【導讀】新的技術與市場趨勢不斷對功率能力和解決方案尺寸提出更高需求。電動汽車、可再生能源微電網
、海量儲能和大功率電信應用的發展也對功率密度提出了更高的要求。

以(yi)往(wang)專(zhuan)用(yong)於(yu)特(te)定(ding)大(da)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)現(xian)在(zai)在(zai)日(ri)常(chang)應(ying)用(yong)中(zhong)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)普(pu)遍(bian)
，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)曾(zeng)經(jing)可(ke)原(yuan)諒(liang)的(de)性(xing)能(neng)問(wen)題(ti)現(xian)在(zai)也(ye)變(bian)得(de)無(wu)法(fa)忍(ren)受(shou)。這(zhe)類(lei)應(ying)用(yong)的(de)主(zhu)要(yao)限(xian)製(zhi)傳(chuan)統(tong)上(shang)來(lai)自(zi)於(yu)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)技(ji)術(shu)，尤(you)其(qi)是(shi)矽(gui)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)性(xing)能(neng)限(xian)製(zhi)。但(dan)寬(kuan)禁(jin)帶(dai) (WBG) 半導體的出現突破了這個瓶頸，實現了高壓、高頻的電源變換器設計。

然ran而er，高gao功gong率lv和he高gao速su率lv的de結jie合he為wei設she計ji人ren員yuan設she計ji變bian換huan器qi帶dai來lai一yi係xi列lie新xin的de問wen題ti。例li如ru
，電dian源yuan轉zhuan換huan模mo塊kuai中zhong的de高gao電dian壓ya與yu控kong製zhi模mo塊kuai中zhong的de弱ruo小xiao信xin號hao電dian路lu之zhi間jian會hui產chan生sheng不bu必bi要yao的de耦ou合he，本ben文wen將jiang主zhu要yao討tao論lun這zhe種zhong情qing況kuang帶dai來lai的de危wei害hai。

對隔離式柵極驅動器的需求

柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)是(shi)很(hen)多(duo)電(dian)源(yuan)變(bian)換(huan)器(qi)中(zhong)的(de)常(chang)用(yong)元(yuan)件(jian)。由(you)於(yu)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)在(zai)低(di)電(dian)壓(ya)下(xia)運(yun)行(xing)，控(kong)製(zhi)器(qi)無(wu)法(fa)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)的(de)電(dian)力(li)來(lai)快(kuai)速(su)安(an)全(quan)地(di)打(da)開(kai)或(huo)關(guan)閉(bi)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)。因(yin)此(ci)
，來(lai)自(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)信(xin)號(hao)被(bei)發(fa)送(song)到(dao)可(ke)以(yi)承(cheng)受(shou)更(geng)高(gao)功(gong)率(lv)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)，由(you)其(qi)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)來(lai)驅(qu)動(dong) MOSFET 的柵極。

在大功率或高電壓應用中工作時，電路中的元件會受到大電壓漂移和大電流的影響。如果功率 MOSFET 到(dao)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)電(dian)流(liu)泄(xie)漏(lou)，則(ze)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)中(zhong)涉(she)及(ji)的(de)高(gao)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)很(hen)容(rong)易(yi)燒(shao)毀(hui)晶(jing)體(ti)管(guan)
，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)大(da)麵(mian)積(ji)擊(ji)穿(chuan)。另(ling)外(wai)
，大(da)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)還(hai)需(xu)要(yao)在(zai)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)隔(ge)離(li)，以(yi)保(bao)護(hu)用(yong)戶(hu)以(yi)及(ji)連(lian)接(jie)到(dao)變(bian)換(huan)器(qi)下(xia)遊(you)的(de)任(ren)何(he)其(qi)他(ta)設(she)備(bei)。

gelikeyicaiyongduozhongjizhihecailiaolaishixian
，meizhongfangfadouyouqizishendeyoushi。buguo，muqiangaoxingnengxitongzuichangyongdefangfahaishirongxingouhe，yinweitabidiangangelizhanyongkongjiangengshao，biguangouheqigengjiakekao，bingqienenggoutigongwukebinidegelinengli。tu 1 顯示了一個隔離式驅動器的原理圖。

