實(shí)現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器可用于許多應(yīng)用，從要求高功率密度和效率的隔離式DC-DC電源模塊，到高隔離電壓和長(zhǎng)期可靠性至關(guān)重要的太陽(yáng)能逆變器等等，不一而足。本文將詳細(xì)闡述這些設(shè)計(jì)理念，探索隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案在提供高性能和小尺寸方面的卓越能力。

隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器的功能是驅(qū)動(dòng)上橋臂和下橋臂N溝道MOSFET(或IGBT)的柵極，通過(guò)低輸出阻抗降低導(dǎo)通損耗，同時(shí)通過(guò)快速開(kāi)關(guān)時(shí)間降低開(kāi)關(guān)損耗。上橋臂和下橋臂驅(qū)動(dòng)器需要高度匹配的時(shí)序特性，以實(shí)現(xiàn)精確高效開(kāi)關(guān)操作。這減少了半橋關(guān)斷和開(kāi)通之間的死區(qū)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)功能的典型方法是使用光耦合器進(jìn)行隔離，后跟高壓柵極驅(qū)動(dòng)器IC，如圖1所示。該電路的一個(gè)潛在問(wèn)題是，僅有一個(gè)隔離輸入通道，而且依賴高壓驅(qū)動(dòng)器來(lái)提供通道間所需的時(shí)序匹配以及應(yīng)用所需的死區(qū)。另一問(wèn)題是，高壓柵極驅(qū)動(dòng)器并無(wú)電流隔離，而是依賴結(jié)隔離來(lái)分離同一IC中的上橋臂驅(qū)動(dòng)電壓和下橋臂驅(qū)動(dòng)電壓。在下橋臂開(kāi)關(guān)事件中，電路中的寄生電感可能導(dǎo)致輸出電壓VS降至地電壓以下。發(fā)生這種情況時(shí)，上橋臂驅(qū)動(dòng)器可能發(fā)生閂鎖，并永久性損壞。

圖1. 高壓半橋柵極驅(qū)動(dòng)器

光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器

另一種方法(如圖2所示)利用兩個(gè)光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出之間的電流隔離，從而避免了上橋臂-下橋臂交互作用的問(wèn)題。柵極驅(qū)動(dòng)器電路往往置于與光耦合器相同的封裝中，最常見(jiàn)的情況是，兩個(gè)獨(dú)立的光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器IC構(gòu)成完整的隔離式半橋，結(jié)果使解決方案尺寸變大。需要注意的是，光耦合器是作為分立式器件生產(chǎn)的，即使兩個(gè)光耦合器封裝在一起亦是如此，因此，它們的通道間匹配存在限制。這會(huì)增加關(guān)閉一個(gè)通道與打開(kāi)另一個(gè)通道之間的死區(qū)，從而導(dǎo)致效率下降。光耦合器的響應(yīng)速度同樣受到原邊發(fā)光二極管(LED)電容的限制，而且將輸出驅(qū)動(dòng)至高達(dá)1 MHz的速度也會(huì)受到其傳播延遲(最大值為500 ns)以及較慢的上升和下降時(shí)間(最大值為100 ns)的限制。要使光耦合器達(dá)到最高速度，需要將LED電流增加至10 mA以上，這會(huì)消耗更多功率，縮短光耦合器的壽命并降低其可靠性，尤其是在太陽(yáng)能逆變器和電源應(yīng)用中常見(jiàn)的高溫環(huán)境下。

圖2. 光耦合器半橋柵極驅(qū)動(dòng)器

脈沖變壓器柵極驅(qū)動(dòng)器

接下來(lái)，我們將探討電流隔離器，由于它們具有更低的傳播延遲、更精確的時(shí)序，因此速度比光耦合器更高。脈沖變壓器是一種隔離變壓器，其工作速度可以達(dá)到半橋柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用通常所需的水平(最高1 MHz)。柵極驅(qū)動(dòng)器IC可用于提供容性MOSFET柵極充電所需的高電流。圖3中的柵極驅(qū)動(dòng)器以差分方式驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器的原邊，該變壓器副邊有兩個(gè)繞組，用于驅(qū)動(dòng)半橋的各個(gè)柵極。使用脈沖變壓器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它不需要用隔離電源來(lái)驅(qū)動(dòng)副邊MOSFET。當(dāng)感應(yīng)線圈中有較大的瞬態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)時(shí)(會(huì)導(dǎo)致振鈴)，這種應(yīng)用就可能出現(xiàn)問(wèn)題。它有可能使柵極不合需要地開(kāi)啟和關(guān)閉，從而損壞MOSFET。脈沖變壓器的另一個(gè)局限在于，它們?cè)谝?a target="_blank">信號(hào)占空比在50%以上的應(yīng)用中可能表現(xiàn)不佳。這是由于變壓器只能提供交流信號(hào)，因?yàn)殍F芯磁通量必須每半個(gè)周期復(fù)位一次以維持伏秒平衡。最后，脈沖變壓器的磁芯和隔離式繞組需要相對(duì)較大的封裝。再加上驅(qū)動(dòng)器IC和其他分立式元件，最終建立的解決方案可能尺寸過(guò)大，無(wú)法適應(yīng)許多高密度應(yīng)用。

圖3. 脈沖變壓器半橋柵極驅(qū)動(dòng)器

數(shù)字隔離器柵極驅(qū)動(dòng)器

現(xiàn)在，我們來(lái)看看以數(shù)字隔離器來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的方法。在圖4中，數(shù)字隔離器使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路工藝，以金屬層形成變壓器線圈，并以聚酰亞胺絕緣材料來(lái)分離線圈。這種組合可以實(shí)現(xiàn)5 kV rms以上(1分鐘額定值)的隔離能力，可用于增強(qiáng)型隔離電源和逆變器應(yīng)用。

圖4. 采用變壓器隔離的數(shù)字隔離器

圖5. 數(shù)字隔離器4 A柵極驅(qū)動(dòng)器