實(shí)現隔離式半橋柵極驅動(dòng)器的設計途徑
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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。
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