圖1: 隔離式驅動器原理圖

容(rong)性(xing)隔(ge)離(li)器(qi)采(cai)用(yong)兩(liang)個(ge)串(chuan)聯(lian)的(de)電(dian)容(rong)。這(zhe)些(xie)電(dian)容(rong)基(ji)於(yu)矽(gui)芯(xin)片(pian)，並(bing)以(yi)氧(yang)化(hua)矽(gui)作(zuo)為(wei)電(dian)介(jie)質(zhi)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)厚(hou)電(dian)介(jie)質(zhi)進(jin)行(xing)構(gou)建(jian)，這(zhe)些(xie)電(dian)容(rong)可(ke)以(yi)承(cheng)受(shou)極(ji)高(gao)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)壓(ya)而(er)不(bu)會(hui)被(bei)擊(ji)穿(chuan)。這(zhe)種(zhong)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)是(shi)將(jiang)來(lai)自(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de) PWM 信xin號hao調tiao製zhi為wei高gao頻pin信xin號hao，然ran後hou生sheng成cheng一yi個ge差cha分fen電dian壓ya對dui以yi將jiang該gai信xin息xi發fa送song到dao電dian容rong。這zhe樣yang，調tiao製zhi信xin號hao可ke以yi通tong過guo隔ge離li屏ping障zhang而er不bu會hui丟diu失shi任ren何he數shu據ju。通tong過guo屏ping障zhang後hou
，信xin號hao在zai與yu驅qu動dong電dian路lu交jiao互hu之zhi前qian被bei解jie調tiao。

容(rong)性(xing)隔(ge)離(li)的(de)主(zhu)要(yao)益(yi)處(chu)在(zai)於(yu)整(zheng)個(ge)隔(ge)離(li)式(shi)驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)以(yi)被(bei)輕(qing)鬆(song)集(ji)成(cheng)到(dao)單(dan)個(ge)芯(xin)片(pian)中(zhong)，因(yin)為(wei)電(dian)容(rong)采(cai)用(yong)了(le)與(yu)其(qi)他(ta)驅(qu)動(dong)器(qi)組(zu)件(jian)相(xiang)同(tong)標(biao)準(zhun)的(de)微(wei)電(dian)子(zi)工(gong)藝(yi)製(zhi)造(zao)。MPS還提供同時具備上管和下管電源開關驅動器的 IC，例如隔離式半橋柵極驅動器 MP18831。

重要參數：隔離和 CMTI

隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)之(zhi)一(yi)是(shi)其(qi)隔(ge)離(li)電(dian)壓(ya)額(e)定(ding)值(zhi)。擁(yong)有(you)恰(qia)當(dang)的(de)隔(ge)離(li)電(dian)壓(ya)對(dui)於(yu)保(bao)護(hu)用(yong)戶(hu)免(mian)受(shou)潛(qian)在(zai)的(de)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)危(wei)害(hai)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)
，它(ta)還(hai)可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)意(yi)外(wai)的(de)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)破(po)壞(huai)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)源(yuan)的(de)其(qi)他(ta)電(dian)路(lu)。另(ling)外(wai)，隔(ge)離(li)電(dian)壓(ya)還(hai)可(ke)使(shi)變(bian)換(huan)器(qi)內(nei)部(bu)信(xin)號(hao)免(mian)受(shou)噪(zao)聲(sheng)或(huo)意(yi)外(wai)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)帶(dai)來(lai)的(de)幹(gan)擾(rao)。

