实现隔离式半桥栅极驱动器的设计基础

隔离式半桥栅极驱动器用于许多应用，从需要高功率密度和效率的隔离式DC-DC电源模块，到高隔离电压和长期可靠性至关重要的太阳能逆变器。本文将详细讨论这些设计概念，探讨隔离式半桥栅极驱动器解决方案提供高性能和小尺寸解决方案的能力。

隔离式半桥驱动器的功能是驱动高侧和低侧N沟道MOSFET（或IGBT）的栅极，具有低输出阻抗以降低导通损耗，并驱动快速开关时间以降低开关损耗。高边和低边驱动器需要非常紧密地匹配时序特性，以实现准确高效的开关。这减少了半桥的一个开关在第二个开关导通之前关闭的死区时间。实现隔离式半桥栅极驱动功能的典型方法是使用光耦合器进行隔离，然后使用高压栅极驱动器IC，如图1所示。该电路的一个潜在问题是只有一个隔离的输入通道，它依赖于高压驱动器在通道之间的时序上实现所需的匹配，并且还依赖于应用所需的死区时间。另一个问题是，高压栅极驱动器没有电流隔离，而是依靠结隔离将同一IC中的高端驱动电压与低端驱动电压分开。电路中的寄生电感会导致输出电压V。S，以在低侧开关事件期间降至地电位以下。发生这种情况时，高边驱动器可能会闩锁并永久损坏。

图1.高压半桥栅极驱动器。

光耦合器栅极驱动器

第二种方法如图2所示，通过使用两个光耦合器在输出之间建立电流隔离，避免了高端到低端相互作用的问题。栅极驱动器电路通常与光耦合器封装在同一封装中，最常见的是使用两个独立的光耦合器栅极驱动器IC来完成隔离式半桥，这使得解决方案尺寸更大。应该注意的是，光耦合器是作为分立器件制造的，即使两个封装在一起，因此它们在通道间匹配方面会有局限性。这将增加关闭一个通道和打开另一个通道之间所需的死区时间，从而降低效率。光耦合器的响应速度也受到初级侧发光二极管（LED）电容的限制，将输出驱动到高达1 MHz的速度将受到其传播延迟（最大值为500 ns）和缓慢上升和下降时间（最大值为100 ns）的限制。为了使光耦合器达到最大速度，需要将LED电流增加到10 mA以上，消耗更多的功率，并降低光耦合器的使用寿命和可靠性，特别是在太阳能逆变器和电源应用中常见的高温环境中。

图2.光耦合器半桥栅极驱动器。

脉冲变压器栅极驱动器

接下来，我们将介绍电流隔离器，由于传播延迟更低，时序更精确，因此与光耦合器相比具有速度优势。脉冲变压器是一种隔离变压器，能够以半桥栅极驱动器应用通常需要的速度（高达1 MHz）运行。栅极驱动器 IC 可用于提供为容性 MOSFET 栅极充电所需的高电流。图3中的栅极驱动器将差分驱动脉冲变压器的初级，该变压器在次级上有两个绕组，以驱动半桥的每个栅极。使用脉冲变压器的一个优点是，它不需要隔离电源来驱动次级侧MOSFET。当大瞬态栅极驱动电流流过电感线圈时，可能会出现此应用中的潜在问题，从而导致振铃。这可能会在无意中打开和关闭栅极，从而导致MOSFET损坏。脉冲变压器的另一个限制是，它们在需要占空比超过50%的信号的应用中可能无法正常工作。这是因为变压器只能提供交流信号，因为必须每半个周期重置一次磁芯磁通以保持伏秒平衡。最后，脉冲变压器的磁芯和隔离绕组需要相对较大的封装。这与驱动器IC和其他分立元件相结合，创造了一个对于许多高密度应用来说可能太大的解决方案。

