詳盡介紹隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器特性

IGBT/功率MOSFET是一種電壓控制型器件，可用作電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和其它系統(tǒng)中的開關(guān)元件。柵極是每個(gè)器件的電氣隔離控制端。MOSFET的另外兩端是源極和漏極，而對(duì)于IGBT，它們被稱為集電極和發(fā)射極。為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極（相對(duì)于器件的源極/發(fā)射極而言）。使用專門驅(qū)動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動(dòng)電流。本文討論柵極驅(qū)動(dòng)器是什么，為何需要柵極驅(qū)動(dòng)器，以及如何定義其基本參數(shù)，如時(shí)序、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和隔離度。

需要柵極驅(qū)動(dòng)器

IGBT/功率MOSFET的結(jié)構(gòu)使得柵極形成一個(gè)非線性電容。給柵極電容充電會(huì)使功率器件導(dǎo)通，并允許電流在其漏極和源極引腳之間流動(dòng)，而放電則會(huì)使器件關(guān)斷，漏極和源極引腳上就可以阻斷大電壓。當(dāng)柵極電容充電且器件剛好可以導(dǎo)通時(shí)的最小電壓就是閾值電壓(VTH)。為將IGBT/功率MOSFET用作開關(guān)，應(yīng)在柵極和源極/發(fā)射極引腳之間施加一個(gè)充分大于VTH 的電壓。

考慮一個(gè)具有微控制器的數(shù)字邏輯系統(tǒng)，其I/O引腳之一上可以輸出一個(gè)0 V至5 V的PWM信號(hào)。這種PWM將不足以使電源系統(tǒng)中使用的功率器件完全導(dǎo)通，因?yàn)槠溥^驅(qū)電壓一般超過標(biāo)準(zhǔn)CMOS/TTL邏輯電壓。因此，邏輯/控制電路和高功率器件之間需要一個(gè)接口。這可以通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)邏輯電平n溝道MOSFET，其進(jìn)而驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率MOSFET來實(shí)現(xiàn)，如圖1a所示。

圖1.用反相邏輯驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。

如圖1a所示，當(dāng)IO1發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)時(shí)，VGSQ1 < VTHQ1 ，因此MOSFET Q1保持關(guān)斷。結(jié)果，一個(gè)正電壓施加于功率MOSFET Q2的柵極。Q2的柵極電容(CGQ2)通過上拉電阻R1充電，柵極電壓被拉至VDD的軌電壓。 如果VDD > VTHQ2，則Q2 導(dǎo)通，可以傳導(dǎo)電流。當(dāng)IO1輸出高電平時(shí)，Q1 導(dǎo)通，CGQ2通過Q1放電。VDSQ1 ~ 0 V，使得VGSQ2 < VTHQ2，因此Q2關(guān)斷。這種設(shè)置的一個(gè)問題是Q1導(dǎo)通狀態(tài)下R1的功耗。為了解決此問題，pMOSFET Q3可以作為上拉器件，其以與Q1互補(bǔ)的方式工作，如圖1b所示。PMOS具有較低導(dǎo)通電阻和非常高的關(guān)斷電阻，驅(qū)動(dòng)電路中的功耗大大降低。為在柵極轉(zhuǎn)換期間控制邊沿速率，Q1 的漏極和Q2的柵極之間外加一個(gè)小電阻。使用MOSFET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其易于在裸片上制作，而制作電阻則相對(duì)較難。這種驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)柵極的獨(dú)特接口可以單片IC的形式創(chuàng)建，該IC接受邏輯電平電壓并產(chǎn)生更高的功率輸出。此柵極驅(qū)動(dòng)器IC幾乎總是會(huì)有其他內(nèi)部電路來實(shí)現(xiàn)更多功能，但它主要用作功率放大器和電平轉(zhuǎn)換器。

柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵參數(shù)

驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度：

提供適當(dāng)柵極電壓的問題通過柵極驅(qū)動(dòng)器來解決，柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換任務(wù)。不過，柵極電容無法瞬間改變其電壓。因此，功率FET或IGBT具有非零的有限切換間隔時(shí)間。在切換期間，器件可能處于高電流和高電壓狀態(tài)，這會(huì)產(chǎn)生功耗并轉(zhuǎn)化為熱量。因此，從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要很快，以盡可能縮短切換時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要高瞬變電流來使柵極電容快速充電和放電。

圖2.無柵極驅(qū)動(dòng)器的MOSFET導(dǎo)通轉(zhuǎn)換

能夠在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供/吸收更高柵極電流的驅(qū)動(dòng)器，切換時(shí)間會(huì)更短，因而其驅(qū)動(dòng)的晶體管內(nèi)的開關(guān)功耗也更低。

圖3.有柵極驅(qū)動(dòng)器的MOSFET導(dǎo)通轉(zhuǎn)換

微控制器I/O引腳的拉電流和灌電流額定值通?？蛇_(dá)數(shù)十毫安，而柵極驅(qū)動(dòng)器可以提供高得多的電流。圖2中，當(dāng)功率MOSFET由微控制器I/O引腳以最大額定拉電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，觀察到切換時(shí)間間隔較長(zhǎng)。如圖3所示，采用ADuM4121隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間大大縮短；當(dāng)驅(qū)動(dòng)同一功率MOSFET時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器相比微控制器I/O引腳能夠提供高得多的驅(qū)動(dòng)電流。很多情況下，由于數(shù)字電路可能會(huì)透支電流，直接用微控制器驅(qū)動(dòng)較大功率MOSFET/IGBT可能會(huì)使控制器過熱，進(jìn)而受損。柵極驅(qū)動(dòng)器具有更高驅(qū)動(dòng)能力，支持快速切換，上升和下降時(shí)間只有幾納秒。這可以減少開關(guān)功率損耗，提高系統(tǒng)效率。因此，驅(qū)動(dòng)電流通常被認(rèn)為是選擇柵極驅(qū)動(dòng)器的重要指標(biāo)。

與驅(qū)動(dòng)電流額定值相對(duì)應(yīng)的是柵極驅(qū)動(dòng)器的漏源導(dǎo)通電阻(RDS(ON))。理想情況下，MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)的RDS(ON)值應(yīng)為零，但由于其物理結(jié)構(gòu)，該阻值一般在幾歐姆范圍內(nèi)。這考慮了從漏極到源極的電流路徑中的總串聯(lián)電阻。

RDS(ON)是柵極驅(qū)動(dòng)器最大驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度額定值的真正基礎(chǔ)，因?yàn)樗拗屏蓑?qū)動(dòng)器可以提供的柵極電流。內(nèi)部開關(guān)的RDS(ON) 決定灌電流和拉電流，但外部串聯(lián)電阻用于降低驅(qū)動(dòng)電流，因此會(huì)影響邊沿速率。如圖4所示，高端導(dǎo)通電阻和外部串聯(lián)電阻EXT 構(gòu)成充電路徑中的柵極電阻，低端導(dǎo)通電阻和 REXT 構(gòu)成放電路徑中的柵極電阻。

圖4.具有MOSFET輸出級(jí)和功率器件作為電容的柵極驅(qū)動(dòng)器的RC電路模型

RDS(ON) 也會(huì)直接影響驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的功耗。對(duì)于特定驅(qū)動(dòng)電流，RDS(ON)值越低，則可以使用的REXT值越高。功耗分布在REXT和RDS(ON)上，因此REXT值越高，意味著驅(qū)動(dòng)器外部的功耗越多。所以，對(duì)于給定芯片面積和尺寸的IC，為了提高系統(tǒng)效率并放寬驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的熱調(diào)節(jié)要求，RDS(ON) 值越低越好。

