發布日期：2022-04-20 點擊率：26
作為一名電力電子工程師，有句話說得好，沒有從電力設備爆炸中吸取的教訓，就沒有成功。在我多年使用硅基 MOSFET 調試開關模式電源的經驗中，這似乎是正確的。通過反復試驗和對設備故障的研究，我們可以學習如何設計可靠工作的轉換器。
在氮化鎵 (GaN) 功率 FET 的早期階段，故障很常見。更嚴格的門環設計要求、更高的 dv/dt 以及共源電感的影響都使電路對寄生效應和噪聲更加敏感。當 TI 的首批600V GaN 功率級樣品問世時，我驚嘆于該產品的穩健性及其自我保護功能的有效性。盡管功率級已經通過嚴格的測試驗證，但我之前使用硅部件的經驗讓我對它在實際使用中的穩健性感到好奇。更重要的是，這些功能是否會改變電路原型設計和調試的傳統智慧？
在最近的交錯式轉換器設計中，我使用了兩個 TI 半橋 LMG3410-HB-EVM 評估模塊 (EVM)，其中包含一些基本直流總線設計，由 UCD3138 數字脈寬調制 (PWM) 控制器控制。當兩個交錯式半橋一起工作時，我看到 PWM 信號反復受到高 dv/dt (100V/ns) 的影響，導致 480V 的 FET 直通并觸發集成過流保護（圖 1）。
與大多數 FET（在這種情況下會發生故障）不同，LMG3410 集成功率級使我能夠在不損壞的情況下重復故障條件，并快速調試到根本原因。對于傳統零件來說，這將是非常費力的，并且可能不安全。
圖 1：擊穿事件后功率級的自關斷（藍色：上部 FET PWM；黃色：下部 FET PWM；綠色：電感器電流）
通過 R DRV改變壓擺率，我發現單相操作的 50V/ns 或 100V/ns 具有穩健的操作，而兩相操作的 100V/ns 則沒有。根本原因是共模 (CM) 噪聲污染和控制器外圍電路的未優化布局，導致不同 PWM 通道之間的時鐘同步不匹配（圖 2）。
圖 2：PWM 不同步導致電感電流浪涌（藍色：上部 FET PWM；黃色：下部 FET PWM；綠色：電感電流；紅色：觸發故障信號）
TI 的 ISO7831 數字信號隔離器提供足夠高的 CM 瞬變抗擾度 (CMTI) (>100V/ns)，但隔離電源（通常具有更高的 CM 電容）很容易將來自開關節點電壓的噪聲耦合到控制在高 dv/dt 下接地（圖 3）。由于多相同時運行，更多的共模噪聲會被注入控制側。
電源設計人員有時會忽略這個問題，因為硅器件和一些帶有外部驅動器的 GaN FET 無法實現如此高的壓擺率。我通過在上部 FET 的隔離電源上添加額外的 CM 扼流圈并改進數字控制器的去耦回路成功解決了該問題，從而減少了控制器的接地彈跳和噪聲耦合。得益于 LMG3410 的集成保護功能，我在整個調試過程中沒有遇到過一次災難性故障，盡管多次出現 CM 噪聲引起的故障。
圖 3：隔離電源和數字隔離器之間的 CM 電容
除了過流故障，過溫事件在電源轉換器中也很常見。盡管經驗豐富的工程師具有良好的熱設計技能，但保持器件結點冷卻仍然具有挑戰性，并且容錯率不大。隨著時間的推移，風扇故障或散熱器劣化等事件可能導致災難性故障。幸運的是，LMG3410 集成了過溫保護，當我的風扇電源意外關閉時，它來救我了。熱跳變點設置為 165 ° C，為短暫的溫度偏移留出足夠的余量，但可防止設備因與冷卻相關的系統故障而遭受永久性損壞。
雖然 GaN 在系統效率、尺寸和冷卻方面具有優勢，但其高開關速度和頻率也帶來了越來越多的挑戰。
TI GaN 產品的保護和其他集成功能正在改變使用分立 Si MOSFET 的傳統智慧，讓我們了解高速開關轉換器設計的復雜性。這些產品不僅可以在我們調試新設計時保護設備免受永久性損壞，而且還可以通過防止長期運行下的柵極過應力來提高穩健性，因為集成驅動器設計減少了柵極振鈴。
世界已經見證了摩爾定律帶來的電子產品的巨大擴展和系統密度的提高。由于 GaN 技術的發展以及易于使用的 GaN 功率級（如具有自我保護功能的 LMG3410）的推出，這種趨勢現在正在進入電力電子領域。
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