發布日期：2022-04-28 點擊率：30
作為電源電子工程師，有一個說法是沒有成功不基于電源設備爆炸的教訓。這在我多年調試基于硅的MOSFET的開關模式電源的經驗中似乎是真的。正是通過嘗試、錯誤和研究設備故障，才學會了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。更嚴格的柵極環路設計要求，更高的dv/dt和共源電感的影響使得電路對寄生和噪聲更敏感。當TI推出第一個600V GaN功率級樣品時，我驚嘆于該產品的可靠性和其自我保護功能的有效性。即使功率級已經通過嚴格的測試驗證，我以前的硅器件經驗讓我對其在實際使用中的可靠性也感到好奇。更重要的是，這些功能會改變電路原型和調試的傳統智慧嗎？
在最近的交錯式轉換器設計中，我使用了兩個具有一些基本直流總線設計的TI半橋LMG3410-HB-EVM評估模塊（EVM），由UCD3138數字脈寬調制（PWM）控制器控制。當兩個交錯的半橋結合在一起時，我看到PWM信號反復受到高dv/dt（100V /ns）的影響，在480V引起擊穿FET，觸發集成過流保護（圖1）。
與大多數FET——在這種情況下會失效——不同，LMG3410集成功率級使我能夠在不發生損壞的情況下重復故障條件，快速調試到根本原因。這可能會非常辛苦的，而且傳統器件可能會不安全。
圖1：擊穿事件之后功率級自動關閉（藍色：上部FET PWM；黃色：下部FET PWM；綠色：電感器電流）
通過RDRV改變轉換速率，我發現單相操作的50V/ns或100V/ns工作穩定，而使用兩相操作的100V/ns則不然。根本原因是共模（CM）噪聲污染和控制器外圍電路的非優化布局，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：故障信號觸發）
TI的ISO7831數字信號隔離器提供了足夠高的CM瞬態抗擾度（CMTI）速率（>100V/ns），但隔離電源（通常具有高得多的CM電容）很容易以高dv/dt將噪聲從開關節點電壓耦合到控制側（圖3）。隨著多個相位同時操作，更多的CM噪聲會被注入到控制側。
電源設計人員有時忽視了這個問題，因為硅器件和一些帶有外部驅動器的GaN FET不會實現這么高的轉換速率。我成功地解決了這個問題，通過在上部FET的隔離電源上增加額外的CM扼流圈，改善了數字控制器的去耦環路，降低了控制器的接地彈跳和噪聲耦合。由于LMG3410的集成保護功能，在整個調試過程中，盡管多次出現CM噪聲引起的故障，我沒有遇到任何災難性故障。
圖3：隔離電源和數字隔離器之間的CM電容
除了過流故障，過熱事件是電源轉換器中常見的情況。雖然有經驗的工程師具有良好的散熱設計技能，但保持器件結點的冷卻仍然具有挑戰性，而且沒有太大的錯誤余地。隨著時間的推移，風扇故障或散熱器損壞等事件可能導致災難性故障。‘幸運的是，LMG3410集成了過熱保護，當我的風扇電源意外關閉時，LMG341就會起到保護作用。熱脫扣點設置為165°C，為短暫的溫度漂移留出足夠的空間，但防止器件因與冷卻相關的系統故障而遭受永久性損壞。
盡管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呈現出越來越大的挑戰。TI GaN產品的保護和其他集成功能正在改變使用分立Si MOSFET了解高速開關轉換器設計復雜性的傳統智慧。這些產品不僅在我們調試新設計時保護器件免受永久性損壞，還通過防止長期工作時的柵極過應力來提高可靠性，因為集成驅動器設計減少了柵極振蕩。
依據摩爾定律，全世界電子產品的尺寸已大幅降低，系統密度得到改善。由于GaN技術的發展和推出易于使用的GaN功率級（如具有自我保護功能的LMG3410），這一趨勢現在將發展到電源電子產品。
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