實現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動器的設計基礎

隔離式半橋柵極驅(qū)動器可用于許多應用，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，探索隔離式半橋柵極驅(qū)動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)動器的功能是驅(qū)動高端和低端N溝道MOSFET（或IGBT）的柵極，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。高端和低端驅(qū)動器需要高度匹配的時序特性，以實現(xiàn)精確高效開關操作。這可以減少二次開關導通前關斷半橋一次開關的空載時間。實現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動功能的典型方法是使用光耦合器進行隔離，后跟高壓柵極驅(qū)動器IC，如圖1所示。

該電路的一個潛在問題是，僅有一個隔離輸入通道，而且依賴高壓驅(qū)動器來提供通道間所需的時序匹配以及應用所需的死區(qū)。另一問題是，高壓柵極驅(qū)動器并無電流隔離，而是依賴結隔離來分離同一IC中的高端驅(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。

　　圖1.高壓半橋柵極驅(qū)動器

　　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，最常見的情況是，兩個獨立的光耦合器柵極驅(qū)動器IC構成完整的隔離式半橋，結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。這會增加關閉一個通道與打開另一個通道之間的死區(qū)，從而導致效率下降。

光耦合器的響應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)動至高達1MHz的速度也會受到其傳播延遲（最大值為500ns）以及較慢的上升和下降時間（最大值為100ns）的限制。要使光耦合器達到最高速度，需要將LED電流增加至10mA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。

　　圖2.光耦合器半橋柵極驅(qū)動器

　　脈沖變壓器柵極驅(qū)動器

　　接下來，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，其工作速度可以達到半橋柵極驅(qū)動器應用通常所需的水平（最高1MHz）。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。圖3中的柵極驅(qū)動器以差分方式驅(qū)動脈沖變壓器的原邊，該變壓器副邊有兩個繞組，用于驅(qū)動半橋的各個柵極。使用脈沖變壓器的一個優(yōu)勢是，它不需要用隔離電源來驅(qū)動副邊MOSFET。當感應線圈中有較大的瞬態(tài)柵極驅(qū)動電流流過時（會導致振鈴），這種應用就可能出現(xiàn)問題。

它有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)不佳。這是由于變壓器只能提供交流信號，因為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，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，最終建立的解決方案可能尺寸過大，無法適應許多高密度應用。

　　圖3.脈沖變壓器半橋柵極驅(qū)動器

　　數(shù)字隔離器柵極驅(qū)動器

　　現(xiàn)在，我們來看看以數(shù)字隔離器來實現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動器的方法。在圖4中，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)5kVrms以上（1分鐘額定值）的隔離能力，可用于增強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

　　圖5.數(shù)字隔離器4A柵極驅(qū)動器

　　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，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。與光耦合器設計不同，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)動器集成電路（圖1）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。在數(shù)字隔離器中集成柵極驅(qū)動器，可使解決方案的尺寸降至單封裝級，從而大幅減小解決方案尺寸。

　　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，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致邏輯瞬變錯誤。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，以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10kV/μs的額定值提升至光耦合器柵極驅(qū)動器的25kV/μs。雖然CMTI達到25kV/μ對許多柵極驅(qū)動器應用是合適的，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電平，并能承受極高的共模瞬變而不會導致數(shù)據(jù)錯誤。基于變壓器的隔離器是四端器件，可對信號提供低差分阻抗，對噪聲提供高共模阻抗，從而實現(xiàn)優(yōu)秀的CMTI。

其它數(shù)字隔離器可能使用容性耦合來產(chǎn)生變化的電場，實現(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，噪聲和信號共用同一傳輸路徑。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）在僅10kV/μs的共模瞬變過程中下降了6ns，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100kV/μs的共模瞬變，而輸出端不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)擾亂問題（見圖7）。

　　圖7.基于變壓器的數(shù)字隔離器ADuM140x（CMTI為100kV/μs）

　　總而言之，對于隔離式半橋柵極驅(qū)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，基于變壓器的數(shù)字隔離器具有眾多優(yōu)勢。通過集成極大降低了解決方案尺寸和設計復雜度，時序性能大大改善。通過電流隔離輸出驅(qū)動器和更高的CMTI進一步提高了魯棒性。