由于大多數(shù)系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動強(qiáng)度要求，為半橋配置的高側(cè)柵極供電起初似乎令人生畏。本文對允許設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的可用解決方案進(jìn)行了調(diào)查。

介紹

半橋拓?fù)鋸V泛用于電源轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動器。這主要是由于半橋能夠在總線電壓范圍內(nèi)對脈寬調(diào)制（PWM）信號提供有效的同步控制。然而，在控制器和功率器件之間，柵極驅(qū)動器通常需要獲得更快的開關(guān)時(shí)間，并為安全和/或功能目的提供隔離。對于總線電壓高于最大功率開關(guān)柵極到源極電壓限值的系統(tǒng)，必須為柵極驅(qū)動器提供系統(tǒng)總線以外的電壓。

本文介紹了各種柵極驅(qū)動供電選項(xiàng)、基本設(shè)計(jì)約束和權(quán)衡，以幫助設(shè)計(jì)人員選擇使用哪種拓?fù)?。其中包括隔離式柵極驅(qū)動變壓器，以及采用隔離式DC-DC饋送柵極驅(qū)動器的光耦合器或數(shù)字隔離器、自舉配置以及具有內(nèi)部DC-DC電壓源的隔離式柵極驅(qū)動器。

對于更高功率的系統(tǒng)，電源開關(guān)器件是BOM成本的很大一部分，N型器件的導(dǎo)通電阻通常低于相同尺寸和成本的P型器件1.此外，通過在半橋設(shè)置的單支路中使用兩個(gè)相同的開關(guān)，可以簡化圍繞時(shí)序要求（如非重疊和死區(qū)時(shí)間）進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于這些原因，半橋配置通常由兩個(gè)N型器件組成，無論是NPN BJT、NMOS器件還是N型IGBT。為簡單起見，本文將介紹每支路使用兩個(gè)NMOS器件的半橋配置，但相同的原理也可以應(yīng)用于IGBT。為了使用BJT器件，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮恒定的基極電流。

基本柵極驅(qū)動要求

考慮典型的半橋配置，如圖1所示。MOSFET以相互排斥的方式工作，因?yàn)槿绻麅烧咄瑫r(shí)導(dǎo)通，就會發(fā)生擊穿。要使 MOSFET 導(dǎo)通，VGS > VT，其中 VGS 是源極電壓的柵極，VT 是特定 MOSFET 的閾值電壓。建議在工作時(shí)有足夠的MOSFET過驅(qū)動，因此在大多數(shù)應(yīng)用中，實(shí)際柵極電壓為VGS>>VT。對于開關(guān)周期中低邊開關(guān)Q2導(dǎo)通，高端開關(guān)Q1關(guān)斷的部分。這意味著VG1S1>VT。對于許多系統(tǒng)，0 V的VG1S1足以保持高端開關(guān)關(guān)閉。在理想情況下，VOUT擺幅接近系統(tǒng)地。

圖1.半橋框圖。

忽略死區(qū)時(shí)間要求，開關(guān)周期的另一部分Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，這意味著VG2S2>VT。在此期間，VOUT擺幅接近總線電壓。請注意，高端開關(guān)的源極連接到VOUT，這意味著Q1的柵極在部分開關(guān)周期內(nèi)高于總線電壓。

如果控制器IC直接連接到Q1的柵極，則需要大于VBUS + VT的電壓，這在許多情況下是不可行的。

柵極驅(qū)動器的主要用途之一是為電源開關(guān)提供快速開關(guān)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更快的上升和下降時(shí)間。這降低了與壓擺率相關(guān)的功率級損耗。過去，驅(qū)動強(qiáng)度是在峰值電流中測量的，或者更準(zhǔn)確地說是在驅(qū)動器RDSON中測量的。需要注意的是，具有較高峰值電流（或較低RDSON）的柵極驅(qū)動器的功率要求不一定更高，因?yàn)榍袚Q柵極所需的功率主要由Q × V×FSW驅(qū)動，其中Q是柵極電荷，V是柵極電壓擺幅，F(xiàn)SW是系統(tǒng)的開關(guān)頻率2。

