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作者：Srikesh Pulluri，ADI公司產(chǎn)品應用工程師 摘要 半橋拓撲結構廣泛用于各種商業(yè)和工業(yè)應用的電源轉換器件中。這種開(kāi)關(guān)模式配置的核心是柵極驅動(dòng)器IC，其主要功能是使用脈寬調制信號向高端和低端MOSFET功率開(kāi)關(guān)提供干凈的電平轉換信號。 本文重點(diǎn)介紹了工程師在為應用選擇柵極驅動(dòng)器IC時(shí)應考慮的關(guān)鍵因素。除了基本的電壓和電流額定值之外，本文還說(shuō)明了高共模瞬變抗擾度的重要性和可調死區時(shí)間的必要性。某些用例要求將柵極驅動(dòng)器IC與MOSFET進(jìn)行電氣隔離，文中通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的參考設計展示了這種浮地方法。 簡(jiǎn)介 電源轉換是當今幾乎所有電子設計的核心功能。理想情況下，將直流電壓（例如9 V）轉換為另一個(gè)電平（例如24 V）的過(guò)程應盡可能高效，損耗應盡可能小。為了應對各種應用的不同電壓、電流和功率密度需求，工程師開(kāi)發(fā)了多種電路架構（也就是拓撲）。對于DC-DC電源轉換，可以使用降壓、升壓、降壓-升壓、半橋和全橋拓撲結構。此外還得考慮輸出是否需要與輸入電壓進(jìn)行電氣隔離，由此便可將轉換方法分為兩類(lèi)，即非隔離式和隔離式。 對于高電壓和大電流用例，例如電機控制和太陽(yáng)能逆變器，半橋和全橋DC-DC轉換技術(shù)是主流選擇。 半橋電源轉換 半橋結構采用開(kāi)關(guān)模式方法來(lái)提高或降低直流輸入電壓。該結構使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件（通常是MOSFET或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)）將電壓輸入轉換給變壓器（隔離式）或直接轉換給負載（非隔離式）。柵極驅動(dòng)器IC負責從控制器IC接收脈寬調制(PWM)信號。該器件將信號放大并轉換為迅速接通或斷開(kāi)MOSFET功率開(kāi)關(guān)（即高端和低端）所需的電平，以便盡可能降低功率損耗，提高轉換器的效率。為應用選擇合適的柵極驅動(dòng)器IC，需綜合考慮轉換器拓撲結構、電壓、電流額定值和開(kāi)關(guān)頻率等因素。選擇具有精確、高效開(kāi)關(guān)特性的柵極驅動(dòng)器，對于實(shí)現最佳轉換效率至關(guān)重要。 選擇柵極驅動(dòng)器IC 選擇柵極驅動(dòng)器IC時(shí)，工程師必須考慮若干關(guān)鍵因素。其中一些因素可能與具體應用有關(guān)，比如在太陽(yáng)能轉換應用中，柵極驅動(dòng)器可能會(huì )遇到各種各樣的輸入電壓和功率需求。 • 高端電壓：根據具體應用，高端MOSFET將承受全部電源電壓，為此，柵極驅動(dòng)器必須具有較高的安全裕度。 • 共模瞬變抗擾度(CMTI)：快速開(kāi)關(guān)操作會(huì )產(chǎn)生高噪聲電平，并且高端和低端MOSFET之間的電壓差可能較高，因此選擇具有高瞬態(tài)抗擾度特性的柵極驅動(dòng)器至關(guān)重要。 • 峰值驅動(dòng)電流：對于較高功率的設計，柵極驅動(dòng)器需要向MOSFET提供高峰值電流，以便對柵極電容快速充電和放電。 • 死區時(shí)間：為了防止MOSFET因同時(shí)導通而被擊穿，半橋電路的高端和低端開(kāi)關(guān)之間須設置短暫的死區時(shí)間，這非常關(guān)鍵。強烈建議選擇可配置死區時(shí)間的柵極驅動(dòng)器，以實(shí)現更佳效率。有些柵極驅動(dòng)器包含默認死區時(shí)間，以防止擊穿故障。 帶浮地和可調死區時(shí)間的半橋驅動(dòng)器 LTC7063是半橋柵極驅動(dòng)器的一個(gè)實(shí)例，適合用在工業(yè)、汽車(chē)和電信電源系統領(lǐng)域的各種高電壓和大電流應用。該器件是一款高壓柵極驅動(dòng)器，設計用于驅動(dòng)半橋配置的N溝道MOSFET，輸入電源電壓最高可達140 V。該IC具有強大的驅動(dòng)器，能夠對通常與高壓MOSFET相關(guān)的大柵極電容進(jìn)行快速充電和放電。此外，自適應擊穿保護特性會(huì )監控開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的電壓，并控制驅動(dòng)器輸出，以防止MOSFET同時(shí)導通。