擔(dān)心柵極驅(qū)動(dòng)器的絕緣？應(yīng)用BIER測試
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2025-03-25 17:06:01 | 395 次閱讀
在高電壓下以低損耗實(shí)現(xiàn)超快速開關(guān)，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)”電路中的快速開關(guān)會將瞬態(tài)電壓耦合到柵極驅(qū)動(dòng)電路，從而導(dǎo)致混亂的作或損壞，而“高側(cè)”柵極驅(qū)動(dòng)器的信號和電源隔離也會受到壓力。本文研究了這些影響并解釋了如何減輕這些影響，并介紹了評估應(yīng)力和損傷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，特別是局部放電 （PD）。
使用寬帶隙 （WBG） 技術(shù)的現(xiàn)代半導(dǎo)體開關(guān)，甚至 MOSFET 和一些 IGBT 都能夠?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、更高的功率密度、更小的無源元件和更低的成本實(shí)現(xiàn)更高頻率的運(yùn)行。然而，由于高 dV/dt 和 di/dt 水平，柵極驅(qū)動(dòng)絕緣系統(tǒng)存在 EMI 和應(yīng)力增加的缺點(diǎn)。
圖 1 顯示了 IGBT 的典型柵極驅(qū)動(dòng)電路，該電路施加 5V 至 20V 之間的正電壓以導(dǎo)通器件，施加 0V 以將其關(guān)閉。從靜態(tài)角度來看，該電路也適用于采用 SiC 和 GaN 技術(shù)的增強(qiáng)型 Si MOSFET 和 WBG 器件——在所有情況下，該器件都保證在施加連續(xù)柵極 0V 的情況下關(guān)閉。
圖 1：簡單的柵極驅(qū)動(dòng)電路
然而，當(dāng)器件快速切換時(shí)，問題就會出現(xiàn)，寄生電容和電感元件（如圖 2 所示）開始發(fā)揮作用。如果我們以 10A/ns 的漏源電流的 di/dt 值為例（這在最先進(jìn)的 GaN 器件中是可行的），并且源極電感為 15nH，根據(jù) V = - L di/dt，電感上會出現(xiàn) 150V。在開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電壓將源極拖動(dòng)為負(fù)，與柵極驅(qū)動(dòng)相反，而在開關(guān)打開時(shí)，方向?yàn)檎俅闻c柵極驅(qū)動(dòng)相反。
其結(jié)果可能是效率損失，甚至由于虛假導(dǎo)通導(dǎo)致?lián)舸┒斐蓳p壞。15nH 可能看起來很大，但僅代表大約 25mm 的 PCB 布線。即使是 PCB 通孔的電感也約為 1.2nH，產(chǎn)生 12V 瞬態(tài)。在這些高 di/dt 水平的實(shí)踐中，只有芯片級封裝才實(shí)用，并且開爾文連接到柵極驅(qū)動(dòng)的柵極和源極。當(dāng)無法避免某些電感時(shí)，用負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O處于 OFF 狀態(tài)會有所幫助。
圖 2：包含寄生元件的柵極驅(qū)動(dòng)
在實(shí)際電路中，例如逆變器或電機(jī)控制中的推挽或全橋，兩個(gè)低側(cè)器件通常共享一個(gè)公共回路，用于源極和柵極驅(qū)動(dòng)電流，如圖 3 所示。
圖 3：共享公共接地的低側(cè)器件
現(xiàn)在 Kelvin 連接是不可能的，因?yàn)橛袃蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)程序，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都有自己的返回。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器接地和兩個(gè)發(fā)射極（源極）連接必須連接在一起，如果該點(diǎn)在物理上位于 Powergnd 1 處，靠近左側(cè)開關(guān)，則右側(cè)開關(guān)將比左側(cè)開關(guān)看到更多的源極連接電感，從而導(dǎo)致不對稱開關(guān)、潛在的 EMI 和由于電感兩端感應(yīng)電壓而造成的損壞。對于對稱性，點(diǎn)“Powergnd 2”是唯一的選擇，但這是一個(gè)糟糕的折衷方案，因?yàn)楝F(xiàn)在兩個(gè)源在柵極驅(qū)動(dòng)回路中具有相等但較大的連接電感，尤其是在器件可能物理上不靠近的高功率系統(tǒng)中。
一種解決方案是為兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器提供隔離信號和電源，如圖 4 所示?，F(xiàn)在，驅(qū)動(dòng)器信號和電源返回可以直接連接到各自的器件發(fā)射器（源），從驅(qū)動(dòng)回路中排除大多數(shù)外部電感。
高側(cè)開關(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(gè)“高壓側(cè)”開關(guān)，其中兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)回路實(shí)際上是反相開關(guān)節(jié)點(diǎn)，因此必須彼此隔離。
