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

　　圖5. 采用數(shù)字隔離的4 A柵極驅(qū)動(dòng)器

　　與光耦合器設(shè)計(jì)不同，高端和低端數(shù)字隔離器以單個(gè)集成電路為基礎(chǔ)制造而成，其輸出天生匹配，具有更高的效率。請(qǐng)注意，圖1所示高壓柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路會(huì)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(shí)現(xiàn)通道間時(shí)序特性的匹配。另外，在單個(gè)IC封裝中同時(shí)集成柵極驅(qū)動(dòng)器和隔離機(jī)制可以最大限度地減小解決方案的尺寸。

　　共模瞬變抗擾度

　　在針對(duì)高壓電源的許多半橋柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)元件中可能發(fā)生極快的瞬變。在這些應(yīng)用中，在隔離柵上發(fā)生容性耦合的、快速變化的瞬態(tài)電壓（高dV/dt）可能在隔離柵上造成邏輯瞬變錯(cuò)誤。在隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，這種情況可能在交叉?zhèn)鲗?dǎo)過(guò)程中同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)開(kāi)關(guān)，因而可能損壞開(kāi)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(lái)檢測(cè)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。可以在LED與接收器之間添加一個(gè)屏蔽，從而降低光耦合器對(duì)共模瞬變電壓的敏感度，這種技術(shù)被運(yùn)用在多數(shù)光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器中。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(dòng)器的25 kV/μs.雖然該額定值對(duì)許多柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用都是合適的，但是對(duì)于瞬變電壓較大的電源以及太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可能需要CMTI達(dá)到50 kV/μs或以上。

　　數(shù)字隔離器可以向其接收器提供更高的信號(hào)電平，并能承受極高的共模瞬變而不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。作為四端差分器件，基于變壓器的隔離器可向信號(hào)提供低差分阻抗，向噪聲提供高共模阻抗，從而實(shí)現(xiàn)出色的CMTI性能。另一方面，利用容性耦合形成不斷變化的電場(chǎng)并在隔離柵上傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)字隔離器是雙端器件，因而噪聲和信號(hào)共用一個(gè)傳輸路徑。對(duì)于雙端器件，信號(hào)頻率需要遠(yuǎn)高于預(yù)期的噪聲頻率，以便隔離柵電容對(duì)信號(hào)提供低阻抗，而對(duì)噪聲提供高阻抗。當(dāng)共模噪聲電平大到足以淹沒(méi)信號(hào)時(shí)，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(hào)（通道4,綠線）在僅10 kV/μs的共模瞬變過(guò)程中下降了6 ns,造成毛刺。

　　圖6. 基于電容的數(shù)字隔離器（CMTI 10 kV/μs）

　　圖中數(shù)據(jù)是在基于電容的隔離器瞬變的擾亂閾值下采集的；如果瞬變要大得多，結(jié)果可能使擾亂持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，從而使MOSFET開(kāi)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(guò)100 kV/μs的共模瞬變，而輸出端不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)擾亂問(wèn)題（圖7）。

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

　　隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器提供4 A峰值輸出電流

　　ADuM3223/ADuM4223 隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器（如圖8所示）采用iCoupler技術(shù)以獨(dú)立的隔離式輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制、開(kāi)關(guān)電源和工業(yè)逆變器中所使用的高端和低端IGBT及MOSFET器件的柵極。這些隔離組件集高速CMOS與單芯片變壓器技術(shù)于一體，可提供精密時(shí)序、高可靠性以及優(yōu)于光耦合器或脈沖變壓器的整體性能。相對(duì)于輸入，各路輸出的持續(xù)工作電壓最高可達(dá)565 VPEAK ,因而支持低端切換至負(fù)電壓。高端與低端之間的差分電壓最高可達(dá)700 VPEAK.輸出開(kāi)關(guān)頻率最高可達(dá)1 MHz,可提供4 A的峰值電流。CMOS兼容型輸入可提供50 kV/μs的共模瞬變抗擾度。驅(qū)動(dòng)器采用3.0 V至5.5 V的輸入電源，可兼容低電壓系統(tǒng)。其額定工作溫度范圍為–40℃至+125℃，采用16引腳SOIC封裝。ADuM3223的千片訂量報(bào)價(jià)為1.70美元/片，采用窄體設(shè)計(jì)，可提供3 kV rms的隔離能力。ADuM4223的千片訂量報(bào)價(jià)為2.03美元/片，采用寬體設(shè)計(jì)，可提供5 kV rms的隔離能力。

　　圖8. ADuM3223/ADuM4223框圖

　　總結(jié)

　　對(duì)于隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，事實(shí)表明，相對(duì)于基于光耦合器和脈沖變壓器的設(shè)計(jì)，集成變壓器的數(shù)字隔離器具有眾多優(yōu)勢(shì)。通過(guò)集成大幅降低了尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而極大地提高了時(shí)序特性。輸出驅(qū)動(dòng)器采用的電流隔離技術(shù)則改進(jìn)了魯棒性，變壓器耦合技術(shù)則顯著提高了CMTI.