實現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動器的設(shè)計基礎(chǔ) - 全文

隔離式半橋柵極驅(qū)動器可用于許多應(yīng)用，從要求高功率密度和效率的隔離式DC-DC電源模塊，到高隔離電壓和長期可靠性至關(guān)重要的太陽能逆變器等等，不一而足。本文將詳細闡述這些設(shè)計理念，探索隔離式半橋柵極驅(qū)動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)動器的功能是驅(qū)動上橋臂和下橋臂N溝道MOSFET(或IGBT)的柵極，通過低輸出阻抗降低導(dǎo)通損耗，同時通過快速開關(guān)時間降低開關(guān)損耗。上橋臂和下橋臂驅(qū)動器需要高度匹配的時序特性，以實現(xiàn)精確高效開關(guān)操作。這減少了半橋關(guān)斷和開通之間的死區(qū)時間。實現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動功能的典型方法是使用光耦合器進行隔離，后跟高壓柵極驅(qū)動器IC，如圖1所示。該電路的一個潛在問題是，僅有一個隔離輸入通道，而且依賴高壓驅(qū)動器來提供通道間所需的時序匹配以及應(yīng)用所需的死區(qū)。另一問題是，高壓柵極驅(qū)動器并無電流隔離，而是依賴結(jié)隔離來分離同一IC中的上橋臂驅(qū)動電壓和下橋臂驅(qū)動電壓。在下橋臂開關(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，上橋臂驅(qū)動器可能發(fā)生閂鎖，并永久性損壞。

圖1. 高壓半橋柵極驅(qū)動器

光耦合器柵極驅(qū)動器

另一種方法(如圖2所示)利用兩個光耦合器來實現(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題。柵極驅(qū)動器電路往往置于與光耦合器相同的封裝中，最常見的情況是，兩個獨立的光耦合器柵極驅(qū)動器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。這會增加關(guān)閉一個通道與打開另一個通道之間的死區(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)動至高達1 MHz的速度也會受到其傳播延遲(最大值為500 ns)以及較慢的上升和下降時間(最大值為100 ns)的限制。要使光耦合器達到最高速度，需要將LED電流增加至10 mA以上，這會消耗更多功率，縮短光耦合器的壽命并降低其可靠性，尤其是在太陽能逆變器和電源應(yīng)用中常見的高溫環(huán)境下。

圖2. 光耦合器半橋柵極驅(qū)動器

脈沖變壓器柵極驅(qū)動器

接下來，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，其工作速度可以達到半橋柵極驅(qū)動器應(yīng)用通常所需的水平(最高1 MHz)。柵極驅(qū)動器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)動器以差分方式驅(qū)動脈沖變壓器的原邊，該變壓器副邊有兩個繞組，用于驅(qū)動半橋的各個柵極。使用脈沖變壓器的一個優(yōu)勢是，它不需要用隔離電源來驅(qū)動副邊MOSFET。當(dāng)感應(yīng)線圈中有較大的瞬態(tài)柵極驅(qū)動電流流過時(會導(dǎo)致振鈴)，這種應(yīng)用就可能出現(xiàn)問題。它有可能使柵極不合需要地開啟和關(guān)閉，從而損壞MOSFET。脈沖變壓器的另一個局限在于，它們在要求信號占空比在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，因為鐵芯磁通量必須每半個周期復(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較大的封裝。再加上驅(qū)動器IC和其他分立式元件，最終建立的解決方案可能尺寸過大，無法適應(yīng)許多高密度應(yīng)用。

圖3. 脈沖變壓器半橋柵極驅(qū)動器

數(shù)字隔離器柵極驅(qū)動器

現(xiàn)在，我們來看看以數(shù)字隔離器來實現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動器的方法。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分離線圈。這種組合可以實現(xiàn)5 kV rms以上(1分鐘額定值)的隔離能力，可用于增強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)動器

