【導(dǎo)讀】隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器可用于許多應(yīng)用，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(zhǎng)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(xì)闡述這些設(shè)計(jì)理念，探索隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案在提供高性能和小尺寸解決方案方面的卓越能力。
隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器的功能是驅(qū)動(dòng)高端和低端N溝道MOSFET（或IGBT）的柵極，通過(guò)低輸出阻抗降低導(dǎo)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。高端和低端驅(qū)動(dòng)器需要高度匹配的時(shí)序特性，以實(shí)現(xiàn)精確高效開(kāi)關(guān)操作。這可以減少二次開(kāi)關(guān)導(dǎo)通前關(guān)斷半橋一次開(kāi)關(guān)的空載時(shí)間。實(shí)現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)功能的典型方法是使用光耦合器進(jìn)行隔離，后跟高壓柵極驅(qū)動(dòng)器IC，如圖1所示。該電路的一個(gè)潛在問(wèn)題是，僅有一個(gè)隔離輸入通道，而且依賴高壓驅(qū)動(dòng)器來(lái)提供通道間所需的時(shí)序匹配以及應(yīng)用所需的死區(qū)。另一問(wèn)題是，高壓柵極驅(qū)動(dòng)器并無(wú)電流隔離，而是依賴結(jié)隔離來(lái)分離同一IC中的高端驅(qū)動(dòng)電壓和低端驅(qū)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(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。
圖1. 高壓半橋柵極驅(qū)動(dòng)器
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)光耦合器來(lái)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(wèn)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，最常見(jiàn)的情況是，兩個(gè)獨(dú)立的光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器IC構(gòu)成完整的隔離式半橋，結(jié)果使解決方案尺寸變大。需要注意的是，光耦合器是作為分立式器件生產(chǎn)的，即使兩個(gè)光耦合器封裝在一起亦是如此，因此，它們的通道間匹配存在限制。這會(huì)增加關(guān)閉一個(gè)通道與打開(kāi)另一個(gè)通道之間的死區(qū)，從而導(dǎo)致效率下降。光耦合器的響應(yīng)速度同樣受到原邊發(fā)光二極管(LED)電容的限制，而且將輸出驅(qū)動(dòng)至高達(dá)1MHz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。要使光耦合器達(dá)到最高速度，需要將LED電流增加至10mA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(yīng)用中常見(jiàn)的高溫環(huán)境下。
圖2. 光耦合器半橋柵極驅(qū)動(dòng)器
脈沖變壓器柵極驅(qū)動(dòng)器
接下來(lái)，我們將探討電流隔離器，由于它們具有更低的傳播延遲、更精確的時(shí)序，因此速度比光耦合器更高。脈沖變壓器是一種隔離變壓器，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1MHz）。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。圖3中的柵極驅(qū)動(dòng)器以差分方式驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器的原邊，該變壓器副邊有兩個(gè)繞組，用于驅(qū)動(dòng)半橋的各個(gè)柵極。使用脈沖變壓器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它不需要用隔離電源來(lái)驅(qū)動(dòng)副邊MOSFET。當(dāng)感應(yīng)線圈中有較大的瞬態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)時(shí)（會(huì)導(dǎo)致振鈴），這種應(yīng)用就可能出現(xiàn)問(wèn)題。它有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?cè)谝笮盘?hào)占空比在50%以上的應(yīng)用中可能表現(xiàn)不佳。這是由于變壓器只能提供交流信號(hào)，因?yàn)殍F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，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，最終建立的解決方案可能尺寸過(guò)大，無(wú)法適應(yīng)許多高密度應(yīng)用。
圖3. 脈沖變壓器半橋柵極驅(qū)動(dòng)器
現(xiàn)在，我們來(lái)看看以數(shù)字隔離器來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的方法。在圖4中，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(lái)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，可用于增強(qiáng)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
圖5. 數(shù)字隔離器4A柵極驅(qū)動(dòng)器
如圖5中電路所示，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(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，以消除高端-低端的交互作用。輸出驅(qū)動(dòng)器通過(guò)低輸出阻抗降低導(dǎo)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。與光耦合器設(shè)計(jì)不同，高端和低端數(shù)字隔離器是輸出匹配型集成電路，具有更高的效率。高壓柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路（圖1）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。在數(shù)字隔離器中集成柵極驅(qū)動(dòng)器，可使解決方案的尺寸降至單封裝級(jí)，從而大幅減小解決方案尺寸。
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，如果較大的dV/dt可能在隔離柵上發(fā)生容性耦合，則有可能在隔離柵上導(dǎo)致邏輯瞬變錯(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，以降低光耦合器對(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10kV/μs的額定值提升至光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器的25kV/μs。雖然CMTI達(dá)到25kV/μ對(duì)許多柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用是合適的，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50kV/μs或以上。
圖6. 基于電容的數(shù)字隔離器（CMTI < 10kV/μs）
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。基于變壓器的隔離器是四端器件，可對(duì)信號(hào)提供低差分阻抗，對(duì)噪聲提供高共模阻抗，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的CMTI。其它數(shù)字隔離器可能使用容性耦合來(lái)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸。與基于變壓器的隔離器不同，基于電容的隔離器是雙端器件，噪聲和信號(hào)共用同一傳輸路徑。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）在僅10kV/μs的共模瞬變過(guò)程中下降了6 ns，造成毛刺。注意，圖中數(shù)據(jù)是在基于電容的隔離器的擾亂閾值下采集的；如果瞬變較大，擾亂可能持續(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)100kV/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（見(jiàn)圖7）。
圖7. 基于變壓器的數(shù)字隔離器ADuM140x（CMTI為100kV/μs）
