如何實(shí)現隔離式半橋柵極驅動(dòng)器?

Ameya360

許多應用都采用隔離式半橋柵極驅動(dòng)器來(lái)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(cháng)期可靠性至關(guān)重要的太陽(yáng)能逆變器等等，不一而足。本文將詳細闡述這些設計理念，以展現采用小型封裝的隔離式半橋柵極驅動(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動(dòng)器（如圖1所示）以極性相反的信號來(lái)驅動(dòng)高端和低端N溝道MOSFET（或IGBT）的柵極，由此來(lái)控制輸出功率。驅動(dòng)器必須具備低輸出阻抗以減少傳導損耗，同時(shí)還須具有快速開(kāi)關(guān)能力以減少開(kāi)關(guān)損耗。出于精度和效率的考慮，高端和低端驅動(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(kāi)關(guān)關(guān)閉，第二個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟前的停滯時(shí)間。

圖1. 高壓半橋柵極驅動(dòng)器

如圖所示，這種功能的一種常規實(shí)現方式是用一個(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(lài)高壓驅動(dòng)器電路來(lái)實(shí)現所需要的通道間時(shí)序匹配和停滯時(shí)間。另一問(wèn)題是，高壓柵極驅動(dòng)器并無(wú)電流隔離，而是依賴(lài)IC的結隔離來(lái)分離高端驅動(dòng)電壓和低端驅動(dòng)電壓。在低端開(kāi)關(guān)事件中，電路中的寄生電感可能導致輸出電壓VS降至地電壓以下。發(fā)生這種情況時(shí)，高端驅動(dòng)器可能發(fā)生閂鎖，并永久性損壞。

光耦合器柵極驅動(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)柵極驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現輸出之間的電流隔離，從而避免了高端-低端交互作用的問(wèn)題。柵極驅動(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)獨立的光耦合器柵極驅動(dòng)器IC來(lái)構成完整的隔離式半橋，結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(kāi)另一個(gè)通道之間的停滯時(shí)間，從而導致效率下降。

圖2. 雙光耦合器半橋柵極驅動(dòng)器

光耦合器的響應速度受到原邊發(fā)光二極管(LED)電容的限制，而且將輸出驅動(dòng)至高達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(yáng)能逆變器和電源應用中常見(jiàn)的高溫環(huán)境下。

脈沖變壓器柵極驅動(dòng)器

接下來(lái)，我們來(lái)看看通過(guò)變壓器耦合實(shí)現電流隔離的電路。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。在圖3中，采用的是一個(gè)脈沖變壓器，其工作速度可以達到半橋柵極驅動(dòng)器應用通常所需的水平（最高1 MHz）。柵極驅動(dòng)器IC可用于提供容性MOSFET柵極充電所需的高電流。在此，柵極驅動(dòng)器以差分方式驅動(dòng)脈沖變壓器的原邊，兩個(gè)副邊繞組驅動(dòng)半橋的各個(gè)柵極。在這種應用中，脈沖變壓器具有顯著(zhù)優(yōu)勢，不需要用隔離式電源來(lái)驅動(dòng)副邊MOSFET。

圖3. 脈沖變壓器半橋柵極驅動(dòng)器

然而，當感應線(xiàn)圈中流動(dòng)的較大瞬態(tài)柵極驅動(dòng)電流導致振鈴時(shí)，就可能出現問(wèn)題。結果可能使柵極不合需要地開(kāi)啟和關(guān)閉，從而損壞MOSFET。脈沖變壓器的另一個(gè)局限在于，它們在要求信號占空比在50%以上的應用中可能表現欠佳。這是由于脈沖變壓器只能提供交流信號，而且鐵芯磁通量必須每半個(gè)周期復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較大的封裝，再加上驅動(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(guò)大，無(wú)法適應許多高密度應用。

數字隔離器柵極驅動(dòng)器

現在，我們來(lái)看看把數字隔離器用在隔離式半橋柵極驅動(dòng)器中的情況。圖4中的數字隔離器使用標準CMOS集成電路工藝，以金屬層形成變壓器線(xiàn)圈，并以聚酰亞胺絕緣材料來(lái)分離線(xiàn)圈。這種組合可以實(shí)現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用。

