最新的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體在高電壓下具有超快速切換和低損耗，已接近理想狀態(tài)，而現(xiàn)代 MOSFET 和溝槽 IGBT 也可以顯示高 dV/dt 和 di/dt 水平。然而，“低側(cè)”電路中的快速切換可能會將瞬態(tài)電壓耦合到柵極驅(qū)動電路，導(dǎo)致操作混亂或損壞，而“高側(cè)”柵極驅(qū)動器還會受到信號和電源隔離的壓力。本文研究了這些影響并解釋了如何減輕這些影響，以及評估壓力和損壞（特別是局部放電 (PD)）的實驗結(jié)果。
　　現(xiàn)代半導(dǎo)體開關(guān)采用寬帶隙 (WBG) 技術(shù)，甚至 MOSFET 和一些 IGBT，能夠?qū)崿F(xiàn)極快的開關(guān)速度。這減少了開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的耗散，從而允許以高效率、更高功率密度、更小的無源元件和更低的成本實現(xiàn)更高頻率的操作。然而，由于 dV/dt 和 di/dt 水平較高，因此存在增加 EMI 和對柵極驅(qū)動絕緣系統(tǒng)施加壓力的缺點?！　D 1 顯示了 IGBT 的典型柵極驅(qū)動電路，施加 5V 至 20V 之間的正電壓以打開器件，施加 0V 以關(guān)閉器件。靜態(tài)上，該電路也非常適合 SiC 和 GaN 技術(shù)中的增強型 Si MOSFET 和 WBG 器件 - 在所有情況下，只要施加連續(xù)柵極 0V，器件就能保證關(guān)閉。

　　圖 1：簡單的柵極驅(qū)動電路
　　然而，當(dāng)器件快速切換時，就會出現(xiàn)問題，寄生電容和電感元件（如圖 2 所示）就會發(fā)揮作用。如果我們以漏源電流的 di/dt 值為 10A/ns（這在最先進(jìn)的 GaN 器件中是可行的）和源電感為 15nH 的情況為例，根據(jù) V = - L di/dt，電感器兩端會出現(xiàn) 150V。在開關(guān)關(guān)閉時，電壓將源極拉向負(fù)極，與柵極驅(qū)動相反；在開關(guān)打開時，方向為正，再次與柵極驅(qū)動相反。　　其后果可能是效率損失，甚至由于虛假開啟導(dǎo)致?lián)舸┒斐蓳p壞。15nH 可能看起來很大，但僅代表約 25mm 的 PCB 軌道。即使是 PCB 通孔也有約 1.2nH 的電感，產(chǎn)生 12V 的瞬態(tài)電壓。實際上，在這些高 di/dt 水平下，只有芯片級封裝才是實用的，使用開爾文連接到柵極和源極以進(jìn)行柵極驅(qū)動。當(dāng)無法避免某些電感時，用負(fù)電壓驅(qū)動?xùn)艠O以達(dá)到關(guān)斷狀態(tài)會有所幫助。

　　
　　圖 2：含有寄生元件的柵極驅(qū)動
　　在實際電路中，例如逆變器或電機(jī)控制中的推挽式或全橋式電路，兩個低側(cè)器件通常共享源極和柵極驅(qū)動電流的公共回路，如圖 3 所示。

　　圖 3：共享公共接地的低側(cè)器件
　　現(xiàn)在無法進(jìn)行開爾文連接，因為有兩個驅(qū)動器，每個驅(qū)動器都有自己的回路。兩個驅(qū)動器接地和兩個發(fā)射極（源極）連接必須連接在一起，如果這個點在物理上位于 Powergnd 1，靠近左側(cè)開關(guān)，則右側(cè)開關(guān)的源極連接電感將比左側(cè)開關(guān)大，從而導(dǎo)致不對稱切換、潛在的 EMI 和電感兩端的感應(yīng)電壓造成的損壞。為了實現(xiàn)對稱，點“Powergnd 2”是唯一的選擇，但這是一個糟糕的折衷方案，因為現(xiàn)在兩個源極在柵極驅(qū)動環(huán)路中具有相等但較大的連接電感，特別是在設(shè)備可能物理上不接近的高功率系統(tǒng)中。
　　一種解決方案是向兩個柵極驅(qū)動器提供隔離的信號和電源，如圖 4 所示?，F(xiàn)在，驅(qū)動器信號和電源返回可以直接連接到它們各自的設(shè)備發(fā)射器（源），從而排除驅(qū)動環(huán)路中的大多數(shù)外部電感?！　「叨碎_關(guān)挑戰(zhàn)

　　圖 4 的布置解決了 di/dt 導(dǎo)致發(fā)射極（源極）電感產(chǎn)生柵極電壓瞬變的問題。它通常也用于“H”橋中的兩個“高端”開關(guān)，其中兩個柵極驅(qū)動回路實際上是反相開關(guān)節(jié)點，因此必須相互隔離。　　在高端配置中，高開關(guān)電壓現(xiàn)在出現(xiàn)在柵極驅(qū)動隔離元件上，并可能導(dǎo)致其他問題。根據(jù) I = C dV/dt，高 dV/dt 是可能通過隔離電容的位移電流安培數(shù)的問題。由于邊緣速率很容易達(dá)到 100V/ns，10pF 屏障電容將通過一安培電流，流經(jīng)柵極驅(qū)動電路的初級，可能會中斷操作。

