先試后買的高效節能電源設計方法

圖1：柵極驅動評估平臺包括主板、兩個插件柵極驅動器模塊，以及支持高達5千瓦輸出功率的散熱器和風扇。

碳化硅MOSFET具有較低的導通電阻，可以在開關狀態之間快速地來回切換。因此，它們比絕緣柵雙極晶體管（IGBT）消耗的功率小得多，IGBT具有較慢的關斷速度和較高的關斷開關功率損耗。此外，碳化硅的寬帶隙使碳化硅器件能夠在高壓下工作。相反，硅基MOSFET不能同時實現高阻斷電壓和低導通電阻。因此，碳化硅器件在高功率應用中變得越來越重要。

由于碳化硅器件具有較高的功率水平，因此設計人員必須評估碳化硅器件本身及其柵極驅動器電路。碳化硅技術仍是相對較新的技術，在各種條件下的器件性能還沒有得到充分表征。

評估平臺將使設計工程師能夠評估在轉換器電路應用中連續工作的碳化硅MOSFET，碳化硅肖特基二極管和柵極驅動器電路。評估平臺將有助于加快成功的基于碳化硅的功率轉換器設計的周期，并有助于加快最終產品的上市時間。

圖2：柵極驅動評估平臺的簡化圖。電源配置為半橋輸出級。未顯示的去耦電容器靠近碳化硅器件放置，以在器件切換期間保持電源電壓。去耦電容器和碳化硅器件兩端的電容器充當低通濾波器，以消除直流電源線上的開關噪聲。下面為柵極驅動環路中的寄生電容和電感。

柵極驅動評估平臺可幫助設計人員應對所有這些挑戰。該平臺可以連續在高功率下工作，以表征所選碳化硅MOSFET和二極管的性能。該平臺還可以在多種測試條件下比較不同的柵極驅動器。可以評估柵極驅動器的熱性能，抗電磁干擾能力以及驅動功率元件的能力，以使其高效工作。最后，該平臺允許對設計進行分析，以提高效率，減少電磁干擾（EMI），降低成本，減小尺寸和減輕重量。

柵極驅動評估平臺本質上是一個功率級參考設計平臺，它由一個主板和和一個以半橋配置的兩個碳化硅 MOSFET-碳化硅肖特基二極管對組成。半橋電路在800伏直流總線電壓下可輸出最大5千瓦的功率。主板可以容納兩個獨立的柵極驅動器模塊板，每個開關位置一個。因此，不同的柵極驅動集成電路和柵極驅動設計可以快速方便地安裝在主板上，以評估柵極驅動性能以及驅動器如何影響輸出功率。

柵極驅動評估平臺的第三個主要元素是熱管理，散熱器和冷卻MOSFET-二極管對的風扇。散熱器風扇子系統使功率電路能夠在頻率高達200 kHz的MOSFET二極管對切換時連續輸出高達5 kW的功率。

柵極驅動評估平臺的印刷電路板布局最小化了回路電感和電源電路與柵極電路之間的耦合。兩個柵極驅動電路允許獨立評估頂部和底部柵極驅動質量。

碳化硅 MOSFET和二極管的選擇以及柵極驅動器的選擇是功率轉換設計的最重要決定。MOSFET必須具有電壓，電流和功率規格，才能滿足轉換器的要求。柵極驅動器有更復雜的要求。它應具有較寬的電壓范圍和足夠的輸出電流來驅動功率MOSFET。

圖3：使用降壓轉換器作為負載的柵極驅動器開關損耗測試。此處顯示的是柵極驅動電壓，MOSFET漏源電流和MOSFET漏源電壓。

推薦的驅動電壓為15至20 V，以便將MOSFET切換到導通狀態；推薦電壓為0至-5 V，以便將MOSFET切換到關閉狀態。柵極驅動器的峰值輸出電流范圍為1至15 A，具體取決于MOSFET的功率處理能力。驅動器需要提供高脈沖電流，以減少開關瞬態期間的MOSFET開關損耗。此外，高持續電流和較小的外部柵極電阻可降低碳化硅MOSFET的高頻開關期間的驅動器溫度。

快速碳化硅 MOSFET開關引起的高dv / dt使得高共模電流流經柵極驅動器和功率轉換電路的其余部分。高共模電流會影響控制電路中的參考電壓節點，從而導致誤操作。共模電流的大小由MOSFET dv / dt和共模電流路徑中的阻抗決定。因此，柵極驅動器集成電路及其電源都需要較高的隔離阻抗以減小共模電流。柵極驅動器的隔離電容應小于1 pF。電源的隔離電容應低于10 pF。

傳統的做法是由光耦合器提供隔離。新的集成電路技術可以采用電感或電容隔離。這些新方法被稱為數字隔離器技術。光耦合器和數字隔離器既有優點也有缺點。光耦合器提供電流，從而使其輸入不易受到EMI的影響。但是，光耦合器不能處理像數字隔離器一樣高的數據傳輸速率，并且會帶來更長的脈沖寬度失真時間。脈沖寬度失真時間是指通過驅動器集成電路的信號延遲時間。在半橋電源轉換拓撲中，過多的延遲會產生波形失真和低頻噪聲。

