隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器用于許多應(yīng)用，從需要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(zhǎng)期可靠性至關(guān)重要的太陽(yáng)能逆變器。本文將詳細(xì)討論這些設(shè)計(jì)概念，探討隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案提供高性能和小尺寸解決方案的能力。

隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器的功能是驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)N溝道MOSFET（或IGBT）的柵極，具有低輸出阻抗以降低導(dǎo)通損耗，并驅(qū)動(dòng)快速開(kāi)關(guān)時(shí)間以降低開(kāi)關(guān)損耗。高邊和低邊驅(qū)動(dòng)器需要非常緊密地匹配時(shí)序特性，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的開(kāi)關(guān)。這減少了半橋的一個(gè)開(kāi)關(guān)在第二個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通之前關(guān)閉的死區(qū)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)功能的典型方法是使用光耦合器進(jìn)行隔離，然后使用高壓柵極驅(qū)動(dòng)器IC，如圖1所示。該電路的一個(gè)潛在問(wèn)題是只有一個(gè)隔離的輸入通道，它依賴于高壓驅(qū)動(dòng)器在通道之間的時(shí)序上實(shí)現(xiàn)所需的匹配，并且還依賴于應(yīng)用所需的死區(qū)時(shí)間。另一個(gè)問(wèn)題是，高壓柵極驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有電流隔離，而是依靠結(jié)隔離將同一IC中的高端驅(qū)動(dòng)電壓與低端驅(qū)動(dòng)電壓分開(kāi)。電路中的寄生電感會(huì)導(dǎo)致輸出電壓V。S，以在低側(cè)開(kāi)關(guān)事件期間降至地電位以下。發(fā)生這種情況時(shí)，高邊驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)閂鎖并永久損壞。

圖1.高壓半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。

光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器

第二種方法如圖2所示，通過(guò)使用兩個(gè)光耦合器在輸出之間建立電流隔離，避免了高端到低端相互作用的問(wèn)題。柵極驅(qū)動(dòng)器電路通常與光耦合器封裝在同一封裝中，最常見(jiàn)的是使用兩個(gè)獨(dú)立的光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器IC來(lái)完成隔離式半橋，這使得解決方案尺寸更大。應(yīng)該注意的是，光耦合器是作為分立器件制造的，即使兩個(gè)封裝在一起，因此它們?cè)谕ǖ篱g匹配方面會(huì)有局限性。這將增加關(guān)閉一個(gè)通道和打開(kāi)另一個(gè)通道之間所需的死區(qū)時(shí)間，從而降低效率。光耦合器的響應(yīng)速度也受到初級(jí)側(cè)發(fā)光二極管（LED）電容的限制，將輸出驅(qū)動(dòng)到高達(dá)1 MHz的速度將受到其傳播延遲（最大值為500 ns）和緩慢上升和下降時(shí)間（最大值為100 ns）的限制。為了使光耦合器達(dá)到最大速度，需要將LED電流增加到10 mA以上，消耗更多的功率，并降低光耦合器的使用壽命和可靠性，特別是在太陽(yáng)能逆變器和電源應(yīng)用中常見(jiàn)的高溫環(huán)境中。

圖2.光耦合器半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。

脈沖變壓器柵極驅(qū)動(dòng)器

接下來(lái)，我們將介紹電流隔離器，由于傳播延遲更低，時(shí)序更精確，因此與光耦合器相比具有速度優(yōu)勢(shì)。脈沖變壓器是一種隔離變壓器，能夠以半橋柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用通常需要的速度（高達(dá)1 MHz）運(yùn)行。柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 可用于提供為容性 MOSFET 柵極充電所需的高電流。圖3中的柵極驅(qū)動(dòng)器將差分驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器的初級(jí)，該變壓器在次級(jí)上有兩個(gè)繞組，以驅(qū)動(dòng)半橋的每個(gè)柵極。使用脈沖變壓器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它不需要隔離電源來(lái)驅(qū)動(dòng)次級(jí)側(cè)MOSFET。當(dāng)大瞬態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)電感線圈時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)此應(yīng)用中的潛在問(wèn)題，從而導(dǎo)致振鈴。這可能會(huì)在無(wú)意中打開(kāi)和關(guān)閉柵極，從而導(dǎo)致MOSFET損壞。脈沖變壓器的另一個(gè)限制是，它們?cè)谛枰伎毡瘸^(guò)50%的信號(hào)的應(yīng)用中可能無(wú)法正常工作。這是因?yàn)樽儔浩髦荒芴峁┙涣餍盘?hào)，因?yàn)楸仨毭堪雮€(gè)周期重置一次磁芯磁通以保持伏秒平衡。最后，脈沖變壓器的磁芯和隔離繞組需要相對(duì)較大的封裝。這與驅(qū)動(dòng)器IC和其他分立元件相結(jié)合，創(chuàng)造了一個(gè)對(duì)于許多高密度應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能太大的解決方案。