　　
　　圖 4：采用開爾文連接進(jìn)行信號和電源隔離的柵極驅(qū)動器　　柵極驅(qū)動信號隔離元件通常是光耦合器或變壓器，有時也使用電容耦合。隔離柵極驅(qū)動器 IC 的性能由表 1 中的關(guān)鍵參數(shù)給出，其中 CMTI 是與我們的高 dV/dt 電路最相關(guān)的共模瞬態(tài)抗擾度。然而，這個值是實驗室測量值，很可能是單脈沖。沒有提到持續(xù)高壓、高 dV/dt 波形的可靠性。、

　　表 1：隔離柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)
　　其他參數(shù) VIORM/VIOWM/VIOTM/VPR 也很重要，但同樣與我們的開關(guān)電路沒有直接關(guān)系，因為標(biāo)準(zhǔn)測試通常定義為 50/60Hz、DC 或峰值。單獨的柵極驅(qū)動變壓器具有與規(guī)格類似的限制，通常只是簡單的“高壓”測試，持續(xù)一秒或一分鐘，通常在某個 DC 電平或 50/60Hz 的 AC 下。很少能找到在繞組或甚至 CMTI 上施加的高頻高開關(guān)電壓下的可靠性評級。
　　對于變壓器，獲得高絕緣的方法因應(yīng)用而異；漆包線可以經(jīng)受一次“高壓”測試，但不可靠，漆層上幾乎肯定會有針孔。安全機(jī)構(gòu)當(dāng)然不允許將其作為任何電壓下的安全屏障。絕緣性更好的電線（如“三重絕緣”類型）可以獲得安全機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，但體積龐大，導(dǎo)致變壓器具有相對較高的耦合電容和位移電流。
　　理想的結(jié)構(gòu)是繞組通過空氣以保證的距離進(jìn)行物理分離，以滿足安全機(jī)構(gòu)的要求，提供低繞組間電容，并且不依賴可能會受到局部放電影響的固體材料。
　　完全相同的考慮也適用于隔離柵極驅(qū)動電源內(nèi)的變壓器，其中 CMTI 額定值通常會被省略，并且高壓隔離會以多種方式指定。
　　局部放電效應(yīng)　　我們提到過局部放電 (PD)，即固體絕緣材料在受到高壓應(yīng)力時緩慢退化。這種效應(yīng)是由材料中微孔的連續(xù)分解引起的，如果材料是有機(jī)類型，則會導(dǎo)致等離子體碳化。空隙會造成永久性短路，降低有效的整體絕緣厚度，導(dǎo)致剩余絕緣層上的電壓場強更高，最終導(dǎo)致完全失控故障。PD 效應(yīng)突然開始于“起始”電壓，該電壓取決于空隙中的氣體、壓力和空隙大小，并以“帕申”曲線為特征 [1]。對于切換電壓，起始點還取決于頻率。

　　表 2：“BIER”測試配置　　圖 5：繞組之間具有物理隔離的柵極驅(qū)動變壓器

　　圖 5：繞組之間具有物理隔離的柵極驅(qū)動變壓器　　即使是塊狀材料的擊穿電壓也不應(yīng)僅從表面來判斷。例如，玻璃被認(rèn)為是一種極好的絕緣體，其擊穿電壓約為 60kV/mm - 但這是 60Hz 時的擊穿電壓。在 1MHz 時，該數(shù)字不到該值的十分之一，約為 5kV/mm。由于某些柵極驅(qū)動 IC 的絕緣距離小于 10μm，因此需要仔細(xì)考慮高頻效應(yīng)。因此，開關(guān)電壓水平、dV/dt 和頻率是評估絕緣可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。還應(yīng)評估由于過沖和寄生電容和電感諧振而產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓，并將其添加到系統(tǒng)電壓中。

　　圖6：PD測試評估電路
　　屏障絕緣評估與研究
　　柵極驅(qū)動電源制造商 RECOM [2] 已經(jīng)意識到 DC-DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中的變壓器在高開關(guān)共模電壓下存在潛在問題，并與格拉茨工業(yè)大學(xué)和約翰內(nèi)斯堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的絕緣材料專家 Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn. Christof Sumereder 合作開展了一項研究。這項工作的內(nèi)部代號為“BIER”（屏障絕緣評估和研究），包括對 30 個半橋功率級的評估，這些功率級專門采用隔離的高低側(cè)開關(guān)構(gòu)建，如圖 6 所示。構(gòu)建了三種不同的配置，如表 2 所示，并在 70°C 環(huán)境溫度、1000V 直流電軌、50kHz 開關(guān)頻率和 65kV/μs 邊緣速率下運行 1464 小時?！　D評估結(jié)果

　　圖7：PD評估結(jié)果
　　T1 不屬于測試的一部分
　　在測試運行之前和之后進(jìn)行了局部放電測量，結(jié)果表明，在所用的配置中，性能沒有明顯下降（圖 7）。局部放電起始電壓保持在施加的峰值開關(guān)電壓的兩倍以上，表明裕度良好，并預(yù)測可靠的長期運行。完整報告可從 RECOM 網(wǎng)站 [3] 獲取。
　　結(jié)論
　　推挽和橋式電路中柵極驅(qū)動器信號和電源的隔離解決了“低側(cè)”和“高側(cè)”電路中電壓瞬變耦合到柵極的問題。然而，高側(cè)隔離元件在高頻和高邊沿速率下仍然會受到高共模電壓應(yīng)力。實際局部放電測試表明，柵極驅(qū)動器 DC-DC 電源中的隔離元件可以設(shè)計為具有良好的長期可靠性。RECOM 擁有一系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓和隔離額定值適用于 IGBT、SiC 和 GaN 技術(shù)的高側(cè)柵極驅(qū)動器。