ADI實驗室電路:實現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動器 - 全文

許多應用都采用隔離式半橋柵極驅(qū)動器來控制大量功率，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重要的太陽能逆變器等等，不一而足。本文將詳細闡述這些設計理念，以展現(xiàn)采用小型封裝的隔離式半橋柵極驅(qū)動器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)動器（如圖1所示）以極性相反的信號來驅(qū)動高端和低端N溝道MOSFET（或IGBT）的柵極，由此來控制輸出功率。驅(qū)動器必須具備低輸出阻抗以減少傳導損耗，同時還須具有快速開關能力以減少開關損耗。出于精度和效率的考慮，高端和低端驅(qū)動器需要具備高度匹配的時序特性，以便減少在半橋的第一個開關關閉，第二個開關開啟前的停滯時間。

圖1. 高壓半橋柵極驅(qū)動器

如圖所示，這種功能的一種常規(guī)實現(xiàn)方式是用一個光耦合器進行隔離，其后用一個高壓柵極驅(qū)動器IC。這種電路的一個潛在不足，就是單隔離輸入通道依賴高壓驅(qū)動器電路來實現(xiàn)所需要的通道間時序匹配和停滯時間。另一問題是，高壓柵極驅(qū)動器并無電流隔離，而是依賴IC的結隔離來分離高端驅(qū)動電壓和低端驅(qū)動電壓。在低端開關事件中，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，高端驅(qū)動器可能發(fā)生閂鎖，并永久性損壞。

光耦合器柵極驅(qū)動器

另一種方法（如圖2所示）利用兩個光耦合器和兩個柵極驅(qū)動器來實現(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，因而一般需要兩個獨立的光耦合器柵極驅(qū)動器IC來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通道的能力。這種失配會增加關閉一個通道與打開另一個通道之間的停滯時間，從而導致效率下降。

圖2. 雙光耦合器半橋柵極驅(qū)動器

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(qū)動至高達1 MHz的速度也會受到其傳播延遲（最大值為500 ns）以及較慢的上升和下降時間（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用中常見的高溫環(huán)境下。

脈沖變壓器柵極驅(qū)動器

接下來，我們來看看通過變壓器耦合實現(xiàn)電流隔離的電路。這些電路的傳播延遲較低、時序特性更精確，與光耦合器相比，具有速度優(yōu)勢。在圖3中，采用的是一個脈沖變壓器，其工作速度可以達到半橋柵極驅(qū)動器應用通常所需的水平（最高1 MHz）。柵極驅(qū)動器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)動器以差分方式驅(qū)動脈沖變壓器的原邊，兩個副邊繞組驅(qū)動半橋的各個柵極。在這種應用中，脈沖變壓器具有顯著優(yōu)勢，不需要用隔離式電源來驅(qū)動副邊MOSFET。

圖3. 脈沖變壓器半橋柵極驅(qū)動器

然而，當感應線圈中流動的較大瞬態(tài)柵極驅(qū)動電流導致振鈴時，就可能出現(xiàn)問題。結果可能使柵極不合需要地開啟和關閉，從而損壞MOSFET。脈沖變壓器的另一個局限在于，它們在要求信號占空比在50%以上的應用中可能表現(xiàn)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周期復位一次以維持伏秒平衡。最后一點不足：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(qū)動器IC和其他分立式元件，最終形成的解決方案可能尺寸過大，無法適應許多高密度應用。

數(shù)字隔離器柵極驅(qū)動器

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)動器中的情況。圖4中的數(shù)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圈，并以聚酰亞胺絕緣材料來分離線圈。這種組合可以實現(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)動器通過低輸出阻抗降低導通損耗，同時通過快速開關時間降低開關損耗。

圖5. 采用數(shù)字隔離的4 A柵極驅(qū)動器

與光耦合器設計不同，高端和低端數(shù)字隔離器以單個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(qū)動器集成電路會增加電平轉(zhuǎn)換電路中的傳播延遲，因而不能像數(shù)字隔離器一樣實現(xiàn)通道間時序特性的匹配。另外，在單個IC封裝中同時集成柵極驅(qū)動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(qū)動器應用中，開關元件中可能發(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(qū)動器應用中，這種情況可能在交叉?zhèn)鲗н^程中同時打開兩個開關，因而可能損壞開關。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，這種技術被運用在多數(shù)光耦合器柵極驅(qū)動器中。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(qū)動器的25 kV/μs。雖然該額定值對許多柵極驅(qū)動器應用都是合適的，但是對于瞬變電壓較大的電源以及太陽能逆變器應用來說，可能需要CMTI達到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電平，并能承受極高的共模瞬變而不會導致數(shù)據(jù)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，因而噪聲和信號共用一個傳輸路徑。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信號時，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（通道4，綠線）在僅10 kV/μs的共模瞬變過程中下降了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，結果可能使擾亂持續(xù)更長時間，從而使MOSFET開關變得不穩(wěn)定。相比之下，基于變壓器的數(shù)字隔離器能夠承受超過100 kV/μs的共模瞬變，而輸出端不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)擾亂問題（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)動器提供4 A峰值輸出電流

ADuM3223/ADuM4223 隔離式半橋柵極驅(qū)動器（如圖8所示）采用iCoupler? 技術以獨立的隔離式輸出來驅(qū)動電機控制、開關電源和工業(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于一體，可提供精密時序、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(xù)工作電壓最高可達565 VPEAK ，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。輸出開關頻率最高可達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(qū)動器采用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°C至+125°C，采用16引腳SOIC封裝。ADuM3223的千片訂量報價為1.70美元/片，采用窄體設計，可提供3 kV rms的隔離能力。ADuM4223的千片訂量報價為2.03美元/片，采用寬體設計，可提供5 kV rms的隔離能力。