在高側(cè)布置中，高開關(guān)電壓現(xiàn)在出現(xiàn)在柵極驅(qū)動(dòng)隔離元件上，并可能導(dǎo)致其他問題。高 dV/dt 是流經(jīng)隔離電容的安培位移電流的問題，根據(jù) I = C dV/dt。在邊沿速率為 100V/ns 的情況下，10pF 勢壘電容將通過 1 安培的電流，在柵極驅(qū)動(dòng)電路的初級電路中循環(huán)，可能會中斷運(yùn)行。
圖 4：柵極驅(qū)動(dòng)器通過開爾文連接將信號和電源隔離相結(jié)合
柵極驅(qū)動(dòng)信號隔離元件通常是光耦合器或變壓器，有時(shí)使用電容耦合。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的性能由表 1 中所示的關(guān)鍵參數(shù)和 CMTI 給出，CMTI 是與我們的高 dV/dt 電路最相關(guān)的共模瞬態(tài)抗擾度。但是，該值是實(shí)驗(yàn)室測量，很可能是單脈沖。沒有提到持續(xù)高電壓、高 dV/dt 波形的可靠性。
表 1：隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵參數(shù)
其他參數(shù) VIORM/VIOWM/VIOTM/VPR 很重要，但同樣與我們的開關(guān)電路沒有直接關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)測試通常定義為 50/60Hz、直流或峰值。單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器與規(guī)格具有類似的限制，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(gè)直流電平或 50/60Hz 的交流電下。很少能找到在高、高頻開關(guān)電壓、繞組甚至 CMTI 上施加的可靠性評級。
對于變壓器，獲得高日照的方法因應(yīng)用而異;漆包線 線 可能經(jīng)得起一次 “高壓 ”測試，但不可靠，幾乎可以保證漆上有針孔。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。絕緣性較好的電線（例如“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，并且導(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)是繞組通過保證的空氣距離進(jìn)行物理隔離，以滿足安全機(jī)構(gòu)的要求，提供低繞組間電容，并且不依賴于可能發(fā)生局部放電的固體材料。
完全相同的考慮因素也適用于隔離式柵極驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部的變壓器，CMTI 額定值通常被省略，高壓隔離以各種方式指定。
局部放電效應(yīng)
我們已經(jīng)提到了局部放電 （PD），即固體絕緣材料在高壓應(yīng)力下緩慢降解。這種效果是由材料中微孔洞的連續(xù)分解引起的，如果是有機(jī)空隙，則會導(dǎo)致產(chǎn)生的等離子體碳化?？障蹲兂捎谰眯远搪?，減少了有效的整體絕緣厚度，導(dǎo)致剩余絕緣層的電壓場強(qiáng)更高，最終導(dǎo)致完全失控失效。局部放電效應(yīng)在“初始”電壓處突然開始，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 [1] 為特征。對于開關(guān)電壓，起始點(diǎn)也取決于頻率。
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(dòng)變壓器
即使是散裝材料的擊穿電壓也不應(yīng)只看表面值。例如，玻璃被認(rèn)為是一種出色的絕緣體，其擊穿電壓約為 60kV/mm，但這是 60Hz。在 1MHz 時(shí)，該數(shù)字不到約 5kV/mm 時(shí)的十分之一。由于一些柵極驅(qū)動(dòng) IC 的絕緣距離為 <10μm，因此需要仔細(xì)考慮高頻效應(yīng)。因此，開關(guān)電壓電平、dV/dt 和頻率是評估絕緣可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。還應(yīng)評估由寄生電容和電感的過沖和諧振引起的瞬態(tài)電壓，并將其添加到系統(tǒng)電壓中。
圖 6 PD 測試評估電路
屏障絕緣評估和研究
柵極驅(qū)動(dòng)電源制造商 RECOM [2] 已經(jīng)認(rèn)識到 DC-DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中變壓器在承受高開關(guān)共模電壓方面存在潛在問題，并與絕緣材料專家 Priv.-Doz 合作進(jìn)行了一項(xiàng)研究。工程學(xué)博士Christof Sumereder 來自格拉茨工業(yè)大學(xué)和 FH Johanneum。這項(xiàng)工作內(nèi)部編碼為“BIER”（屏障絕緣評估和研究），包括對 30 個(gè)專門構(gòu)建有隔離式高低側(cè)開關(guān)的半橋功率級的評估，圖 6。如表 2 所示，構(gòu)建了三種不同的配置，在 70°C 環(huán)境溫度下運(yùn)行 1464 小時(shí)，直流軌為 1000V，開關(guān)頻率為 50kHz，邊沿速率為 65kV/μs。
