压 过冲并增加di dt。 它还会导致栅极振荡，与栅极驱动信号…共同的 源电感和公共源电感一起丢失， 并减慢开关转换。 降低速度的一种方法是通过添加二极管 或使用分离输出栅极驱动器来增加导通电阻。 如您所见，如果RG增加， 峰值反向恢复时间将减少。 但是，这种改善仍然有限。 上一节中讨论的反向恢复实际上 是优化系统效率 和可靠性的问题。 为了进一步消除这个问题，软切换 是可行的方法。 像临界模式图腾柱PFC 和IOC转换器一样。 在VDS电压降至0后，它们将打开 设备。 通过软切换， 前面提到的三个阶段，现在只有一个阶段。 没有Miller充电。 当Coss完全放电并且器件通道电流 由外部电路决定时，打开器件， 而不是寄生。 通常，与硬切换相比， di dt非常慢，因此没有重叠。 没有开启损失。 并且随着栅极驱动器损耗机制 也发生变化，对于硬开关， 假设栅极驱动器电压为10伏， 阴影区域的开启和关闭区域 是栅极驱动器电路中消耗的总损耗。 每个周期的总能量是总面积Qg 乘以10伏VGS。 对于软开关，由于没有Miller电荷， 红色实线表示开启轨迹。 关闭类似于硬切换。 与硬开关栅极驱动器损耗相比， 软开关的损耗更小。 软开关解决了这种开启损耗。 但是，关闭太难切换。 与快速模式电流传导一样， 关断电流也增加了一倍。 如果用弱驱动器 驱动FET，开关损耗肯定会增加。 这意味着较低的吸电流能力驱动器。 是强大的门驱动器， 你几乎看不到米勒平台，重叠期 最小化。 重要的是，开关行为 不受栅极电流控制， 而是受Coss和负载电流控制。 考虑到高度非线性电容， 分段线性开关波形 如右上图所示。 在初始阶段非常慢的dV dt变为上限， 并且低电压非常大， 其为5毫微法和0伏。 然后是非常高的dV dt和高电压， 从而进一步减小了重叠面积。 这是关闭超级结MOSFET的 实验示例。 放大，波形显示栅极驱动器 非常干净，米勒平台时间非常短。 VDS增长非常缓慢且提前关闭。 看，每个偏差仅为5伏特， 然后逐渐增加。 VGS完全关断后，所有开关电压 和电流都会发生变化， 这意味着开关行为不受栅极驱动器的控制， 而是受Coss和负载电流的控制。 即使具有强栅极驱动器的重叠区域 被最小化，它仍然存在。 如果我们调整，我们肯定会看到重叠。 但是，它真的是损耗吗？ 让我们来看看流行的IOC电路的 关闭机制，每个器件 由一个通道、体二极管和一个CDS组成。 第一级，底部FET导通， 电流流过通道。 第二阶段，通道关闭，通道电流减小， 剩余电流充电 和放电两个开关的Coss。 由于相对较大的感性负载， 在开关转换期间的负载电流 保持… 状态三，通道关闭。 所有负载电流用于继续充电 和放电Coss。 最后阶段，ZVS实现并且电流 流过体二极管。 真正的损失仅发生 在第二阶段，其中通道电流和电压之间 存在重叠。 第三阶段只是给Coss充电和放电。 我们可能知道，在软切换期间， 所有Coss能量将在下一个周期中恢复。 减少损失并关闭是件好事。 然而，dV dt和di dt取决于负载， 并且它可以在非常重的负载下产生 高dV dt和di dt。 对于开关节点中的高dV dt， 其行为确实是现有寄生电容的 噪声源，包括 杠杆移位器帽，自举二极管或结帽。 通过该电容器的dV dt耦合 会将噪声注入初级侧接地参考。 如果地面不干净，你会发现门驱动器 出现故障。 在这个实验中，波形输入存在， 但输出过程丢失。 15安培关闭，左图显示了 氮化镓和超结MOSFET的dV dt 与栅极驱动器电阻的关系。 如您所见，MOSFET的dV dt 可能达到每纳秒50伏以上。 并且氮化镓甚至更高， 超过150纳伏/纳秒。 虽然di dt遵循类似的趋势。 一种解决方案是为低侧栅极驱动器增加电平移位器， 试图将电源地和逻辑地分开。 