如圖5中電路所示，數(shù)字隔離器消除了光耦合器中使用的LED以及與之相關(guān)的老化問題，而且功耗更低、可靠性更高。輸入與輸出以及輸出與輸出之間提供電流隔離，以消除上橋臂-下橋臂的交互作用。輸出驅(qū)動器通過低輸出阻抗降低導(dǎo)通損耗，同時通過快速開關(guān)時間降低開關(guān)損耗。與光耦合器設(shè)計不同，上橋臂和下橋臂數(shù)字隔離器是輸出匹配型集成電路，具有更高的效率。高壓柵極驅(qū)動器集成電路(圖1)會增加電平轉(zhuǎn)換電路中的傳播延遲，因而不能像數(shù)字隔離器一樣實現(xiàn)通道間時序特性的匹配。在數(shù)字隔離器中集成柵極驅(qū)動器，可使解決方案的尺寸降至單封裝級，從而大幅減小解決方案尺寸。

共模瞬變抗擾度

在針對高壓電源的許多半橋柵極驅(qū)動器應(yīng)用中，開關(guān)元件中可能發(fā)生極快的瞬變。在這些應(yīng)用中，如果較大的dV/dt可能在隔離柵上發(fā)生容性耦合，則有可能在隔離柵上導(dǎo)致邏輯瞬變錯誤。在隔離式半橋驅(qū)動器應(yīng)用中，這種情況可能在交叉?zhèn)鲗?dǎo)過程中同時打開兩個開關(guān)，因而可能損壞開關(guān)。隔離柵上的任何寄生電容都可能成為共模瞬變的耦合路徑。光耦合器需要以敏感度極高的接收器來檢測隔離柵上傳遞的少量光，而且較大的共模瞬變可能擾亂其輸出?？梢栽贚ED與接收器之間添加一個屏蔽，以改善光耦合器對共模瞬變電壓的敏感度，大多數(shù)光耦合器柵極驅(qū)動器正是這樣做成的。該屏蔽可以提高共模瞬變抗擾度(CMTI)，從標(biāo)準(zhǔn)光耦合器不到10 kV/μs的額定值提升至光耦合器柵極驅(qū)動器的25 kV/μs。雖然25 kV/μs CMTI對許多柵極驅(qū)動器應(yīng)用是足夠的，但是對于瞬變電壓較大的電源以及太陽能逆變器應(yīng)用來說，可能需要50 kV/μs或更大的CMTI。

圖6. 基于電容的數(shù)字隔離器(CMTI

數(shù)字隔離器可以向其接收器提供更高的信號電平，并能承受極高的共模瞬變而不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤?；谧儔浩鞯母綦x器是四端器件，可對信號提供低差分阻抗，對噪聲提供高共模阻抗，從而實現(xiàn)優(yōu)秀的CMTI。其它數(shù)字隔離器可能使用容性耦合來產(chǎn)生變化的電場，實現(xiàn)跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸。與基于變壓器的隔離器不同，基于電容的隔離器是雙端器件，噪聲和信號共用同一傳輸路徑。對于雙端器件，信號頻率需要遠高于預(yù)期的噪聲頻率，以便隔離柵電容對信號提供低阻抗，而對噪聲提供高阻抗。當(dāng)共模噪聲電平大到足以淹沒信號時，則可能擾亂隔離器輸出端的數(shù)據(jù)。圖6所示為基于電容的隔離器中發(fā)生數(shù)據(jù)擾亂示例，其中，輸出信號(通道4)在僅10 kV/μs的共模瞬變過程中下降了6 ns，造成毛刺。注意，圖中數(shù)據(jù)是在基于電容的隔離器的擾亂閾值下采集的；如果瞬變較大，擾亂可能持續(xù)更長時間，從而使MOSFET開關(guān)變得不穩(wěn)定。相比之下，基于變壓器的數(shù)字隔離器能夠承受超過100 kV/μs的共模瞬變，而輸出端不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)擾亂問題(見圖7)。

圖7. 基于變壓器的數(shù)字隔離器ADuM140x(CMTI為100 kV/μs)

總而言之，對于隔離式半橋柵極驅(qū)動器應(yīng)用，事實表明，相對于基于光耦合器和脈沖變壓器的設(shè)計，基于變壓器的數(shù)字隔離器具有眾多優(yōu)勢。通過集成極大降低了解決方案尺寸和設(shè)計復(fù)雜度，時序性能大大改善。通過電流隔離輸出驅(qū)動器和更高的CMTI進一步提高了魯棒性。