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担心栅极驱动器的绝缘能力？采用 'BIER' 测试吧

时间：2019-04-28 20:20来源：21Dianyuan

摘要：下桥臂电路中的快速开关会将瞬态电压耦合到栅极驱动电路，从而导致驱动波形的失真或损坏，同时上桥臂栅极驱动器的信号和隔离电源也还会受到应力影响。本文将探讨这些影响、解释如何避免这些影响，并评估电压应力和局部放电（PD）带来的绝缘能力退化实验结果。

 众所周知目前市面上的MOSFET和沟槽IGBT也可以工作在较高的dV/dt和di/dt的电路中，但是，最新的宽间带（WBG）半导体使高电压和低损耗的超快速开关走向最理想的状态。然而，下桥臂电路中的快速开关会将瞬态电压耦合到栅极驱动电路，从而导致驱动波形的失真或损坏，同时上桥臂栅极驱动器的信号和隔离电源也还会受到应力影响。本文将探讨这些影响、解释如何避免这些影响，并评估电压应力和局部放电（PD）带来的绝缘能力退化实验结果。

使用宽间带（WBG）技术的现代半导体和MOSFET，IGBT一样能够实现极快的开关。它的优势是在高频率的开关条件下减少了开关转换的功耗，同时获得了高效率、高功率密度、和更小体积的无源器件。但是，他的缺点是高dV/dt和di/dt会增加栅极驱动绝缘系统的EMI和应力。图1为IGBT的典型栅极驱动电路，在5V和20V之间施加正电压将器件开启，0V将其关断。该电路也非常适用于SiC和GaN技术中的增强型Si MOSFET和WBG器件；在所有的情况下，器件都保证在栅极连续施加0V时关断。

           图1：基本栅极驱动电路

但是如图2所示，器件快速开关时寄生电容和电感会造成一系列问题。

\图2：有寄生参数的栅极驱动器

如果以di/dt为例，漏极-源极电流为10A/ns（这在最先进的GaN是有可能的），源极寄生电感为15nH。按照V =  - L di/dt，150V会出现在电感器两端。在关断瞬间，电压反向拖动源极为负极，与栅极驱动相反，并且在导通时方向为正，再次与栅极驱动相反。这可能降低效率，未完全开启的状态甚至会导致开关管的击穿而造成损坏。假设的15nH可能看起来很大，但对应到PCB走线其实仅25mm。即使PCB过孔也会产生1.2nH电感，即12V瞬态电压。在高di/dt的情况下，只有芯片尺寸大小的封装以开尔文连接到栅极驱动的栅极和源极是实用的。在关断的状态下施加负电压来关断栅极可以对无法避免的寄生电感有很好地帮助。

在实际电路中，例如逆变器或电机控制中的推挽或全桥的拓扑结构中，两个下桥臂开关管的源极和栅极驱动电流通常是共享同一回路，如图3所示。

图3：下桥臂开关管使用公共接地时的寄生参数

现在不能使用开尔文连接因为两个驱动器各有自己的回路。两个驱动器的地和两个功率地（源极）必须接在一起，如果这个接点为靠近左侧开关功率地Powergnd 1，那么右侧开关将比左侧有更大的走线电感，导致不对称，就有可能产生潜在的EMI以及由电感两端的感应电压造成器件损坏。如果要对称，Powergnd 2是唯一的选择，但是这样两个源极在栅极驱动环路中具有相同且又较大的走线电感，因此这不是一个恰当的折衷办法，特别是当大功率电源系统的设备没有连接在一起。
解决方案是使用两个栅极驱动提供隔离信号的电源，如图4所示。隔离后，驱动器信号和电源功率回路可以直接连接到各自的功率地----开关管的源极，这样回路中就不包括驱动环路中大部份的寄生电感了。

图4：采用开尔文连接隔离后的栅极驱动信号，隔离电源和寄生参数

上桥臂开关之挑战
图4的配置解决了di/dt引起的开关管发射极（源极）的寄生电感引起的栅极电压瞬变的问题。这是一个典型的非常有代表性的寄生参数分析，通常也用于H桥的两个上桥臂的开关管，其中两个栅极驱动回路实际上是一个反相同一点开关节点，因此必须与彼此隔离。在上桥臂的驱动中，在栅极驱动隔离器件上出现的高开关电压可能引起其他问题。根据I = C dV/dt来看，高dV/dt可能是由隔离电容产生的位移电流所导致的问题。由于上升或下降沿速率很容易达到100V/ns，10pF势垒电容可能让1安培电流通过并在栅极驱动电路的初级电路中形成回路，这样就可能造成工作状态的不正常。

