如何實現隔離式半橋柵極驅動器?

Ameya360

許多應用都采用隔離式半橋柵極驅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，以展現采用小型封裝的隔離式半橋柵極驅動器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動器（如圖1所示）以極性相反的信號來驅動高端和低端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. 高壓半橋柵極驅動器

如圖所示，這種功能的一種常規實現方式是用一個光耦合器進行隔離，其后用一個高壓柵極驅動器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動器電路來實現所需要的通道間時序匹配和停滯時間。另一問題是，高壓柵極驅動器并無電流隔離，而是依賴IC的結隔離來分離高端驅動電壓和低端驅動電壓。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。發生這種情況時，高端驅動器可能發生閂鎖，并永久性損壞。

光耦合器柵極驅動器

另一種方法（如圖2所示）利用兩個光耦合器和兩個柵極驅動器來實現輸出之間的電流隔離，從而避免了高端-低端交互作用的問題。柵極驅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動器

光耦合器的響應速度受到原邊發光二極管(LED)電容的限制，而且將輸出驅動至高達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境下。

脈沖變壓器柵極驅動器

接下來，我們來看看通過變壓器耦合實現電流隔離的電路。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動器應用通常所需的水平（最高1 MHz）。柵極驅動器IC可用于提供容性MOSFET柵極充電所需的高電流。在此，柵極驅動器以差分方式驅動脈沖變壓器的原邊，兩個副邊繞組驅動半橋的各個柵極。在這種應用中，脈沖變壓器具有顯著優勢，不需要用隔離式電源來驅動副邊MOSFET。

圖3. 脈沖變壓器半橋柵極驅動器

然而，當感應線圈中流動的較大瞬態柵極驅動電流導致振鈴時，就可能出現問題。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。

數字隔離器柵極驅動器

現在，我們來看看把數字隔離器用在隔離式半橋柵極驅動器中的情況。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圈，并以聚酰亞胺絕緣材料來分離線圈。這種組合可以實現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，因而不能像數字隔離器一樣實現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，開關元件中可能發生極快的瞬變。在這些應用中，在隔離柵上發生容性耦合的、快速變化的瞬態電壓（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傳導過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據錯誤。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據的數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據。圖6所示為基于電容的隔離器中發生數據擾亂示例，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. 基于電容的數字隔離器（CMTI <10 kV/μs）

圖中數據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更長時間，從而使MOSFET開關變得不穩定。相比之下，基于變壓器的數字隔離器能夠承受超過100 kV/μs的共模瞬變，而輸出端不會出現數據擾亂問題（圖7）。

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

隔離式半橋驅動器提供4 A峰值輸出電流

TheADuM3223/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，各路輸出的持續工作電壓最高可達565VPEAK，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。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。

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，集成變壓器的數字隔離器具有眾多優勢。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。

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