圖5.ADuM4120柵極驅(qū)動(dòng)器和時(shí)序波形

時(shí)序：

柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)序參數(shù)對(duì)評(píng)估其性能至關(guān)重要。包括ADuM4120在內(nèi)的所有柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)常見時(shí)序規(guī)格（如圖5所示）是驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲(tD) ，其定義為輸入邊沿傳播到輸出所需的時(shí)間。如圖5所示，上升傳播延遲(tDHL)可以定義為輸入邊沿升至輸入高閾值(VIH)以上到輸出升至最終值10%以上的時(shí)間。類似地，下降傳播延遲(tDHL)可以表述為從輸入邊沿降至輸入低閾值VIL以下到輸出降至其高電平90%以下的時(shí)間。輸出轉(zhuǎn)換的傳播延遲對(duì)于上升沿和下降沿可能不同。

圖5還顯示了信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這些邊沿速率受到器件可提供的驅(qū)動(dòng)電流的影響，但它們也取決于所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，這在傳播延遲計(jì)算中并未考慮。另一個(gè)時(shí)序參數(shù)是脈寬失真，其為同一器件的上升和下降傳播延遲之差。因此，脈寬失真(PWD) = |tDLH – tDHL|。

由于不同器件內(nèi)的晶體管不匹配，兩個(gè)器件的傳播延遲不會(huì)完全相同。這會(huì)導(dǎo)致傳播延遲偏斜(tSKEW)，其定義為兩個(gè)不同器件在相同工作條件下對(duì)同一輸入作出響應(yīng)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間差。如圖5所示，傳播延遲偏斜被定義為器件間偏差。對(duì)于具有多個(gè)輸出通道的器件，此規(guī)格的表述方式相同，但被稱為通道間偏斜。傳播延遲偏斜通常不能在控制電路中予以補(bǔ)償。

圖6顯示了ADuM4121柵極驅(qū)動(dòng)器的典型設(shè)置，其結(jié)合功率MOSFET使用，采用半橋配置，適合電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。在這種設(shè)置中，如果Q1 和 Q2同時(shí)導(dǎo)通，有可能因?yàn)殡娫春徒拥匾_短路而發(fā)生直通。這可能會(huì)永久損壞開關(guān)甚至驅(qū)動(dòng)電路。為避免直通，必須在系統(tǒng)中插入一個(gè)死區(qū)時(shí)間，從而大大降低兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的可能性。在死區(qū)時(shí)間間隔內(nèi)，兩個(gè)開關(guān)的柵極信號(hào)為低電平，因此理想情況下，開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。如果傳播延遲偏斜較低，則所需的死區(qū)時(shí)間較短，控制變得更加可預(yù)測(cè)。偏斜越低且死區(qū)時(shí)間越短，系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)更平穩(wěn)、更高效。

時(shí)序特性很重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響功率開關(guān)的操作速度。理解這些參數(shù)可以使控制電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確。

隔離：

隔離是指系統(tǒng)中各種功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導(dǎo)通路徑。這樣，不同電路可以擁有不同的地電位。利用電感、電容或光學(xué)方法，仍可讓信號(hào)和/或電源在隔離電路之間通過。對(duì)于采用柵極驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)，隔離對(duì)功能的執(zhí)行可能是必要的，并且也可能是安全要求。圖6中，VBUS可能有幾百伏，在給定時(shí)間可能有數(shù)十安培的電流通過Q1 或 Q2。萬一此系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，如果損壞僅限于電子元件，則安全隔離可能是不必要的，但如果控制側(cè)涉及到人的活動(dòng)，那么高功率側(cè)和低電壓控制電路之間需要電流隔離。它能防范高壓側(cè)的任何故障，因?yàn)楸M管有元件損壞或失效，隔離柵仍會(huì)阻止電力到達(dá)用戶。

圖6.采用ADuM4121隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的半橋設(shè)置中的隔離柵

為防止觸電危險(xiǎn)，隔離是監(jiān)管機(jī)構(gòu)和安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制要求。它還能保護(hù)低壓電子器件免受高功率側(cè)故障引起的任何損害的影響。有多種方法可以描述安全隔離，但在基本層面上，它們都與隔離柵的擊穿電壓有關(guān)。此電壓額定值一般針對(duì)驅(qū)動(dòng)器的使用壽命以及特定期間和情況的電壓瞬變而給出。這些電壓電平還與驅(qū)動(dòng)器IC的物理尺寸以及隔離柵上引腳之間的最小距離有關(guān)。