更重要的是，通过额外的旁路电容， 环路最小化和dV dt噪声 将通过增加电阻器盖， 充电环路以及环路电感中的电阻 而流经不同的路径。 因此，流过初级侧的噪音较小。 谈完dV dt之后，让我们来看看di dt。 它与寄生电感有关。 不幸的是，寄生效应无处不在。 使用高di dt，它不仅会减慢驱动器的速度， 还会导致开关节点的 严重耗尽。 例如，当您关闭顶部开关时， 底部分支将具有正的di dt， 与寄生电感相结合，HSP 实际电路中将存在下冲引流。 这种下冲将导致驱动器故障， 二极管后过流以及VHP减去VHS的过充电。 为了增强驱动器的稳健性， 新的27714栅极驱动器可 支持负70伏，100纳秒， 负30伏，200纳秒。 TIDA-01159结构紧凑，易于评估 UCC21520的参考设计，用于驱动额定电压为1伏 至690伏的功率级。 该设计适用于任何具有 半桥功率级的设备。 该板内置简单，低成本的隔离电源， 可驱动高端开关。 该设计演示并帮助客户 评估UCC21520栅极驱动器 丰富功能集的性能， 包括5 kV隔离的高驱动器件， 高CMTI环境的稳健器件 以及碳化硅MOSFET 器件的高频操作。 该解决方案提供简单易用的…电路板， 可将性能与传统上使用的基于电源 变压器的解决方案进行比较，以驱动半桥 功率级。 与之前的设计类似，TIDA-01160 和其他设计为UCC53系列栅极驱动器提供参考。 该设计旨在用于需要单个隔离栅极驱动器 来驱动IGBT或碳化硅 MOSFET的设备中。 关键终端设备包括单相或三相UPS， 直流充电电源和…系统。 该板具有内置的低成本 隔离电源，可通过负电压驱动高侧开关 … 总结一下，我们说了栅极驱动的基本原理， 介绍了低侧，高侧和低侧，以及隔离式 栅极驱动器。 我们还介绍了寄生效应及其 对软开关和硬开关的影响，非线性Coss 具有强栅极驱动器、CMTI、dV dt和di dt， 以及如何分离由dV dt引起的接地噪声。 有关更多信息，请查看TIDA参考设计。 非常感谢您的宝贵时间。
大家好。
我叫Wei Zhang。
我是TI的系统和应用工程师。
这是一个培训服务，
讨论高压栅极驱动器，设计用于MOSFET、IGBT
和宽带隙器件，如碳化硅和氮化镓，
用于各种应用，
如UPS、电信和服务器。
我们将从本演示中
得到的是门驱动器应用，
我们将介绍低端驱动器，
高端和低端驱动器，以及隔离栅极驱动器。
我们还将介绍如何通过深入研究栅极驱动器的
设计考虑来最大化栅极驱动器的性能，
包括寄生效应，硬开关和软开关，
高dV dt和di dt，以及隔离栅极驱动器
考虑因素。
本演示文稿中包含的部件
包括UC2751,52和x24低侧驱动器，
以及容量为2771x的600伏驱动器。
此外，隔离栅极驱动器系列
是2152x、2122x，以及UCC53系列。
有关更多详细信息，请查看TI.com
以获取其他参考设计。
在本次培训系列中，我们将涉及
栅极驱动器应用，低端栅极驱动器的基本原理，
高端和低端栅极驱动器
以及隔离栅极驱动器。
我们会深入了解并帮助您了解TI参考设计中的
栅极驱动器设计注意事项，
以及相应的关键
波形。
栅极驱动器的应用非常广泛，
我在这里列举一些，如便携式设备的电池管理系统、
AC适配器、服务器/电信/ UPS、
电动车充电器、电机驱动器和D类音频。
此外，还有厨房、可再生能源
和固态照明等应用。
一般来说，栅极驱动器
已被无处不在地用于高效功率转换。
看一下服务器/电信的典型功率，
它将公用电网连接到前面的功率因数校正，
建立400伏直流总线， 然后是隔离的直流
到直流转换器，以及…级别的砖总线转换器
和负载点。
在示例电路中，我选择了两个通道交错的
PFC和IOC升压，用于隔离DC-DC转换器，
以及用于总线转换器的全桥。
对于简单的、几百瓦的前端转换器，
总共有大约10到20个开关。
使用流行的图腾柱PFC，
