栅极隔离驱动芯片CMTI不够导致Mosfet驱动信号失真
2021-11-25 20:33 斑鸠，一生。 阅读(2854) 评论(0) 编辑 收藏 举报最近做了一个1500W的Boost PFC + 半桥LLC的电路，
前级是交错Boost PFC电路，后级是不对称半桥LLC电路。
遇到一个很奇葩的现象：
1、现象描述
当前级和后级单独工作时，两级电路都能正常工作。
当前级和后级一起工作时，
当输入交流电压很低时，LLC母线电压也很低，两级电路能串联工作。
当输入交流电压逐渐升高，LLC母线电压也逐渐升高，前级会影响到后级LLC上管的驱动。
当输入电压持续升高时，LLC母线电压持续升高，LLC上管的驱动波形最低点到零，导致驱动波形丢失。
2、故障波形
驱动芯片使用SI8233，CMTI典型值为45kV/uS，测量故障波形下图所示。
当输入电压越高时，dv/dt越大，导致驱动芯片故障，输出上管驱动失真严重，严重时有炸管危险。
3、原因分析
本次设计均采用的隔离驱动。
隔离前一端的地与控制器连接，隔离后一端的地一般要接到悬浮开关管的源端，一般这一点的电平是跳变点。
当开关管开通和关断的时间不变时，随着输入电压越来越高，由开关管产生的dV/dt就越大。dt是您设计的驱动电路和选用开关管的质量决定的，GaN、SiC比普通Si速度更快。dV是由您设计工作的开关管Vds决定的。
CMTI （Common mode transient immunity）：瞬态穿过隔离层以破坏驱动器输出状态所需最低上升或下降的dv/dt，为两个隔离电路之间施加的共模电压的最大可容忍速率。
按照上图所示的方法，在隔离驱动的原边地与副边地之间，添加一个干扰源。
当输入一个固定高或者低电平时，Common Mode Surge 会对输出产生下图的干扰。
当输入驱动是一个PWM脉冲时，输出受到Common Mode Surge 的影响。
当原副边存在过高的dV/dt，会造成芯片的闩锁效应。造成一直输出高电平。
常见的驱动芯片隔离驱动方案有：光耦隔离、磁隔离和电容隔离三种。受工艺的影响，三种隔离驱动的CMTI值不同。
本次使用的隔离驱动芯片是通过将输入信号通过射频载波，调制成射频传输信号，然后通过接收器的解调还原原来的驱动信号。当外部的dV/dt足够强烈的时候，会影响到射频信号的生成。那么，接受端经过解调后，得不到与原始一致的驱动信号。
小结：开关瞬态造成高的dV/dt；耦合电容提供了耦合路径；如果电源系统或者芯片的CMTI能力不行的话，将造成隔离原边的地产生干扰,过高的dv/dt还会造成芯片进入闩锁状态。
example：
假如隔离芯片原副边的寄生电容是60pF，副边开关管电压变化速率为140kV/us。
那么在副边开关管高速开关瞬间，会产生大约6A的电流从副边的地通过耦合电容耦合到原边的地，原边的地产生瞬时尖峰，进而干扰控制器的正常运行。
因此，选择具有合适的CMTI的电源系统或者驱动芯片，对于系统正常运行很重要吧。
4、解决办法
1、选用具有更高CMTI参数的栅级隔离驱动芯片，栅极驱动的CMTI至少大于开关管产生的dV/dt。
2、隔离电源的地线不要平行地铺在2层功率PCB之间，那样干扰会更加强烈。
3、减少原副边之间的分布电容。
5、实验改进测试结果
将LLC的驱动芯片由si8233换成si8273，其他电路未做改变。
驱动芯片的CMTI典型值由45kV/us换成了200kV/us，测量波形如下：
测量结果：驱动芯片在输入电压全范围内正常工作。
这次故障验证了的确是由驱动芯片的CMTI值过低，造成驱动异常。
以后驱动芯片选型的时候，芯片的CMTI值需大于开关管实际产生的dV/dt值。
6、参考文献
【1】evans Joe.制约开关电源频率提升的局限是什么？知乎，2017-05-09
【2】Wei Zhang, Mateo Begue.Common Mode Transient Immunity for UCC2122x Isolated Gate Drivers.Texas Instruments, 2018.8
【3】业余坐家，CMTI 参数对于隔离驱动器选型的重要性，CSDN,2020,11,07