栅极驱动信号隔离器件通常是光耦合器或变压器，有时也会使用电容耦合。表1为隔离栅极驱动器IC的关键参数，其中有与我们的高dV/dt电路最相关的共模瞬态抗扰度（CMTI）。然而，该值是实验室测量出的数据，很有可能是单脉冲。没有提到在持续高压、高dV/dt波形下的可靠性。

表1：隔离栅极驱动之关键参数

其他VIORM/VIOWM/VIOTM/VPR参数也很重要，但与我们的开关电路无直接关系因为标准测试通常设定为50/60Hz的AC电压，或DC峰值电压。栅极驱动变压器也有相似的要求，通常只需要一秒或一分钟、DC或50/60Hz的AC电压的Hi-pot测试。但是在绕组或CMTI上施加高频开关电压来判定可靠性十分少见。对变压器来说，获得高隔离度的方法因应用而异；漆包线可以单独进行Hi-pot测试但不可靠，因为一段距离中会有针孔。安全机构当然不认为这样的漆包线是安全的。具有更好绝缘性的导线如 “三重绝缘线” 可以获得安全机构的认可，但是体积过于庞大，导致变压器会有相对高的耦合电容和位移电流。并且，由于层与层之间有局部放电（PD）的效应，因此在高开关电压下三重绝缘线的表现也不是理想的选择。如果要满足安全机构的要求，理想的结构是绕组互相分开，中间有足够的空间、提供低绕组层间电容，同时不依赖可能导致局部放电的固体材料而达到安全测试的要求。如图5所示。

图5：栅极驱动变压器的绕组互相分开

相同的考虑因素也适用于隔离栅极驱动电源内部的变压器，CMTI时常被忽略，高压隔离也常以各种方式显示。
 
局部放电影响
前面，我们已经提到了局部放电（PD），即固体绝缘材料受高压应力后缓慢恶化的现象。该现象是由材料的微孔连续遭受破坏而引起的。如果是有机材料，等离子体会导致碳化。空隙造成永久性短路，降低了整体的绝缘厚度，从而在剩余的绝缘层上产生更强的电压场，并最终导致完全失效。PD效应在“起始”电压突然开始，该电压取决于空隙中的气体、压力和空隙大小，以帕邢曲线[1]为特征。若为开关电压，那么起始电压会由频率决定。

另外，也不应完全对材料的击穿电压信以为真。例如，玻璃被认为是优异绝缘体，具有约60kV/mm的击穿电压，但这是在频率为60Hz的情况下。如果频率为1MHz，绝缘击穿电压的数值衰减到十分之一，约为5kV/mm。对于一些绝缘间距为<10μm的栅极驱动IC，则需要仔细考虑高频效应。

因此，开关电压的峰值、dV/dt和频率是评估绝缘可靠性的关键参数。由过冲和寄生电容和电感的谐振引起的瞬态电压也应要加到系统电压中进行评估。
 
势垒绝缘评估与研究
栅极驱动电源制造商RECOM [2]已知晓DC-DC转换器的变压器在高的工模电压下开关会有潜在的问题，并与Technische Universität Graz 和FH Johanneum 大学的绝缘材料专家Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn. Christof Sumereder一起进行研究。 这个项目的内部代号为BIER（ 势垒绝缘评估与研究的缩写），其中包括了对30个半桥拓扑上下桥臂开关管的评估，如图6所示。表2为三种不同的配置在70°C环境温度下工作1464小时，直流电压为1000V、开关频率为50kHz、上升和下降沿的速率为65kV/μs。

T1未包含在测试中
图6：PD测试评估电路图

表2：BIER测试配置

在测试前后各测量一次局部放电的电压值，性能没有显著降低（图7）。PD(局部放电)启动电压保持在所施加的开关峰值电压的两倍，表示具有良好的余量以及良好的长期可靠性。如需完整的报告请访问RECOM网站[3]。

图7：PD评估结果

结论
在推挽和桥式电路中，隔离了栅极驱动信号和功率回路，解决了上下桥臂耦合到栅极的电压瞬变的问题。然而在高频和高转换速率下，上桥臂的隔离器件仍然承受非常高共模电压应力。 实际的局部放电测试显示出栅极驱动DC/DC电源的隔离器件可以通过设计来确保良好的长期可靠性。
RECOM提供各种系列的DC/DC转换器，输出电压和隔离额定值适用于IGBT、SiC和GaN技术的上下桥臂栅极驱动应用。
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