最新的宽带隙 (WBG) 半导体在高电压下拥有超倏地切换和低损耗，已接近现实状况，而当代 MOSFET 和沟槽 IGBT 也能够表现高 dV/dt 和 di/dt 程度。然而，“低侧”电路中的倏地切换大概会将瞬态电压耦合到栅极驱动电路，致使操纵紊乱或毁坏，而“高侧”栅极驱动器还会遭到旌旗灯号和电源断绝的压力。本文研讨了这些影响并说明了若何加重这些影响，以及评价压力和毁坏（特别是部分放电 (PD)）的试验效果。
当代半导体开关接纳宽带隙 (WBG) 手艺，以至 MOSFET 和一些 IGBT，可以或许完成极快的开关速率。这减少了开关转换时期的耗散，从而同意以高效率、更高功率密度、更小的无源元件和更低的本钱完成更高频次的操纵。然而，因为 dV/dt 和 di/dt 程度较高，是以存在增添 EMI 和对栅极驱动绝缘体系施加压力的瑕玷。
图 1 表现了 IGBT 的典范栅极驱动电路，施加 5V 至 20V 之间的正电压以关上器件，施加 0V 以封闭器件。动态上，该电路也异常适宜 SiC 和 GaN 手艺中的增强型 Si MOSFET 和 WBG 器件 - 在所有情况下，只需施加继续栅极 0V，器件就可以保障封闭。
图 1：简略的栅极驱动电路
然而，当器件倏地切换时，就会涌现题目，寄生电容和电感元件（如图 2 所示）就会发扬感化。假如咱们以漏源电流的 di/dt 值为 10A/ns（这在最进步前辈的 GaN 器件中是可行的）和源电感为 15nH 的情形为例，依据 V = - L di/dt，电感器两头会涌现 150V。在开关封闭时，电压将源极拉向负极，与栅极驱动相同；在开关关上时，偏向为正，再次与栅极驱动相同。
其前因多是服从丧失，以至因为虚伪开启致使击穿而造成毁坏。15nH 大概看起来很大，但仅代表约 25mm 的 PCB 轨道。即使是 PCB 通孔也有约 1.2nH 的电感，发生 12V 的瞬态电压。实际上，在这些高 di/dt 程度下，惟独芯片级封装才是有用的，应用开尔文连接到栅极和源极以举行栅极驱动。当无奈防止某些电感时，用负电压驱动栅极以达到关断状况会有所赞助。
图 2：含有寄生元件的栅极驱动
在实践电路中，比方逆变器或机电操纵中的推挽式或全桥式电路，两个低侧器件平日同享源极和栅极驱动电流的大众回路，如图 3 所示。
图 3：同享大众接地的低侧器件
当初无奈举行开尔文连贯，由于有两个驱动器，每一个驱动器都有本人的回路。两个驱动器接地和两个发射极（源极）连贯必需连贯在一起，假如这个点在物理上位于 Powergnd 1，接近左边开关，则右边开关的源极连贯电感将比左边开关大，从而致使不对称切换、潜伏的 EMI 和电感两头的感应电压造成的毁坏。为了完成对称，点“Powergnd 2”是仅有的抉择，但这是一个蹩脚的调和计划，由于当初两个源极在栅极驱动环路中拥有相称但较大的连贯电感，特别是在设置装备摆设大概物理上不靠近的高功率体系中。
一种解决计划是向两个栅极驱动器供应断绝的旌旗灯号和电源，如图 4 所示。当初，驱动器旌旗灯号和电源前往能够间接连接到它们各自的设置装备摆设发射器（源），从而消除驱动环路中的大多数内部电感。
高端开关挑衅
图 4 的安置解决了 di/dt 致使发射极（源极）电感发生栅极电压瞬变的题目。它平日也用于“H”桥中的两个“高端”开关，此中两个栅极驱动回路实际上是反相开关节点，是以必需互相断绝。
在高端设置中，高开关电压当初出现在栅极驱动断绝元件上，并大概致使其余题目。依据 I = C dV/dt，高 dV/dt 是大概经由过程断绝电容的位移电流安培数的题目。因为边缘速度很轻易达到 100V/ns，10pF 樊篱电容将经由过程一安培电流，流经栅极驱动电路的低级，可能会中缀操纵。
图 4：接纳开尔文连贯举行旌旗灯号和电源断绝的栅极驱动器
栅极驱动旌旗灯号断绝元件一般为光耦合器或变压器，偶然也应用电容耦合。断绝栅极驱动器 IC 的功能由表 1 中的关头参数给出，此中 CMTI 是与咱们的高 dV/dt 电路最相干的共模瞬态抗扰度。然而，这个值是实验室测量值，很多是单脉冲。没有提到继续低压、高 dV/dt 波形的可靠性。、