隔離度通常表示為隔離層可以承受的電壓量。在大多數數據手冊中，隔離電壓常表達為最大峰值隔離電壓

、工作隔離電壓和 RMS 隔離電壓等參數。

但dan是shi，由you於yu電dian壓ya和he頻pin率lv增zeng大da，柵zha極ji驅qu動dong器qi將jiang麵mian臨lin斜xie率lv非fei常chang大da的de大da幅fu度du電dian壓ya漂piao移yi。如ru果guo這zhe些xie電dian壓ya瞬shun變bian足zu夠gou快kuai，電dian壓ya中zhong的de某mou些xie高gao頻pin分fen量liang可ke能neng無wu法fa被bei傳chuan統tong隔ge離li方fang法fa阻zu斷duan。共gong模mo瞬shun態tai隔ge離li (CMTI) 可以阻斷這些高頻電壓分量耦合並穿過隔離屏障，從而實現電路的保護。

隨著總線電壓和開關頻率的不斷提高，CMTI 在柵極驅動器中變得越來越重要。如果 CMTI bugougao，gaogonglvzaoshengkenenghuiouhedaogelishizhajiqudongqi
，congerchanshengdianliuhuanlubingdaozhidianhechuxianzaikaiguanzhajishang。dangdianhezugouda
，zhajiqudongqikenenghuijiangzaoshengwujieweiqudongxinhao

，congerjichuanbingdaozhiyanzhongdedianluguzhang。tu 2 顯示了在 CMTI 不足的情況下，電荷是如何通過隔離屏障耦合的。

圖 2： CMTI 不足導致的驅動器電荷耦合

隔離式柵極驅動器保護：米勒鉗位和 DESAT 保護

tongguogelipingzhangdejishengouhekenengbushijichuandeweiyiyuanyin。laizikaiguanjiediandedianyayekenengtongguojingtiguanzishendejishengouheouhedaojingtiguandezhaji。zhezhongouhetongchangyou MOSFET 的等效寄生電容（稱為米勒電容）產生。米勒電容在高頻、高壓開關中會引起嚴重的問題。

因為電容存在自然高通行為，高頻電壓會通過米勒電容耦合，繞過 MOSFET 柵極和溝道之間的隔離屏障。

這意味著電流將流過柵極節點，為柵極充電並可能觸發開關。一旦發生這種情況，總線電壓和 GND 之間就會建立起一條直接的路徑
，導致直通電流和變換器效率損失。

有源米勒鉗位是由一個比較器和一個附加 MOSFET 組成的低阻抗路徑。當上管 FET 導通時，它將下管 FET 的柵極連接到地。該過程將通過米勒電容的電流從柵極重定向到地，從而降低了柵極電荷並避免了不需要的柵極驅動。圖 3 展示了帶與不帶米勒鉗位時的開關半橋瞬態交叉傳導原理。 其中圖 3a 為沒有米勒鉗位時的原理圖；圖 3b 為帶米勒鉗位時的原理圖。

圖3: 開關半橋瞬態交叉傳導原理

柵極積累的電荷還可能導致其他問題
，例如去飽和。去飽和是指 MOSFET feizizhudijinrufeixianxingquyudeguocheng。gaicaozuoquyuxiaolvjidi
，yincicongbuyongyugonglvzhuanhuan。tahuishigonghaozengjia
，bujinxitongxiaolvjiangdi，haikenengdaozhikaiguansunhuai。weibimianzhezhongqingkuang，kecaiyongDESAT 保護電路來檢測開關兩端的電壓，在其超過去飽和閾值時停止為柵極供電（參見圖 5）。

圖 4：MOSFET 工作區域及去飽和保護原理

Conclusion

寬禁帶（WBG）半導體的引入不僅提高了開關頻率
，還提高了功率要求
，這使隔離成為電源變換器設計的關鍵環節。高隔離度和高CMTI 額定值是確保用戶和連接到電源的設備免受意外電流泄漏傷害的關鍵特性。而去飽和保護和有源米勒鉗位等保護功能則可以確保 MOSFET 的安全運行。

MPS 提供多種隔離式柵極驅動器，例如 MP18831, 這是一款具有可配置死區時間控製且專為半橋變換器拓撲而設計的雙通道驅動器。

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