您需要更多有源设备以获得更好的性能。
重要的是，每个开关都需要一个栅极驱动器。
单通道或双通道低侧栅极驱动器，
高侧和低侧栅极驱动器，用于高电桥，
48伏总线可以是100伏，
400伏总线可以是600伏。
隔离栅可根据系统安全要求
使用单通道或双通道隔离栅极驱动器。
对于双向电动车辆颤振，
所有这些都是高压开关，以及用于电动车辆
和电池供电工具的电动机驱动器。
高侧和低侧半桥驱动器更受欢迎。
同样，如果控制器位于不同的接地参考，
则应使用单通道
或双通道隔离栅极驱动器。
现代电力电子技术以开关模式功率转换
为主导。
常用的器件，包括MOSFET、IGBT，
以及新技术，如碳化硅和氮化镓，
都在高开关频率下工作。
栅极端子控制MOSFET和IGBT的导通和关断。
要为常关设备打开设备，
您需要应用超过此阈值的部件电压。
要关闭它，您可以将门
下拉到0，或者关闭负值。
栅极是具有高阻抗的
电容输入和从栅极到漏极的
寄生电容（CGD）和栅极到源极（CGX）。
这里展示了一些流行的功率半导体，
包括碳化硅IGBT、碳化硅MOSFET
和氮化镓器件。
它们不同。
对于硅MOSFET，以及作为驱动电压，
当高驱动它们时，
通常为10伏至15伏。
对于较低电压的MOSFET，它可能以5伏
至7伏驱动。
IGBT可能具有更高的阈值，
并且通常在驱动电压为15伏的
情况下通过驱动。
碳化硅MOSFET有点不同，
当完全在器件上时，可能需要
更高的电压。
它需要20伏完全打开。
适用于IGBT和碳化硅。
在恶劣的条件下，您可能需要关闭设备的
负电压，以确保噪音不会意外
打开设备。
对于氮化镓器件，这里的示例显示了
具有增强型GaN器件，在完全导通电压之间的空间，
例如5伏，
它在完全导通电压与绝对最大电压之间的
余量很小，
这是在6至7伏。
因此，当我们驱动不同的开关时，
需要小心选择栅极驱动器，
以及栅极驱动器
电路设计。
例如，在服务器和电信电源应用中，
低侧栅极驱动器可用于驱动
PFC级中的有源开关。
并且还可以用于驱动总线
转换器级的同步整流，因为电源开关都是以地
为参考。
低侧驱动器可以
以离散的方式实现，
其中有相当多的低压晶体管用于电平转换器，以及图腾柱
…阶段。
由于许多分立元件，
元件尺寸，PCB布局以及非音频封装
和PCB走线引入的寄生效应，
缺点是[听不清]。
所有这些分立器件都可以轻松
集成智能芯片，优化可靠性保护功能，
以及驱动器性能，
如峰值驱动电流，小传播延迟，
更好的暂停宽度失真，
以及电流消耗小…
对于低侧栅极驱动器，
您可以选择单通道和双通道。
单通道和双通道的非反相。
与左下方显示的示例一样，
这些器件具有两个输入引脚，
通过以不同方式连接两个输入， 使其成为非反相和反相的
通用引脚。
更重要的是，如果需要更快的关闭，
输出引脚可以分开编程， 以便编程不同的开启和关闭，
可以节省外部元件。
与前一页介绍的低端驱动器类似，
半桥配置中的低端
栅极驱动器相对简单直接。
输入和输出具有传播延迟。
由于高端驱动器
未以地为参考，因此需要电平…电路
来连接接地参考输入。
要提供高端驱动器，最常用的方法
是使用自举配置，
在底部FET导通时为自举电容充电。
如图所示，您有输入参考地面。
但是，输出电压参考的开关节点为
100伏至700伏。
HO和HS之间的差异是高侧栅极驱动器电压，
其通常是BDD减去
自举二极管的完全电压降。
一些应用甚至集成了自举二极管，
以方便客户。
通过输入滤波器
和分离开关，它通常显示高侧和低侧驱动器的
所有功能电路。
这是前几页讨论的关键规范的
快速摘要。
欠压锁定和VDD发生最大值，
就像我们提到的驱动不同FET的情况一样，
对于E模式GaN，最大可以低至7伏，
对于碳化硅可以高达35伏。
峰值源和吸收电流，
可以是对称的或不对称的，
以满足不同的开启和关闭要求。