光耦合器的性能隨驅動器電壓，溫度和設備壽命的變化而變化。基于數字隔離器的驅動器在整個溫度范圍內具有更穩定的參數。由于數字隔離器在電壓輸入下工作，因此它們更容易受到EMI的影響。但總的來說，與使用碳化硅 MOSFET的功率轉換電路的柵極驅動器中的光耦合器相比，數字隔離器更穩定的工作參數使其成為更好的選擇。

對于大功率電路，必須采用保護機制來防止器件熱失控以及由于故障而損壞器件和電路。強烈建議采用帶有保護電路的柵極驅動器集成電路。柵極驅動集成電路應具有去飽和（de-sat）保護，故障情況下的軟關斷，米勒鉗位電路和欠壓鎖定（UVLO）。

發生負載短路時，去飽和保護電路會關閉MOSFET。軟關斷可避免較大的瞬態電壓過沖，并在直通故障期間（兩個MOSFET同時同時導通）關閉MOSFET。Miller鉗位電路通過從寄生漏極-柵極電容中釋放電流來避免直通條件，從而避免柵極電壓的瞬態上升。鉗位電路可防止MOSFET在應處于關閉狀態時導通。如果用于柵極驅動器輸入或隔離輸出電路的電壓供應過低，則UVLO電路會關閉柵極驅動器，以保護MOSFET免受不正確的開關時序的影響。這些保護電路確保了更堅固和安全的電源轉換電路。

PCB板布局對動態電路（例如高效功率轉換電路）的性能有重大影響。PCB走線和接地層的寄生電容和電感會增加電路中的寄生電容和電感。柵極驅動回路中的寄生元件會降低MOSFET的開關性能。柵極-源極電容迫使柵極驅動器集成電路產生更高的驅動電流。雜散電感會增加柵極-源極電壓的過沖，并導致在MOSFET開關期間產生振鈴。

為了減少雜散電容和電感，將柵極驅動器，柵極電阻和去耦電容靠近MOSFET柵極，使柵極路徑盡可能短。通過將柵極返回路徑直接布置在柵極電源走線的正下方，將環路電感降至最低。最大化MOSFET柵極走線和漏極走線之間的距離，以減小柵極-漏極電容的大小。這種做法會切斷進入柵極的電流，從而降低米勒效應。

此外，電源轉換電路下方的接地層會增加電容耦合；避免在基于MOSFET開關的功率轉換電路中使用接地層。所有這些PCB布局建議均已在柵極驅動評估平臺中實施，以避免定制測試板的設計，布局和測試。

圖4：產生波形的測試條件：輸入電壓= 800V，輸出電壓= 400V，開關頻率= 100kHz，輸出功率= 2.5kW

柵極驅動評估平臺通過使用不同的柵極驅動集成電路可以方便地比較開關損耗和開關瞬態。考慮為在連續開關條件下工作的降壓轉換器評估柵極驅動器的情況。降壓轉換器的工作頻率為100 kHz，輸出為2.5 kW。

驅動器集成電路的驅動能力和所使用的外部柵極電阻將影響碳化硅 MOSFET的開關瞬變和整體開關損耗。在此測試中，第一個柵極驅動器的額定驅動電流為14 A，第二個柵極驅動器的額定驅動電流為2A。每個柵極驅動器均使用10Ω和1Ω柵極電阻進行測試。

圖5：具有兩個不同的驅動器集成電路和一個10Ω和2Ω柵極電阻的MOSFET導通瞬變。綠色軌跡：IXDN614。灰色軌跡IXDN602

10Ω柵極電阻消除了柵極驅動器性能上的差異。10Ω的柵極電阻會降低MOSFET的瞬態開關速度，從而增加開關損耗。高輸出電流驅動器和低輸出電流驅動器之間的差異更加明顯。當以較低的柵極電阻使用高輸出電流驅動器時，MOSFET的開關速度更快。與較高的柵極電阻相比，較低的柵極電阻確實在開關轉換期間產生更多的振鈴。設計人員必須找到柵極驅動器，柵極電阻和MOSFET的最佳組合，以最大程度地降低開關損耗。

柵極驅動器評估平臺可借助散熱器和風扇來評估驅動器集成電路的熱性能，這些散熱器和風扇使MOSFET能夠在連續開關輸出狀態下工作。該平臺還可用于測試驅動器保護功能。

簡而言之，柵極驅動評估平臺是一種有助于對碳化硅器件和柵極驅動器進行評估的工具。通過將柵極驅動模塊插入主板，設計人員可以很容易地比較不同柵極驅動器集成電路的效率和熱性能。設計人員可以使用評估平臺上的PCB布局技術和推薦元件來克服碳化硅器件的設計挑戰，從而開發出高效，熱可控和受保護的電源轉換電路。因此，該評估平臺可以更快地設計高效的功率轉換電路，并加快產品上市時間。