Important Characteristics of Insulated Gate Drivers

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的重要特性

Thomas Brand

ADI公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

在功率電子（例如驅(qū)動(dòng)技術(shù)）中，IGBT經(jīng)常用作高電壓和高電流開(kāi)關(guān)。這些功率晶體管由電壓控制，其主要損耗產(chǎn)生于開(kāi)關(guān)期間。為了最大程度減小開(kāi)關(guān)損耗，要求具備較短的開(kāi)關(guān)時(shí)間。然而，快速開(kāi)關(guān)同時(shí)隱含著高壓瞬變的危險(xiǎn)，這可能會(huì)影響甚至損壞處理器邏輯。因此，為IGBT提供合適柵極信號(hào)的柵極驅(qū)動(dòng)器，還執(zhí)行提供短路保護(hù)并影響開(kāi)關(guān)速度的功能。然而，在選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，某些特性至關(guān)重要。

圖1.隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器ADuM4135的簡(jiǎn)化原理圖。

電流驅(qū)動(dòng)能力

在開(kāi)關(guān)期間，晶體管會(huì)處于同時(shí)施加了高電壓和高電流的狀態(tài)。根據(jù)歐姆定律，這將導(dǎo)致一定的損耗，具體取決于這些狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間（參見(jiàn)圖2）。目標(biāo)是要最大程度地減小這些時(shí)間段。此處的主要影響因素是晶體管的柵極電容，為實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)必須對(duì)其進(jìn)行充電/放電。較高的瞬態(tài)電流會(huì)加速此過(guò)程。

圖2.晶體管各個(gè)損耗分量的簡(jiǎn)化表示。

因此，能夠在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供更高柵極電流的驅(qū)動(dòng)器對(duì)開(kāi)關(guān)損耗更能起到積極作用。例如，ADI公司的ADuM4135可以提供高達(dá)4 A的電流。根據(jù)IGBT的不同，這可能會(huì)使開(kāi)關(guān)時(shí)間處于很小的幾ns范圍內(nèi)。

時(shí)序

開(kāi)關(guān)時(shí)間最小化的決定性因素是輸出上升時(shí)間(t_R)、下降時(shí)間(t_F)和傳播延遲(t_D)。傳播延遲定義為輸入沿到達(dá)輸出所需的時(shí)間，并取決于驅(qū)動(dòng)器輸出電流和輸出負(fù)載。傳播延遲通常伴隨脈沖寬度失真(PWD)，其為上升沿時(shí)延和下降沿時(shí)延之間的差值。：

因?yàn)轵?qū)動(dòng)器通常具有多個(gè)輸出通道，盡管采用相同的輸入驅(qū)動(dòng)，但仍會(huì)具有不同的響應(yīng)時(shí)間，因此會(huì)產(chǎn)生小的附加偏置，即傳播延遲偏斜(t_SKEW)。

圖3.具有多個(gè)輸出的柵極驅(qū)動(dòng)器的時(shí)序行為。

圖4.具有多個(gè)輸出的柵極驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)單原理圖。

隔離耐受電壓

在電力電子中，出于功能和安全考慮需要進(jìn)行隔離。由于采用了柵極驅(qū)動(dòng)器（例如在驅(qū)動(dòng)技術(shù)中采用半橋拓?fù)湫问剑?，因此?huì)與高總線電壓和電流接觸，隔離不可避免。功能方面的原因是功率級(jí)的驅(qū)動(dòng)通常發(fā)生在低壓電路中，因此無(wú)法驅(qū)動(dòng)半橋拓?fù)涞母叨碎_(kāi)關(guān)，因?yàn)榈投碎_(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)時(shí)，它的電位較高。同時(shí)，隔離代表在發(fā)生故障時(shí)高壓部分與控制電路的可靠隔離，從而可以進(jìn)行人為接觸。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的介電強(qiáng)度通常為5kV(rms)/min[LZ1]或更高。

抗擾度

惡劣的工業(yè)環(huán)境要求應(yīng)用對(duì)干擾源具有最佳抗擾度或抗干擾性。例如，RF噪聲、共模瞬變和干擾磁場(chǎng)是關(guān)鍵性因素，因?yàn)樗鼈兛梢?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合到柵極驅(qū)動(dòng)器中，并且會(huì)激勵(lì)功率級(jí)，使其在不希望的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行開(kāi)關(guān)。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的共模瞬變抗擾度(CMTI)定義了抑制輸入和輸出之間共模瞬變的能力。例如，ADuM4121具有出色的大于150 kV/μs的規(guī)格值。

本文提到的參數(shù)僅代表柵極驅(qū)動(dòng)器規(guī)格的一部分，并不代表完整列表。其他決定性因素包括工作電壓、電源電壓、溫度范圍以及附加集成功能（如米勒箝位和去飽和保護(hù)）。因此，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇大量不同的柵極驅(qū)動(dòng)器。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand于2015年10月加入德國(guó)慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月，他參加了ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師培訓(xùn)生計(jì)劃。2017年2月，他開(kāi)始擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師職位，主要負(fù)責(zé)工業(yè)大客戶。此外，他還專(zhuān)注于研究工業(yè)以太網(wǎng)，并為中歐的相關(guān)事務(wù)提供支持。

他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。

[LZ1]this means withstand 5kV for 1minute, which is not the unit of dielectric strength.

Replace “dielectric strength” with V_iso (隔離耐壓等級(jí))