不同的输入逻辑，
TTL和CMOS输入支持来自控制器的输入，
通常小于3.3伏。
虽然CMOS输入需要超过50％的
VDD才能打开器件，
这样可以提供更好的抗噪性。
但是，它可能需要TSP或FPGA控制器的缓冲区。
对于具有自举配置的
高侧和低侧栅极驱动器，
对于48伏总线条件，
它具有高达100伏的电平移位器， 对于400伏总线条件，
高达700伏特。
动态参数包括导通和关断的
传播延迟，上升和下降时间，
以及延迟匹配
和最小开关脉冲。
所有动态参数都很重要 -
瞬态响应，开关损耗
以及高频操作。
更重要的是，封装也很重要。
TI支持典型的SOIC封装，
并且还支持小至2×2的低配置封装。
安全合规性也是一个重要因素，
因为电源可以连接
公用电网和安全操作员。
对于二次站点控制架构，
隔离不仅应该在功率级实现，
一般是电源变压器，
也应该在控制器和驱动电路中实现。
IEC标准列于此处，
增强隔离要求超过3 kV，高达5 kV的隔离电压。
因此，我们应该如何在栅极驱动器上
实现这种隔离？
栅极驱动变压器是提供这种隔离的
传统和流行方式。
低侧栅极驱动器在顶部开关
栅极驱动的示例中提供
具有补偿电路的驱动信号增强器 和栅极驱动器变压器输入，
包括C4，C6和D1，D2。
栅极驱动器变压器不仅提供信号，
还提供从输入到输出的电源隔离。
这种配置的缺点
不仅包括两个庞大的栅极驱动器变压器，
还包括脉冲宽度失真控制策略的
频带瞬态性能。
在这里，我们比较两种流行的方式 -
类型A的栅极驱动变压器
和B型的数字振荡器加高侧和低侧驱动器。
比较这两种解决方案。
栅极驱动变压器具有良好的透视传播延迟，
并且还可以传输信号和功率。
B型具有暂定的梯形传播延迟，
需要为第二次复位提供电源。
然而，为了获得干净的驱动信号，
A型需要大量的辅助电路，
并且具有相对大的输入和输出电容、漏电感，
因此预期会出现更大的过冲。
而且，考虑到尺寸，这是一个例子。
对于增强隔离下的尺寸比较，
此处仅考虑包括PCB面积
和体积的关键参数。
B型节省了近一半的PCB…尺寸区域，
并且由于变压器的尺寸不合适
而节省了更多的音量。
另一种类型的驱动器
将隔离器和驱动器集成在一个称为 ISO驱动器的芯片中，
每纳秒CMTI具有超过100伏特，5千伏
增强隔离。
关系传播延迟仅为19纳秒，
暂停宽度失真小于5纳秒。
重要的是，尺寸仅为解决方案B的一半，
比A型节省75％以上。
UCC21520系列栅极驱动器
是业界最快的5.7 kV隔离双通道栅极驱动器。
它还在TI的栅极驱动器产品系列中
引入了一个新的隔离系列。
集成元件，包括先进的保护功能
和优化的开关性能，
使该驱动器成为一站式解决方案，
用作低侧、高侧、低侧
或半桥栅极驱动器。
除了优势之外，我们还讨论
并与栅极驱动器变压器进行比较，
UCC21520系列具有6安培4安培吸收器和源峰值
电流。
它还允许3伏至18伏宽的输入电压范围。
并且还有6.5伏特，输出电压范围
高达30伏。
它还具有可编程延迟，具有重叠、互锁
以及死区时间，从0纳秒到5
微秒。
输出是故障安全的，具有主动下拉电路。
此外，还有三种欠压锁定选项--
5伏、8伏和12伏，
用于驱动不同的MOSFET、IGBT和碳化硅MOSFET。
好吧，我们介绍了所有的基本内容，
看起来并不困难。
这只是一个驱动程序。
有一个输入。
有一个输出。
但是，让我们保持好奇并看看系统级
对栅极驱动器性能的影响，
如寄生效应，如硬和软切换差异，
如非线性Coss和CMTI，dV dt，di dt
以及非音频PCB布局。
让我们更深入一点，我将向您展示
驱动器在转换器效率
和可靠性方面的重要作用。
对于寄生效应 - 结电容，
PCB走线和…电感，
以及电阻都是寄生效应。
因此，开启和关闭将
会更复杂一些。
对于碳化硅MOSFET和硅MOSFET，