T1 不是測試的一部分
在試運(yùn)行之前和之后進(jìn)行局部放電測量，表明在使用的配置中，性能沒有顯著下降（圖 7）。
使用寬帶隙 （WBG） 技術(shù)的現(xiàn)代半導(dǎo)體開關(guān)，甚至 MOSFET 和一些 IGBT 都能夠?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、更高的功率密度、更小的無源元件和更低的成本實(shí)現(xiàn)更高頻率的運(yùn)行。然而，由于高 dV/dt 和 di/dt 水平，柵極驅(qū)動(dòng)絕緣系統(tǒng)存在 EMI 和應(yīng)力增加的缺點(diǎn)。
圖 1 顯示了 IGBT 的典型柵極驅(qū)動(dòng)電路，該電路施加 5V 至 20V 之間的正電壓以導(dǎo)通器件，施加 0V 以將其關(guān)閉。從靜態(tài)角度來看，該電路也適用于采用 SiC 和 GaN 技術(shù)的增強(qiáng)型 Si MOSFET 和 WBG 器件——在所有情況下，該器件都保證在施加連續(xù)柵極 0V 的情況下關(guān)閉。
圖 1：簡單的柵極驅(qū)動(dòng)電路然而，當(dāng)器件快速切換時(shí)，問題就會出現(xiàn)，寄生電容和電感元件（如圖 2 所示）開始發(fā)揮作用。如果我們以 10A/ns 的漏源電流的 di/dt 值為例（這在最先進(jìn)的 GaN 器件中是可行的），并且源極電感為 15nH，根據(jù) V = - L di/dt，電感上會出現(xiàn) 150V。在開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電壓將源極拖動(dòng)為負(fù)，與柵極驅(qū)動(dòng)相反，而在開關(guān)打開時(shí)，方向?yàn)檎俅闻c柵極驅(qū)動(dòng)相反。
其結(jié)果可能是效率損失，甚至由于虛假導(dǎo)通導(dǎo)致?lián)舸┒斐蓳p壞。15nH 可能看起來很大，但僅代表大約 25mm 的 PCB 布線。即使是 PCB 通孔的電感也約為 1.2nH，產(chǎn)生 12V 瞬態(tài)。在這些高 di/dt 水平的實(shí)踐中，只有芯片級封裝才實(shí)用，并且開爾文連接到柵極驅(qū)動(dòng)的柵極和源極。當(dāng)無法避免某些電感時(shí)，用負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O處于 OFF 狀態(tài)會有所幫助。
圖 2：包含寄生元件的柵極驅(qū)動(dòng)在實(shí)際電路中，例如逆變器或電機(jī)控制中的推挽或全橋，兩個(gè)低側(cè)器件通常共享一個(gè)公共回路，用于源極和柵極驅(qū)動(dòng)電流，如圖 3 所示。
圖 3：共享公共接地的低側(cè)器件現(xiàn)在 Kelvin 連接是不可能的，因?yàn)橛袃蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)程序，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都有自己的返回。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器接地和兩個(gè)發(fā)射極（源極）連接必須連接在一起，如果該點(diǎn)在物理上位于 Powergnd 1 處，靠近左側(cè)開關(guān)，則右側(cè)開關(guān)將比左側(cè)開關(guān)看到更多的源極連接電感，從而導(dǎo)致不對稱開關(guān)、潛在的 EMI 和由于電感兩端感應(yīng)電壓而造成的損壞。對于對稱性，點(diǎn)“Powergnd 2”是唯一的選擇，但這是一個(gè)糟糕的折衷方案，因?yàn)楝F(xiàn)在兩個(gè)源在柵極驅(qū)動(dòng)回路中具有相等但較大的連接電感，尤其是在器件可能物理上不靠近的高功率系統(tǒng)中。
一種解決方案是為兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器提供隔離信號和電源，如圖 4 所示?，F(xiàn)在，驅(qū)動(dòng)器信號和電源返回可以直接連接到各自的器件發(fā)射器（源），從驅(qū)動(dòng)回路中排除大多數(shù)外部電感。
高側(cè)開關(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(gè)“高壓側(cè)”開關(guān)，其中兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)回路實(shí)際上是反相開關(guān)節(jié)點(diǎn)，因此必須彼此隔離。
在高側(cè)布置中，高開關(guān)電壓現(xiàn)在出現(xiàn)在柵極驅(qū)動(dòng)隔離元件上，并可能導(dǎo)致其他問題。高 dV/dt 是流經(jīng)隔離電容的安培位移電流的問題，根據(jù) I = C dV/dt。在邊沿速率為 100V/ns 的情況下，10pF 勢壘電容將通過 1 安培的電流，在柵極驅(qū)動(dòng)電路的初級電路中循環(huán)，可能會中斷運(yùn)行。