圖4. 采用變壓器隔離的數字隔離器

如圖5所示，數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(wèn)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(xiàn)），以消除高端-低端的交互作用。輸出驅動(dòng)器通過(guò)低輸出阻抗降低導通損耗，同時(shí)通過(guò)快速開(kāi)關(guān)時(shí)間降低開(kāi)關(guān)損耗。

圖5. 采用數字隔離的4 A柵極驅動(dòng)器

與光耦合器設計不同，高端和低端數字隔離器以單個(gè)集成電路為基礎制造而成，其輸出天生匹配，具有更高的效率。請注意，圖1所示高壓柵極驅動(dòng)器集成電路會(huì )增加電平轉換電路中的傳播延遲，因而不能像數字隔離器一樣實(shí)現通道間時(shí)序特性的匹配。另外，在單個(gè)IC封裝中同時(shí)集成柵極驅動(dòng)器和隔離機制可以最大限度地減小解決方案的尺寸。

共模瞬變抗擾度

在針對高壓電源的許多半橋柵極驅動(dòng)器應用中，開(kāi)關(guān)元件中可能發(fā)生極快的瞬變。在這些應用中，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誤。在隔離式半橋驅動(dòng)器應用中，這種情況可能在交叉傳導過(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(gè)屏蔽，從而降低光耦合器對共模瞬變電壓的敏感度，這種技術(shù)被運用在多數光耦合器柵極驅動(dòng)器中。該屏蔽可以提高共模瞬變抗擾度 (CMTI)，從標準光耦合器不到10 kV/μs的額定值提升至光耦合器柵極驅動(dòng)器的25 kV/μs。雖然該額定值對許多柵極驅動(dòng)器應用都是合適的，但是對于瞬變電壓較大的電源以及太陽(yáng)能逆變器應用來(lái)說(shuō)，可能需要CMTI達到50 kV/μs或以上。

數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(huì )導致數據錯誤。作為四端差分器件，基于變壓器的隔離器可向信號提供低差分阻抗，向噪聲提供高共模阻抗，從而實(shí)現出色的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據的數字隔離器是雙端器件，因而噪聲和信號共用一個(gè)傳輸路徑。對于雙端器件，信號頻率需要遠高于預期的噪聲頻率，以便隔離柵電容對信號提供低阻抗，而對噪聲提供高阻抗。當共模噪聲電平大到足以淹沒(méi)信號時(shí)，則可能擾亂隔離器輸出端的數據。圖6所示為基于電容的隔離器中發(fā)生數據擾亂示例，其中，輸出信號（通道4，綠線(xiàn)）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. 基于電容的數字隔離器（CMTI <10 kV/μs）

圖中數據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，結果可能使擾亂持續更長(cháng)時(shí)間，從而使MOSFET開(kāi)關(guān)變得不穩定。相比之下，基于變壓器的數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 )出現數據擾亂問(wèn)題（圖7）。

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

隔離式半橋驅動(dòng)器提供4 A峰值輸出電流

TheADuM3223/ADuM4223隔離式半橋柵極驅動(dòng)器（如圖8所示）采用 iCoupler®技術(shù)以獨立的隔離式輸出來(lái)驅動(dòng)電機控制、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。相對于輸入，各路輸出的持續工作電壓最高可達565VPEAK，因而支持低端切換至負電壓。高端與低端之間的差分電壓最高可達700 VPEAK。輸出開(kāi)關(guān)頻率最高可達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。其額定工作溫度范圍為–40°C至+125°C，采用16引腳SOIC封裝。ADuM3223的千片訂量報價(jià)為1.70美元/片，采用窄體設計，可提供3 kV rms的隔離能力。ADuM4223的千片訂量報價(jià)為2.03美元/片，采用寬體設計，可提供5 kV rms的隔離能力。

圖8. ADuM3223/ADuM4223框圖

總結

對于隔離式半橋柵極驅動(dòng)器應用，事實(shí)表明，相對于基于光耦合器和脈沖變壓器的設計，集成變壓器的數字隔離器具有眾多優(yōu)勢。通過(guò)集成大幅降低了尺寸和設計復雜性，從而極大地提高了時(shí)序特性。輸出驅動(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(zhù)提高了CMTI。

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