还有一个寄生二极管，
也被认为是寄生效应。
通过分段线性图示，
开启过程可分为三个阶段。
第一级是栅极驱动电压、路径阈值，
以及通道电流增加。
在显示CGS的红线中
突出显示的等效电路在此阶段占主导地位。
在第二阶段，它正在给CGT充电
并降低VDS电压。
第三阶段是通过对CGD和CGS充电
来进一步增加栅极电压，进一步降低RDSN
VDS和ID的重叠会产生开关损耗。
更强的驱动器被最小化T1到T3阶段
将减少开关损耗。
关闭状态与打开时类似。
让两个器件置于
半桥配置中，可以增加一点复杂性。
在硬开关应用中，
将发生二极管反向恢复。
临界波形显示在左上角。
这种反向恢复将反映到顶部开关，
并且通常会更多地开启损耗。
根据硅MOSFET的体二极管
和IGBT的反并联二极管的两个扩展结果，
您可以看到大量的浪涌电流，
这是由反向恢复引起的。
对于硅MOSFET，
过冲可能比正常开关电流高5倍，
而IGBT相对较小。
主要原因是硅MOSFET的体二极管
是寄生二极管，没有完全优化，
而IGBT的紧凑型二极管
可以是超快速或软恢复二极管。
反向恢复会增加损耗，导致电流电压
过冲并增加di dt。
它还会导致栅极振荡，与栅极驱动信号…共同的
源电感和公共源电感一起丢失，
并减慢开关转换。
降低速度的一种方法是通过添加二极管
或使用分离输出栅极驱动器来增加导通电阻。
如您所见，如果RG增加，
峰值反向恢复时间将减少。
但是，这种改善仍然有限。
上一节中讨论的反向恢复实际上
是优化系统效率
和可靠性的问题。
为了进一步消除这个问题，软切换
是可行的方法。
像临界模式图腾柱PFC
和IOC转换器一样。
在VDS电压降至0后，它们将打开
设备。
通过软切换，
前面提到的三个阶段，现在只有一个阶段。
没有Miller充电。
当Coss完全放电并且器件通道电流
由外部电路决定时，打开器件，
而不是寄生。
通常，与硬切换相比，
di dt非常慢，因此没有重叠。
没有开启损失。
并且随着栅极驱动器损耗机制
也发生变化，对于硬开关，
假设栅极驱动器电压为10伏，
阴影区域的开启和关闭区域 是栅极驱动器电路中消耗的总损耗。
每个周期的总能量是总面积Qg
乘以10伏VGS。
对于软开关，由于没有Miller电荷，
红色实线表示开启轨迹。
关闭类似于硬切换。
与硬开关栅极驱动器损耗相比，
软开关的损耗更小。
软开关解决了这种开启损耗。
但是，关闭太难切换。
与快速模式电流传导一样，
关断电流也增加了一倍。
如果用弱驱动器
驱动FET，开关损耗肯定会增加。
这意味着较低的吸电流能力驱动器。
是强大的门驱动器，
你几乎看不到米勒平台，重叠期
最小化。
重要的是，开关行为
不受栅极电流控制，
而是受Coss和负载电流控制。
考虑到高度非线性电容，
分段线性开关波形
如右上图所示。
在初始阶段非常慢的dV dt变为上限，
并且低电压非常大，
其为5毫微法和0伏。
然后是非常高的dV dt和高电压，
从而进一步减小了重叠面积。
这是关闭超级结MOSFET的
实验示例。
放大，波形显示栅极驱动器
非常干净，米勒平台时间非常短。
VDS增长非常缓慢且提前关闭。
看，每个偏差仅为5伏特，
然后逐渐增加。
VGS完全关断后，所有开关电压
和电流都会发生变化，
这意味着开关行为不受栅极驱动器的控制，
而是受Coss和负载电流的控制。
即使具有强栅极驱动器的重叠区域
被最小化，它仍然存在。
如果我们调整，我们肯定会看到重叠。
但是，它真的是损耗吗？
让我们来看看流行的IOC电路的
关闭机制，每个器件
由一个通道、体二极管和一个CDS组成。
第一级，底部FET导通，
电流流过通道。
第二阶段，通道关闭，通道电流减小，
剩余电流充电
和放电两个开关的Coss。
由于相对较大的感性负载，
在开关转换期间的负载电流
保持…
状态三，通道关闭。
所有负载电流用于继续充电