除安全原因外，隔離對(duì)于系統(tǒng)正常運(yùn)行也可能是必不可少的。圖6顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中常用的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給定時(shí)間只有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。在高功率側(cè)，低端晶體管Q2 的源極接地。Q2 的柵源電壓(VGSQ2)因此直接以地為基準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。高端晶體管Q1的情況則不同，因?yàn)槠湓礃O是開關(guān)節(jié)點(diǎn)，取決于哪個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，開關(guān)節(jié)點(diǎn)將被拉至總線電壓或地。要使Q1導(dǎo)通，應(yīng)施加一個(gè)超過其閾值電壓的正柵源電壓(VGSQ1)。因此，當(dāng)源極連接到VBUS ，Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其柵極電壓將高于VBUS 。如果驅(qū)動(dòng)電路沒有用于接地參考的隔離，則將需要大于VBUS 的電壓來驅(qū)動(dòng)Q1。這是一個(gè)繁瑣的解決方案，對(duì)于高效系統(tǒng)來說并不實(shí)用。因此，人們需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換并以高端晶體管源極為基準(zhǔn)的控制信號(hào)。這被稱為功能隔離，可以利用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器（如ADuM4223）來實(shí)現(xiàn)。

抗擾度：

柵極驅(qū)動(dòng)器用在有大量噪聲源的工業(yè)環(huán)境中。噪聲會(huì)破壞數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)不可靠，導(dǎo)致性能下降。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器必須具有良好的抗噪聲能力，以確保數(shù)據(jù)的完整性?？箶_度與驅(qū)動(dòng)器抑制電磁干擾(EMI)或RF噪聲及共模瞬變的程度有關(guān)。

EMI是指任何破壞電子器件預(yù)期操作的電氣噪聲或磁干擾。EMI（其會(huì)影響柵極驅(qū)動(dòng)器）是高頻開關(guān)電路的結(jié)果，主要由大型工業(yè)電機(jī)的磁場(chǎng)造成。EMI可以輻射或傳導(dǎo)，并且可能耦合到附近的其他電路中。因此，EMI或RF抗擾度是衡量柵極驅(qū)動(dòng)器抑制電磁干擾并保持穩(wěn)健運(yùn)行而無差錯(cuò)的能力的指標(biāo)。若具有高抗擾度，驅(qū)動(dòng)器便可在大型電機(jī)附近使用，而不會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸故障。

如圖6所示，隔離柵預(yù)期可在不同電位的接地點(diǎn)提供高電壓隔離。但是，高頻切換導(dǎo)致次級(jí)端電壓轉(zhuǎn)換的邊沿較短。由于隔離邊界之間的寄生電容，這些快速瞬變而從一側(cè)耦合到另一側(cè)，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。其表現(xiàn)可能是在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)中引入抖動(dòng)，或者將信號(hào)完全反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致效率低下，甚至在某些情況下發(fā)生直通。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)決定性指標(biāo)是共模瞬變抗擾度(CMTI)，其定量描述隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器抑制輸入和輸出間大共模瞬變的能力。如果系統(tǒng)中的壓擺率很高，則驅(qū)動(dòng)器需要有很高的抗擾度。因此，當(dāng)在高頻和大總線電壓下工作時(shí)，CMTI數(shù)值特別重要。

結(jié)語(yǔ)

本文旨在簡(jiǎn)單介紹柵極驅(qū)動(dòng)器，因此，到目前為止討論的參數(shù)并未全面詳盡地反映隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器特性。驅(qū)動(dòng)器還有其他指標(biāo)，如電源電壓、容許溫度、引腳排列等，這些是每個(gè)電子器件的共同考慮因素。一些驅(qū)動(dòng)器，如ADuM4135和ADuM4136，也包含保護(hù)功能或先進(jìn)的檢測(cè)或控制機(jī)制。市場(chǎng)上的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器種類眾多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須了解所有這些規(guī)格和特性，以便在相關(guān)應(yīng)用中就使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器作出明智的決定。