圖 4：柵極驅(qū)動(dòng)器通過開爾文連接將信號和電源隔離相結(jié)合柵極驅(qū)動(dòng)信號隔離元件通常是光耦合器或變壓器，有時(shí)使用電容耦合。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的性能由表 1 中所示的關(guān)鍵參數(shù)和 CMTI 給出，CMTI 是與我們的高 dV/dt 電路最相關(guān)的共模瞬態(tài)抗擾度。但是，該值是實(shí)驗(yàn)室測量，很可能是單脈沖。沒有提到持續(xù)高電壓、高 dV/dt 波形的可靠性。
表 1：隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵參數(shù)其他參數(shù) VIORM/VIOWM/VIOTM/VPR 很重要，但同樣與我們的開關(guān)電路沒有直接關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)測試通常定義為 50/60Hz、直流或峰值。單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器與規(guī)格具有類似的限制，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(gè)直流電平或 50/60Hz 的交流電下。很少能找到在高、高頻開關(guān)電壓、繞組甚至 CMTI 上施加的可靠性評級。
對于變壓器，獲得高日照的方法因應(yīng)用而異;漆包線 線 可能經(jīng)得起一次 “高壓 ”測試，但不可靠，幾乎可以保證漆上有針孔。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。絕緣性較好的電線（例如“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，并且導(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)是繞組通過保證的空氣距離進(jìn)行物理隔離，以滿足安全機(jī)構(gòu)的要求，提供低繞組間電容，并且不依賴于可能發(fā)生局部放電的固體材料。
完全相同的考慮因素也適用于隔離式柵極驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部的變壓器，CMTI 額定值通常被省略，高壓隔離以各種方式指定。
局部放電效應(yīng)
我們已經(jīng)提到了局部放電 （PD），即固體絕緣材料在高壓應(yīng)力下緩慢降解。這種效果是由材料中微孔洞的連續(xù)分解引起的，如果是有機(jī)空隙，則會導(dǎo)致產(chǎn)生的等離子體碳化?？障蹲兂捎谰眯远搪?，減少了有效的整體絕緣厚度，導(dǎo)致剩余絕緣層的電壓場強(qiáng)更高，最終導(dǎo)致完全失控失效。局部放電效應(yīng)在“初始”電壓處突然開始，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 [1] 為特征。對于開關(guān)電壓，起始點(diǎn)也取決于頻率。
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(dòng)變壓器
即使是散裝材料的擊穿電壓也不應(yīng)只看表面值。例如，玻璃被認(rèn)為是一種出色的絕緣體，其擊穿電壓約為 60kV/mm，但這是 60Hz。在 1MHz 時(shí)，該數(shù)字不到約 5kV/mm 時(shí)的十分之一。由于一些柵極驅(qū)動(dòng) IC 的絕緣距離為 <10μm，因此需要仔細(xì)考慮高頻效應(yīng)。因此，開關(guān)電壓電平、dV/dt 和頻率是評估絕緣可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。還應(yīng)評估由寄生電容和電感的過沖和諧振引起的瞬態(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和研究
柵極驅(qū)動(dòng)電源制造商 RECOM [2] 已經(jīng)認(rèn)識到 DC-DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中變壓器在承受高開關(guān)共模電壓方面存在潛在問題，并與絕緣材料專家 Priv.-Doz 合作進(jìn)行了一項(xiàng)研究。工程學(xué)博士Christof Sumereder 來自格拉茨工業(yè)大學(xué)和 FH Johanneum。這項(xiàng)工作內(nèi)部編碼為“BIER”（屏障絕緣評估和研究），包括對 30 個(gè)專門構(gòu)建有隔離式高低側(cè)開關(guān)的半橋功率級的評估，圖 6。如表 2 所示，構(gòu)建了三種不同的配置，在 70°C 環(huán)境溫度下運(yùn)行 1464 小時(shí)，直流軌為 1000V，開關(guān)頻率為 50kHz，邊沿速率為 65kV/μs。
PD 評估結(jié)果
T1 不是測試的一部分
在試運(yùn)行之前和之后進(jìn)行局部放電測量，表明在使用的配置中，性能沒有顯著下降（圖 7）。
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