关键规格:共模瞬变抗扰度(CMTI)
这种高噪声瞬变会导致栅极驱动器失去信号完整性,或者“毛刺”,从而导致系统调制失败;或者更糟的是,生成一个伪信号,其可能触发两个功率MOSFET同时接通,从而引发危险的电气短路情况。高瞬变也可能造成栅极驱动器进入一种永久的闩锁状态,这也会引发危险情况。
控制电源开关的栅极驱动器的设计必须能够承受这些噪声瞬变,同时不会造成毛刺或闩锁。驱动器承受这些共模噪声瞬变的能力被定义为共模瞬变抗扰度(CMTI),它由大多数厂商通常列在其产品数据手册中的一项规格来定义,并以kV/µs为单位来表示。在上面的示例中,栅极驱动器的CMTI规格应该已被清楚地确定为至少120kV/µs。
隔离栅极驱动器的选择项
在隔离电源转换器系统中,栅极驱动器需要被隔离以保持从首级侧到次级侧的隔离完整性。栅极驱动器通常为功率FET的栅极提供高达4A的开关电流。对于给定的FET栅极电容,电流驱动能力越强,开关速率就越快。下图显示了一个隔离栅极驱动器的简单原理图,其连接至一个电压达400V的功率FET的栅极。
图3.隔离栅极驱动器示例
当今市场上可提供许多隔离栅极驱动器解决方案。
· 结隔离驱动器(Junction-Isolated Driver)
结隔离驱动器有一个浮动的高压侧驱动器去适应高电压线路。对于这样的设备而言,最高额定电压约为600V。通常情况下,这些产品经济实惠,但具有较小的瞬变抑制力,很容易闩锁,从而造成永久损坏或安全危害。一般来说,用于支持信号完整性的CMTI规格是在10kV/µs范围之内,而用于支持闩锁抗扰的CMTI规格是在50 kV/µs范围之内。
· 光耦合驱动器
光耦合栅极驱动器都被真正地隔离(相对于浮动的高压侧驱动器),而且它们已经存在了相当长的一段时间。典型光耦合驱动器的CMTI规格在10-20 kV/µs之间,而最新产品则拥有大为改善的性能,其CMTI值达到50 kV/µs(最小值)。
· 电容耦合和变压器耦合驱动器
除了结驱动器或光耦合驱动器之外,诸如电容耦合或变压器耦合解决方案等技术,也使性能提升了一大截。
请牢记我们的最终目标——实现可能的最快开关速率同时确保安全性——电容耦合和变压器耦合驱动器的最大优势在于,他们能够承受极高的噪声瞬变,而又不会丢失数据并不会被闩锁。一些最新的变压器耦合栅极驱动器的CMTI规范为50 kV/µs(最小值),而这仍然不能满足我们所考虑的最高效率系统。
最新的电容耦合解决方案也有相应的CMTI规范,支持信号完整性的CMTI为200 kV/µs(最小值),支持闩锁抗扰的CMTI为400 kV/µs(最大值)。这是业界领先的性能,且最适合当今的新型高频系统设计。
使用电容耦合隔离驱动器还有一些其它的优势。它们非常快速(低延迟),并且信道之间和器件之间的一致性优于其它解决方案。与一些流行的光耦栅极驱动器相比,其传输时延(延迟)性能要好10倍之多,同时器件之间的一致性也要好10倍甚至更多。这种一致性为设计人员提供了另一项关键优势——系统的整体调制方案可以进行微调以实现最高效率和安全性,而无需去适应规格变动。
这些驱动器还允许较低电压操作(相比5V的2.5V),以及更宽的工作温度范围(-40℃至125℃,而光耦合驱动器仅为-40℃至105℃)。此类驱动器还提供其它先进的特性,例如输入噪声滤波器、异步关断能力,以及在同一个封装中的诸如半桥或双通道独立驱动器等多种配置。
产品的安全性和长期可靠性也是这些应用中的关注重点,并且考虑这些属性也是非常重要的。另外,新型驱动器在高电压条件下的额定工作寿命为60年,比其它任何可比的解决方案都更长。