實現(xiàn)隔離式半橋柵極驅動器的設計途徑

　　圖5. 采用數(shù)字隔離的4 A柵極驅動器

　　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所示高壓柵極驅動器集成電路會增加電平轉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動器的25 kV/μs.雖然該額定值對許多柵極驅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）

　　隔離式半橋驅動器提供4 A峰值輸出電流

　　ADuM3223/ADuM4223 隔離式半橋柵極驅動器（如圖8所示）采用iCoupler技術以獨立的隔離式輸出來驅動電機控制、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℃至+125℃，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。

　　圖8. ADuM3223/ADuM4223框圖

　　總結

　　對于隔離式半橋柵極驅動器應用，事實表明，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(shù)字隔離器具有眾多優(yōu)勢。通過集成大幅降低了尺寸和設計復雜性，從而極大地提高了時序特性。輸出驅動器采用的電流隔離技術則改進了魯棒性，變壓器耦合技術則顯著提高了CMTI.