表 1：断绝栅极驱动器的关头参数
其余参数 VIORM/VIOWM/VIOTM/VPR 也很首要，但异样与咱们的开关电路没有间接瓜葛，由于规范测试平日界说为 50/60Hz、DC 或峰值。独自的栅极驱动变压器拥有与规格近似的限定，平日只是简略的“低压”测试，继续一秒或一分钟，通常在某个 DC 电平或 50/60Hz 的 AC 下。很少能找到在绕组或以至 CMTI 上施加的高频高开关电压下的可靠性评级。
关于变压器，取得高绝缘的要领因使用而异；漆包线能够禁受一次“低压”测试，但不靠得住，漆层上简直确定会有针孔。平安机构当然不允许将其作为任何电压下的平安樊篱。绝缘性更好的电线（如“三重绝缘”范例）能够取得平安机构的同意，但体积重大，致使变压器拥有相对于较高的耦合电容和位移电流。
现实的布局是绕组经由过程氛围以保障的间隔举行物理分手，以餍足平安机构的请求，供应低绕组间电容，而且不依赖可能会遭到部分放电影响的固体资料。
完整沟通的思量也适用于断绝栅极驱动电源内的变压器，此中 CMTI 额定值平日会被省略，而且低压断绝会以多种体式格局指定。
部分放电效应
咱们提到过部分放电 (PD)，即固体绝缘资料在遭到低压应力时飞快退步。这类效应是由材估中微孔的继续分化惹起的，假如资料是无机范例，则会致使等离子体碳化。空地空闲会造成永久性短路，下降无效的团体绝缘厚度，致使残剩绝缘层上的电压场强更高，终究致使完整失控毛病。PD 效应俄然开始于“肇端”电压，该电压取决于空地空闲中的气体、压力和空地空闲巨细，并以“帕申”曲线为特性 [1]。关于切换电压，起始点还取决于频次。
表 2：“BIER”测试设置
图 5：绕组之间拥有物理断绝的栅极驱动变压器
图 5：绕组之间拥有物理断绝的栅极驱动变压器
即使是块状资料的击穿电压不该仅从外貌判别比方，玻璃被认为是一种极好的绝缘体，其击穿电压约为 60kV妹妹 - 但这是 60Hz 时的击穿电压。在 1MHz 时，该数字不到非常之一，约为 5kV妹妹因为某些栅极驱动 IC 的绝缘间隔小于 10是以需求子细思量高频效应是以，开关电压程度、dV/dt频次评价绝缘可靠性关头参数。还应评价因为过冲和寄生电容和电感谐振发生的瞬态电压，并将其添加到体系电压中。
图6：PD测试评价电路
栅极驱动电源制造商 RECOM曾经意想到 DC-DC 转换器产物中的变压器在高开关共模电压下存在潜伏题目，并与格拉茨工业大学和约翰内斯堡使用手艺大学的绝缘资料专家 Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn. Christof Sumereder分工开展了一项研讨。这项事情外部代号为“BIER樊篱绝缘评价研讨包孕对 30 个半桥功率评价，这些功率特地接纳断绝高下侧开关构建，如图 6 所示。构建了三种分歧设置，如表 2 所示，并在 70°C 环境温度、1000V 直流电轨、50kHz 开关频次和 65kV/μs 边缘速度运转 1464 小时。
PD评价效果
图7：PD评价效果
T1 不属于测试的一部分
在测试运转以前以后进行了部分放电丈量效果注解，在所用设置功能没有显然降低部分放电肇端电压保持在施加的峰值开关电压的两倍以上注解精良展望靠得住长时间运转残缺呈报可从 RECOM 网站猎取。
推挽和桥式电路中栅极驱动器旌旗灯号和电源断绝解决了“低侧”和“高侧”电路中电压瞬变耦合到栅极题目。然而断绝元件在高频边际速度下仍然会遭到高共模电压应力实践部分放电测试注解，栅极驱动器 DC-DC 电源断绝元件能够设想拥有精良长时间可靠性。RECOM领有一系列 DC-DC 转换器输入电压断绝额定值适用于 IGBT、SiC 和 GaN手艺的高侧栅极驱动器。
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