圖3.脈沖變壓器半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。

數(shù)字隔離器柵極驅(qū)動(dòng)器

現(xiàn)在，我們將研究隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字隔離器方法。在圖4中，數(shù)字隔離器使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS集成電路工藝，金屬層形成由聚酰亞胺絕緣層隔開(kāi)的變壓器線圈。這種組合可實(shí)現(xiàn)超過(guò) 5 kV rms（1 分鐘額定值）的隔離，可用于增強(qiáng)型隔離電源和逆變器應(yīng)用。

圖4.帶變壓器隔離的數(shù)字隔離器。

如圖5所示，數(shù)字隔離器消除了光耦合器中使用的LED及其相關(guān)的老化問(wèn)題，功耗要低得多，而且更可靠。在輸入和輸出之間以及輸出之間提供電流隔離，以消除高端到低端的相互作用。輸出驅(qū)動(dòng)器提供低輸出阻抗以降低導(dǎo)通損耗，并提供快速開(kāi)關(guān)時(shí)間以降低開(kāi)關(guān)損耗。與光耦合器設(shè)計(jì)不同，高側(cè)和低側(cè)數(shù)字隔離器是具有匹配輸出的集成電路，可提高效率。高壓柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路（圖1）在電平轉(zhuǎn)換電路中增加了傳播延遲，因此無(wú)法像數(shù)字隔離器那樣匹配通道間時(shí)序特性。在數(shù)字隔離器中集成柵極驅(qū)動(dòng)器，將解決方案尺寸減小到單個(gè)封裝，從而實(shí)現(xiàn)更小的解決方案尺寸。

圖5.數(shù)字隔離器 4 A 柵極驅(qū)動(dòng)器。

共模瞬態(tài)抗擾度

在許多高壓電源的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)元件上可能會(huì)出現(xiàn)非常快的瞬變。在這些應(yīng)用中，如果較大的dV/dt可以跨越隔離柵進(jìn)行容性耦合，則有可能在隔離柵上引起邏輯轉(zhuǎn)換誤差。在隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，這可能會(huì)以交叉導(dǎo)通的方式打開(kāi)兩個(gè)開(kāi)關(guān)，從而損壞開(kāi)關(guān)。隔離柵上的任何寄生電容往往都是共模瞬變的耦合路徑。光耦合器需要具有非常靈敏的接收器來(lái)檢測(cè)通過(guò)隔離柵傳輸?shù)纳倭抗猓⑶移漭敵隹赡軙?huì)因較大的共模瞬變而中斷。通過(guò)在LED和接收器之間增加屏蔽層，可以提高光耦合器對(duì)共模瞬態(tài)電壓的靈敏度，這是大多數(shù)光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器的制造方式。該屏蔽可將額定值低于10 kV/μs的標(biāo)準(zhǔn)光耦合器的共模瞬變抗擾度（CMTI）提高到光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器的25 kV/μs。對(duì)于許多柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，25 kV/μs CMTI 可能就足夠了，但對(duì)于具有大瞬態(tài)電壓的電源和太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用，可能需要 50 kV/μs 或更高的 CMTI。

數(shù)字隔離器可以為其接收器提供更高的信號(hào)電平，并承受非常高的共模瞬變，而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤?；谧儔浩鞯母綦x器是四個(gè)終端器件，為信號(hào)提供低差分阻抗，為噪聲提供高共模阻抗，從而產(chǎn)生出色的CMTI。其他數(shù)字隔離器可能使用電容耦合來(lái)產(chǎn)生不斷變化的電場(chǎng)，并跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)。與基于變壓器的隔離器不同，基于電容器的隔離器是雙端器件，噪聲和信號(hào)共享相同的傳輸路徑。對(duì)于雙端器件，信號(hào)頻率需要遠(yuǎn)高于預(yù)期的噪聲頻率，以便勢(shì)壘電容對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)共模噪聲電平大到足以壓倒信號(hào)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致隔離器輸出端的數(shù)據(jù)混亂。圖6顯示了基于電容的隔離器數(shù)據(jù)擾動(dòng)示例，其中輸出（通道4）在僅10 kV/μs的共模瞬變期間低電平毛刺6 ns。請(qǐng)注意，該數(shù)據(jù)是在擾動(dòng)基于電容的隔離器的閾值電平下獲取的，如果瞬態(tài)較大，則擾動(dòng)可能會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間，這可能導(dǎo)致MOSFET的開(kāi)關(guān)不穩(wěn)定。相比之下，基于變壓器的數(shù)字隔離器已被證明可以承受超過(guò)100 kV/μs的共模瞬變，而不會(huì)在輸出端出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾（見(jiàn)圖7）。

圖6.基于電容的數(shù)字隔離器，CMTI為< 10 kV/μs。

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

總之，對(duì)于隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，基于變壓器的數(shù)字隔離器已被證明比基于光耦合器和脈沖變壓器的設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)勢(shì)。通過(guò)集成，解決方案尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性顯著降低，從而大大提高了時(shí)序性能。通過(guò)輸出驅(qū)動(dòng)器的電氣隔離和更高的CMTI，魯棒性也得到了改善。

審核編輯：郭婷