和放电Coss。
最后阶段，ZVS实现并且电流
流过体二极管。
真正的损失仅发生
在第二阶段，其中通道电流和电压之间
存在重叠。
第三阶段只是给Coss充电和放电。
我们可能知道，在软切换期间，
所有Coss能量将在下一个周期中恢复。
减少损失并关闭是件好事。
然而，dV dt和di dt取决于负载，
并且它可以在非常重的负载下产生
高dV dt和di dt。
对于开关节点中的高dV dt，
其行为确实是现有寄生电容的
噪声源，包括
杠杆移位器帽，自举二极管或结帽。
通过该电容器的dV dt耦合
会将噪声注入初级侧接地参考。
如果地面不干净，你会发现门驱动器
出现故障。
在这个实验中，波形输入存在，
但输出过程丢失。
15安培关闭，左图显示了
氮化镓和超结MOSFET的dV dt
与栅极驱动器电阻的关系。
如您所见，MOSFET的dV dt
可能达到每纳秒50伏以上。
并且氮化镓甚至更高，
超过150纳伏/纳秒。
虽然di dt遵循类似的趋势。
一种解决方案是为低侧栅极驱动器增加电平移位器，
试图将电源地和逻辑地分开。
更重要的是，通过额外的旁路电容，
环路最小化和dV dt噪声
将通过增加电阻器盖，
充电环路以及环路电感中的电阻
而流经不同的路径。
因此，流过初级侧的噪音较小。
谈完dV dt之后，让我们来看看di dt。
它与寄生电感有关。
不幸的是，寄生效应无处不在。
使用高di dt，它不仅会减慢驱动器的速度，
还会导致开关节点的
严重耗尽。
例如，当您关闭顶部开关时，
底部分支将具有正的di dt，
与寄生电感相结合，HSP
实际电路中将存在下冲引流。
这种下冲将导致驱动器故障，
二极管后过流以及VHP减去VHS的过充电。
为了增强驱动器的稳健性，
新的27714栅极驱动器可
支持负70伏，100纳秒，
负30伏，200纳秒。
TIDA-01159结构紧凑，易于评估
UCC21520的参考设计，用于驱动额定电压为1伏
至690伏的功率级。
该设计适用于任何具有
半桥功率级的设备。
该板内置简单，低成本的隔离电源，
可驱动高端开关。
该设计演示并帮助客户
评估UCC21520栅极驱动器
丰富功能集的性能，
包括5 kV隔离的高驱动器件，
高CMTI环境的稳健器件
以及碳化硅MOSFET
器件的高频操作。
该解决方案提供简单易用的…电路板，
可将性能与传统上使用的基于电源
变压器的解决方案进行比较，以驱动半桥
功率级。
与之前的设计类似，TIDA-01160
和其他设计为UCC53系列栅极驱动器提供参考。
该设计旨在用于需要单个隔离栅极驱动器
来驱动IGBT或碳化硅
MOSFET的设备中。
关键终端设备包括单相或三相UPS，
直流充电电源和…系统。
该板具有内置的低成本
隔离电源，可通过负电压驱动高侧开关
…
总结一下，我们说了栅极驱动的基本原理，
介绍了低侧，高侧和低侧，以及隔离式
栅极驱动器。
我们还介绍了寄生效应及其
对软开关和硬开关的影响，非线性Coss
具有强栅极驱动器、CMTI、dV dt和di dt，
以及如何分离由dV dt引起的接地噪声。
有关更多信息，请查看TIDA参考设计。
非常感谢您的宝贵时间。
手机看
扫码用手机观看
-
未学习 掌握高压栅极驱动器设计的基础知识和艺术性设计
00:26:09
播放中
视频简介
掌握高压栅极驱动器设计的基础知识和艺术性设计
所属课程：掌握高压栅极驱动器设计的基础知识和艺术性设计
发布时间：2019.08.07
视频集数：1
本节视频时长：00:26:09
这一深入讨论将涵盖如何驱动这些最先进的功率晶体管以及客户面临的关键设计考虑因素。 主题包括：寄生影响，硬开关与软开关，非线性结电容（CRSS，COSS），共模瞬态抗扰度（CMTI），关断负偏压，分离电源/接地噪声以及两者之间的权衡 用于为栅极驱动器供电的不同隔离DC-DC拓扑。
