电隔离栅极驱动器的隔离能力评估

电隔离式 (GI) 栅极驱动器在优化碳化硅 (SiC) MOSFET性能方面扮演着至关重要的角色，特别是在应对电气化系统日益增长的需求时。随着全球对电力在工业、交通和消费产品中依赖性的加深，SiC技术凭借其提升效率和缩小系统体积的能力脱颖而出。本文为第二篇，将分享电隔离栅极驱动器的隔离能力评估 ，并介绍其典型的应用市场与安森美(onsemi)可提供的高新能产品选型。

隔离能力

隔离能力由系统的工作电压决定，而系统工作电压与隔离能力成正比。隔离栅极驱动器的关键参数之一是其隔离电压额定值。正确的隔离额定值对于保护用户免受潜在有害电流放电的伤害至关重要，因为它旨在避免意外的电压瞬态破坏与电源相连的其他电路。

此外，该额定值还能使转换器内的信号免受噪声或意外共模瞬态电压的干扰。 隔离通常表示为隔离层可承受的电压量。在大多数隔离栅极驱动器的数据手册中，隔离额定值都以参数的形式出现，如最大重复峰值隔离电压 (VIORM)、最大工作隔离电压 (VIOWM)、最大瞬态隔离电压 (VIOTM)、最大浪涌隔离电压 (VIOSM) 和耐压隔离电压 (VISO)。 系统工作电压越高，所需的转换器隔离能力就越高。

带 DC/DC 的 OBC 通用框图

隔离电容和功率损耗

隔离电容是电隔离器低压输入级（初级芯片）和高压输出级（次级芯片）之间的寄生电容。在开关工作期间，漏电流可能会通过这个输入到输出的耦合电容，从而成比例增加栅极驱动器的功率损耗。

通过下式可以看出，隔离电容与漏电流成正比。

Ileak= 2× π ×fs× CISO× VSYS

其中，Ileak：漏电流，fs：工作频率，CISO：隔离器输入输出耦合电容，VSYS：系统工作电压。功率损耗与漏电流成正比。如果系统需要在高工作频率和高电压下运行，则有必要注意转换器绝缘电容器的大小，以避免温升过高。

共模瞬态抗扰度（CMTI）

共模瞬态抗扰度（CMTI）是与隔离栅极驱动器相关的关键特性之一，尤其是当系统以高开关频率运行时。它之所以重要，是因为高斜率（高频）瞬态会干扰跨隔离栅的数据传输。隔离栅上的电容（例如隔离接地平面之间的电容）为这些快速瞬态提供了穿越隔离栅并破坏输出波形的路径。单位通常为 kV/μs 或 V/ns。

如果 CMTI 不够高，大功率噪声可能会耦合到隔离栅极驱动器上，产生电流回路，导致开关的栅极出现电荷。如果电荷量足够大，就会导致栅极驱动器将噪声误解为驱动信号，由此导致因直通而造成严重的电路故障。

电流驱动能力考虑因素

栅极驱动器能够在短时间内拉/灌较大的栅极电流，从而缩短开关时间，降低驱动晶体管内的开关功率损耗。峰值拉电流和灌电流（ISOURCE和 ISINK）应大于平均电流（IG,AV），如下图所示。

栅极驱动器电流驱动能力

在功率晶体管中，有一个参数QG（栅极电荷），指栅极驱动器为了使晶体管导通或关断所需要充放的电荷量。为了正确且适时地驱动功率晶体管，我们需要为栅极驱动器选择适当的电流驱动能力。

IG,AV= QG/ tSW,ON / OFF

其中，tSW,ON/OFF 是指功率晶体管导通/关断的速度。如果未知，可从开关频率得出的开关时间 tSW 的 2% 开始计算。

栅极驱动器拉、灌峰值电流的大致计算公式如下:

导通时（拉电流）

ISOURCE≥1.5 ×QG/ tSW, ON

关断时（灌电流）

ISINK≥1.5 ×QG/ tSW, OFF

其中，QG表示在VGS = VCC 时的栅极电荷，tSW,ON/OFF = 开关导通/关断时间，1.5 = 经验确定的系数（受驱动器输入级延迟和寄生元件的影响）。

栅极驱动器电流驱动能力选型示例

例如，tSW,ON/OFF为 100ns：100kHz的1%，300kHz的3%，等等。

高压、大功率市场及应用

与大功率应用相关的终端产品种类繁多。这些应用包括：

使用SiC车载充电机（OBC）的电动汽车。对于这些车辆而言，实现高效率的同时确保安全至关重要。电隔离栅极驱动器能够在这方面发挥作用，助力达成目标。

电动汽车充电站，其发展趋势是采用高电压，因此安全对系统和人身安全都很重要。

太阳能逆变器 – 在这里，逆变器的效率始终是关键，而安全总是重中之重。特别是当逆变器作为家庭太阳能系统的一部分时，安全问题显得尤为突出。

云计算/服务器工作时需要从公共事业的交流电中生成大量的清洁的直流电，不能承受任何损耗。在这一领域，电隔离栅极驱动器同样能够帮助确保安全性和效率。

安森美高性能电隔离栅极驱动器

安森美的电隔离栅极驱动器专为快速开关而设计，并集成了保护功能。安森美的SiC驱动器解决方案针对SiC应用进行了优化，集成了负偏压功能，无需外部元件。安森美的隔离栅极驱动器在生产阶段使用MPS测试仪（型号MSPS-20）进行隔离性能测试。安森美的电隔离栅极驱动器为 SiC MOSFET 提供了可靠的解决方案，适用于广泛的应用，包括汽车电动车、电动车充电、太阳能逆变器和云计算/服务器系统等。

安森美提供四款新发布的栅极驱动器：

NCP51152

NCV51152

NCP51752

NCV51752

NCP/NCV51152是隔离型单通道栅极驱动器，具有高达 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值电流。它专为实现极快的开关速度而设计，用于驱动功率MOSFET开关。NCP/NCV51252提供短且匹配的传播延迟。两个次级侧驱动器之间的内部功能隔离允许高达 ~1,200 VDC 的工作电压。此外，它还提供了其他重要的保护功能，如每个驱动器的欠压锁定（UVLO）和使能功能。

NCP/NCV51752 是隔离型单通道栅极驱动器，具有高达 4.5-A / 9-A 的拉、灌峰值电流。它专为实现极快的开关速度而设计，用于驱动功率MOSFET开关。NCP/NCV51752 提供短且匹配的传播延迟，具有在栅极驱动环路中产生负偏压的集成机制，可为任何类型的 SiC 提供安全的关断状态。

此外， 安森美还是高性能 SiC MOSFET 和栅极驱动器的集成供应商，拥有同类极佳 SiC MOSFET 器件的广泛产品组合以及与之配套的不断增长的优化栅极驱动器系列。

结语

电气系统中对高压、高频和大功率的需求不断增长，这种趋势只会越来越快。SiC MOSFET 是适应这些需求的理想高效解决方案。为了帮助制造商开发安全、有效和可靠的大功率应用，安森美提供了业界先进的 EliteSiC 碳化硅解决方案和优化的SiC栅极驱动器产品组合。