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實(shí)現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

發(fā)布時間:2013-09-30 來源:ADI 責(zé)任編輯:cicy

【導(dǎo)讀】隔離式半橋柵極驅(qū)動器可用于許多應(yīng)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(guān)重要的太陽能逆變器等等,不一而足。本文將詳細(xì)闡述這些設(shè)計(jì)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(dǎo)通損耗,同時通過快速開關(guān)時間降低開關(guān)損耗。高端和低端驅(qū)動器需要高度匹配的時序特性,以實(shí)現(xiàn)精確高效開關(guān)操作。這可以減少二次開關(guān)導(dǎo)通前關(guān)斷半橋一次開關(guān)的空載時間。實(shí)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(jìn)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(yīng)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(jié)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(guān)事件中,電路中的寄生電感可能導(dǎo)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。
實(shí)現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
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(shí)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(dú)立的光耦合器柵極驅(qū)動器IC構(gòu)成完整的隔離式半橋,結(jié)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(guān)閉一個通道與打開另一個通道之間的死區(qū),從而導(dǎo)致效率下降。光耦合器的響應(yīng)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(dá)1MHz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。要使光耦合器達(dá)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(yīng)用中常見的高溫環(huán)境下。
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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(dá)到半橋柵極驅(qū)動器應(yīng)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(dāng)感應(yīng)線圈中有較大的瞬態(tài)柵極驅(qū)動電流流過時(會導(dǎo)致振鈴),這種應(yīng)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(guān)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(yīng)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?yàn)殍F芯磁通量必須每半個周期復(fù)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(yīng)許多高密度應(yīng)用。
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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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)5 kV rms以上(1分鐘額定值)的隔離能力,可用于增強(qiáng)型隔離電源和逆變器應(yīng)用。
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圖4. 采用變壓器隔離的數(shù)字隔離器
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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(guān)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(dǎo)通損耗,同時通過快速開關(guān)時間降低開關(guān)損耗。與光耦合器設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換電路中的傳播延遲,因而不能像數(shù)字隔離器一樣實(shí)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(yīng)用中,開關(guān)元件中可能發(fā)生極快的瞬變。在這些應(yīng)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(dǎo)致邏輯瞬變錯誤。在隔離式半橋驅(qū)動器應(yīng)用中,這種情況可能在交叉?zhèn)鲗?dǎo)過程中同時打開兩個開關(guān),因而可能損壞開關(guān)。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(shù)被運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)到25kV/μ對許多柵極驅(qū)動器應(yīng)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(yīng)用來說,可能需要CMTI達(dá)到50kV/μs或以上。
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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(dǎo)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(shí)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(shí)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(yuǎn)高于預(yù)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(dāng)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6 ns,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(guān)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)。
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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(yīng)用,事實(shí)表明,相對于基于光耦合器和脈沖變壓器的設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)復(fù)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(jìn)一步提高了魯棒性。


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