實(shí)現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)途徑
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
許多應(yīng)用都采用隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器來控制大量功率，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(xì)闡述這些設(shè)計(jì)理念，以展現(xiàn)采用小型封裝的隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器IC在造就高性能方面的卓越能力。 采用光耦合器隔離的基本半橋驅(qū)動(dòng)器（如圖1所示）以極性相反的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)高端和低端N溝道MOSFET（或IGBT）的柵極，由此來控制輸出功率。驅(qū)動(dòng)器必須具備低輸出阻抗以減少傳導(dǎo)損耗，同時(shí)還須具有快速開關(guān)能力以減少開關(guān)損耗。出于精度和效率的考慮，高端和低端驅(qū)動(dòng)器需要具備高度匹配的時(shí)序特性，以便減少在半橋的第一個(gè)開關(guān)關(guān)閉，第二個(gè)開關(guān)開啟前的停滯時(shí)間。 圖1. 高壓半橋柵極驅(qū)動(dòng)器 如圖所示，這種功能的一種常規(guī)實(shí)現(xiàn)方式是用一個(gè)光耦合器進(jìn)行隔離，其后用一個(gè)高壓柵極驅(qū)動(dòng)器IC.這種電路的一個(gè)潛在不足，就是單隔離輸入通道依賴高壓驅(qū)動(dòng)器電路來實(shí)現(xiàn)所需要的通道間時(shí)序匹配和停滯時(shí)間。另一問題是，高壓柵極驅(qū)動(dòng)器并無電流隔離，而是依賴IC的結(jié)隔離來分離高端驅(qū)動(dòng)電壓和低端驅(qū)動(dòng)電壓。在低端開關(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(shí)，高端驅(qū)動(dòng)器可能發(fā)生閂鎖，并永久性損壞。 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)光耦合器和兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)輸出之間的電流隔離，從而避免了高端-低端交互作用的問題。柵極驅(qū)動(dòng)器電路往往置于與光耦合器相同的封裝中，因而一般需要兩個(gè)獨(dú)立的光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器IC來構(gòu)成完整的隔離式半橋，結(jié)果使解決方案的物理尺寸變大。另需注意的是，兩個(gè)光耦合器即使封裝在一起，也是是獨(dú)立制造的，從而限制了匹配兩個(gè)通道的能力。這種失配會(huì)增加關(guān)閉一個(gè)通道與打開另一個(gè)通道之間的停滯時(shí)間，從而導(dǎo)致效率下降。 圖2. 雙光耦合器半橋柵極驅(qū)動(dòng)器 光耦合器的響應(yīng)速度受到原邊發(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。要使光耦合器接近最高速度，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，尤其是在太陽能逆變器和電源應(yīng)用中常見的高溫環(huán)境下。 脈沖變壓器柵極驅(qū)動(dòng)器 接下來，我們來看看通過變壓器耦合實(shí)現(xiàn)電流隔離的電路。這些電路的傳播延遲較低、時(shí)序特性更精確，與光耦合器相比，具有速度優(yōu)勢(shì)。在圖3中，采用的是一個(gè)脈沖變壓器，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。在此，柵極驅(qū)動(dòng)器以差分方式驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器的原邊，兩個(gè)副邊繞組驅(qū)動(dòng)半橋的各個(gè)柵極。在這種應(yīng)用中，脈沖變壓器具有顯著優(yōu)勢(shì)，不需要用隔離式電源來驅(qū)動(dòng)副邊MOSFET. 圖3. 脈沖變壓器半橋柵極驅(qū)動(dòng)器 然而，當(dāng)感應(yīng)線圈中流動(dòng)的較大瞬態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)電流導(dǎo)致振鈴時(shí)，就可能出現(xiàn)問題。結(jié)果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(gè)局限在于，它們?cè)谝笮盘?hào)占空比在50%以上的應(yīng)用中可能表現(xiàn)欠佳。這是由于脈沖變壓器只能提供交流信號(hào)，而且鐵芯磁通量必須每半個(gè)周期復(fù)位一次以維持伏秒平衡。最后一點(diǎn)不足：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，最終形成的解決方案可能尺寸過大，無法適應(yīng)許多高密度應(yīng)用。 數(shù)字隔離器柵極驅(qū)動(dòng)器 現(xiàn)在，我們來看看把數(shù)字隔離器用在隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器中的情況。圖4中的數(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(shí)現(xiàn)5 kV rms以上（1分鐘額定值）的隔離能力，可用于魯棒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 如圖5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（虛線），以消除高端-低端的交互作用。輸出驅(qū)動(dòng)器通過低輸出阻抗降低導(dǎo)通損耗，同時(shí)通過快速開關(guān)時(shí)間降低開關(guān)損耗。
評(píng)論