图3.脉冲变压器半桥栅极驱动器。

数字隔离器栅极驱动器

现在，我们将研究隔离式半桥栅极驱动器的数字隔离器方法。在图4中，数字隔离器使用标准的CMOS集成电路工艺，金属层形成由聚酰亚胺绝缘层隔开的变压器线圈。这种组合可实现超过 5 kV rms（1 分钟额定值）的隔离，可用于增强型隔离电源和逆变器应用。

图4.带变压器隔离的数字隔离器。

如图5所示，数字隔离器消除了光耦合器中使用的LED及其相关的老化问题，功耗要低得多，而且更可靠。在输入和输出之间以及输出之间提供电流隔离，以消除高端到低端的相互作用。输出驱动器提供低输出阻抗以降低导通损耗，并提供快速开关时间以降低开关损耗。与光耦合器设计不同，高侧和低侧数字隔离器是具有匹配输出的集成电路，可提高效率。高压栅极驱动器集成电路（图1）在电平转换电路中增加了传播延迟，因此无法像数字隔离器那样匹配通道间时序特性。在数字隔离器中集成栅极驱动器，将解决方案尺寸减小到单个封装，从而实现更小的解决方案尺寸。

图5.数字隔离器 4 A 栅极驱动器。

共模瞬态抗扰度

在许多高压电源的半桥栅极驱动器应用中，开关元件上可能会出现非常快的瞬变。在这些应用中，如果较大的dV/dt可以跨越隔离栅进行容性耦合，则有可能在隔离栅上引起逻辑转换误差。在隔离式半桥驱动器应用中，这可能会以交叉导通的方式打开两个开关，从而损坏开关。隔离栅上的任何寄生电容往往都是共模瞬变的耦合路径。光耦合器需要具有非常灵敏的接收器来检测通过隔离栅传输的少量光，并且其输出可能会因较大的共模瞬变而中断。通过在LED和接收器之间增加屏蔽层，可以提高光耦合器对共模瞬态电压的灵敏度，这是大多数光耦合器栅极驱动器的制造方式。该屏蔽可将额定值低于10 kV/μs的标准光耦合器的共模瞬变抗扰度（CMTI）提高到光耦合器栅极驱动器的25 kV/μs。对于许多栅极驱动应用，25 kV/μs CMTI 可能就足够了，但对于具有大瞬态电压的电源和太阳能逆变器应用，可能需要 50 kV/μs 或更高的 CMTI。

数字隔离器可以为其接收器提供更高的信号电平，并承受非常高的共模瞬变，而不会产生数据错误。基于变压器的隔离器是四个终端器件，为信号提供低差分阻抗，为噪声提供高共模阻抗，从而产生出色的CMTI。其他数字隔离器可能使用电容耦合来产生不断变化的电场，并跨越隔离栅传输数据。与基于变压器的隔离器不同，基于电容器的隔离器是双端器件，噪声和信号共享相同的传输路径。对于双端器件，信号频率需要远高于预期的噪声频率，以便势垒电容对信号呈现低阻抗，对噪声呈现高阻抗。当共模噪声电平大到足以压倒信号时，可能会导致隔离器输出端的数据混乱。图6显示了基于电容的隔离器数据扰动示例，其中输出（通道4）在仅10 kV/μs的共模瞬变期间低电平毛刺6 ns。请注意，该数据是在扰动基于电容的隔离器的阈值电平下获取的，如果瞬态较大，则扰动可能会持续更长的时间，这可能导致MOSFET的开关不稳定。相比之下，基于变压器的数字隔离器已被证明可以承受超过100 kV/μs的共模瞬变，而不会在输出端出现数据干扰（见图7）。

图6.基于电容的数字隔离器，CMTI为< 10 kV/μs。

图7.基于变压器的数字隔离器ADuM140x，CMTI为100 kV/μs。

总之，对于隔离式半桥栅极驱动器应用，基于变压器的数字隔离器已被证明比基于光耦合器和脉冲变压器的设计具有许多优势。通过集成，解决方案尺寸和设计复杂性显著降低，从而大大提高了时序性能。通过输出驱动器的电气隔离和更高的CMTI，鲁棒性也得到了改善。

审核编辑：郭婷