這一關(guān)鍵特性能夠防止電流擊穿，并有助于提高電源效率。 LTC7063的高端和低端MOSFET驅動(dòng)器均浮空，IC和輸出地之間的接地偏移最高可達10 V。這種浮地架構使驅動(dòng)器輸出更加穩健，并且對接地偏移、噪聲和瞬變不太敏感。浮地功能使該器件成為遠程MOSFET控制應用以及高電壓、大電流開(kāi)關(guān)電容轉換器的出色選擇。 LTC7063的安全和保護特性包括熱關(guān)斷、輸入欠壓和過(guò)壓保護電路，以及用于高端和低端MOSFET驅動(dòng)器的欠壓保護電路，可幫助確保任何半橋應用的長(cháng)期可靠性和穩健性。 為了高效傳熱，這些柵極驅動(dòng)器采用散熱增強型裸露焊盤(pán)封裝。 基于LTC7063的降壓轉換器應用（帶遠端負載） 圖1為采用LTC7063設計的2:1降壓轉換器（帶遠端負載）。器件采用高達80 V的輸入電源供電，輸出電壓為½ VIN，最大負載為5 A。PWM引腳從外部控制器接收三態(tài)邏輯信號，當PWM信號達到上升閾值以上時(shí)，高端MOSFET的柵極被驅動(dòng)至高電平。低端MOSFET與高端MOSFET實(shí)現互補驅動(dòng)。輸入信號上升閾值與下降閾值之間的滯回解決了MOSFET的誤觸發(fā)問(wèn)題。在輸入信號的滯回間隔時(shí)間內，高端和低端MOSFET均被拉低。當使能(EN)引腳為高電平時(shí)，頂柵(TG)和底柵(BG)輸出均對應輸入PWM信號；通過(guò)將EN引腳拉至低電平，TG和BG輸出均被拉低。 BST-SW和BGVCC-BGRTN電源自舉確保高端和低端驅動(dòng)器高效運行，而無(wú)需任何額外的隔離電源電壓，進(jìn)而能夠減少電路板上的元件數量并降低成本�？刂撇ㄐ魏推骄敵鲭妷航Y果如圖2所示。 
圖1.帶遠端負載的降壓電源轉換器
圖2.PWM、TG-SW、BGVCC-BGRTN和VOUT波形 TG和BG之間的死區時(shí)間較短，在DG引腳和地之間添加一個(gè)電阻可以加快BG/TG上升速度。將死區時(shí)間(DT)引腳短接至地時(shí)，此轉變的默認死區時(shí)間為32 ns，而將DT引腳浮空時(shí)，死區時(shí)間可延長(cháng)至最大250 ns。該可編程死區時(shí)間特性能夠為高壓應用提供更穩健的擊穿保護。 為了實(shí)現更高效率，盡可能降低開(kāi)關(guān)損耗非常重要。高端和低端MOSFET驅動(dòng)器的1.5 Ω上拉電阻和0.8 Ω下拉電阻快速接通或斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，防止電流交叉傳導，從而提高效率。圖3和圖4顯示了導通和關(guān)斷之間的開(kāi)關(guān)轉換以及死區時(shí)間。
圖3.BG下降至TG上升的轉變 表1.LTC706x系列產(chǎn)品
圖4.TG下降至BG上升的轉變 故障(FLT)引腳為開(kāi)漏輸出，當LTC7063的結溫達到180℃時(shí)，器件內部會(huì )將該引腳拉低。當VCC的電源電壓低于5.3 V或高于14.6 V時(shí)，該引腳也會(huì )被拉低。對于圖1所示的應用，低于3.3 V的BGVCC-BGRTN和BST-SW浮空電壓會(huì )觸發(fā)故障條件并將FLT引腳拉低。一旦所有故障都清除，經(jīng)過(guò)100 μs的延遲后，FLT引腳將被外部電阻拉高。 表1列舉了LTC706x系列中的其他產(chǎn)品，它們具有與LTC7063類(lèi)似的特性。 結論 LTC7063是一款高壓N溝道半橋柵極驅動(dòng)器，屬于LTC706x產(chǎn)品系列。其專(zhuān)業(yè)的雙浮地架構能夠為接地偏移和遠端負載應用提供高效的驅動(dòng)器輸出，且兼具優(yōu)異的抗噪能力。自適應擊穿保護和可編程死區時(shí)間特性可消除任何潛在的擊穿電流，而強大的MOSFET驅動(dòng)器則可實(shí)現快速開(kāi)關(guān)，并幫助高電壓、大電流DC-DC應用實(shí)現高效率，從而盡可能降低功率損耗。 作者簡(jiǎn)介 Srikesh Pulluri 于2023年加入ADI公司，擔任工業(yè)電力系統團隊的產(chǎn)品應用工程師，主要負責涉及半橋柵極驅動(dòng)器和4開(kāi)關(guān)降壓升壓拓撲的電源解決方案。他擁有印度奧斯馬尼亞大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和科羅拉多大學(xué)博爾德分校電氣工程碩士學(xué)位。 |