為了給高端開關(guān)上的柵極驅(qū)動器供電，電源必須能夠跟隨VOUT電壓，因?yàn)闁艠O以該電壓為基準(zhǔn)。充分的去耦通?？梢越鉀Q由于隔離電源接地基準(zhǔn)的快速變化而出現(xiàn)的任何電壓尖峰。此外，每個(gè)不共享公共接地的柵極驅(qū)動器可能需要自己的隔離電源?？紤]一個(gè)典型的三相系統(tǒng)，由三個(gè)半橋支路組成，如圖2所示。系統(tǒng)中有四個(gè)獨(dú)立的接地基準(zhǔn)，因?yàn)榈瓦呴_關(guān)共用一個(gè)基準(zhǔn)。根據(jù)是否需要安全或功能隔離，三相系統(tǒng)需要三個(gè)或四個(gè)專用電源。

圖2.三相框圖。

任何項(xiàng)目都要考慮的兩個(gè)要求是解決方案大小和總解決方案成本。在不同的選項(xiàng)中將探討權(quán)衡取舍。為柵極驅(qū)動器提供隔離電源的基本要求可概括為：

提供足夠的電壓擺幅。

在部分開關(guān)周期內(nèi)高于總線值的電壓。

可以跟隨半橋中點(diǎn)電壓的浮動接地。

足夠的驅(qū)動強(qiáng)度。

緊湊的解決方案尺寸。

合理的成本。

柵極驅(qū)動變壓器

提供隔離柵極信號的最早解決方案之一是使用柵極驅(qū)動變壓器，如圖3所示的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，能量通過變壓器傳輸，在次級側(cè)產(chǎn)生必要的柵極電壓。該系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過使一個(gè)次級輸出與另一個(gè)極性相反，相對容易實(shí)現(xiàn)保證互補(bǔ)操作。以這種方式，為了驅(qū)動高邊柵極導(dǎo)通，低邊柵極關(guān)斷，電流沿一個(gè)方向饋入變壓器初級，而相反方向的驅(qū)動電流將柵極驅(qū)動到相反的狀態(tài)。

圖3.柵極驅(qū)動變壓器示例。

由于柵極驅(qū)動變壓器充當(dāng)柵極驅(qū)動的電源，因此在被驅(qū)動?xùn)艠O附近可以節(jié)省解決方案尺寸。由于不需要專用隔離電源，因此器件數(shù)量也較低。變壓器的實(shí)際成本在中等到昂貴之間變化。

變壓器不能通過直流，因此在最基本的拓?fù)渲?，柵極看到零伏秒平衡，這意味著隨著占空比的增加，峰值正電壓降低3.這限制了工作占空比，并使調(diào)整死區(qū)時(shí)間具有挑戰(zhàn)性。占空比的快速變化也會導(dǎo)致磁芯飽和平衡問題。有直流恢復(fù)拓?fù)?，但必須小心關(guān)斷，否則很容易發(fā)生擊穿，使得柵極驅(qū)動變壓器不太適合需要快速關(guān)斷的應(yīng)用，例如檢測到系統(tǒng)故障時(shí)。

柵極驅(qū)動變壓器的磁芯必須復(fù)位，否則將面臨飽和風(fēng)險(xiǎn)，從而進(jìn)一步限制開關(guān)時(shí)序的設(shè)計(jì)。由于上述原因，柵極驅(qū)動變壓器在很大程度上已經(jīng)不再青睞更高可靠性、高性能的系統(tǒng)。

專用隔離電源

隔離柵極驅(qū)動的另一種方法是使用隔離器傳輸時(shí)序信息。光耦合器利用光將時(shí)序數(shù)據(jù)穿過隔離柵傳輸?shù)?a target="_blank">光電晶體管或光電二極管。內(nèi)部二極管的光輸出隨老化和/或溫度而下降，導(dǎo)致時(shí)序偏移，因此需要更大的死區(qū)時(shí)間裕量4.作為光耦合器的替代方案，數(shù)字隔離器通常通過電感或電容耦合傳輸時(shí)序信息，因此與光耦合器相比，實(shí)際上不會因老化而發(fā)生時(shí)序偏移，并且由于溫度引起的偏移也顯著減少。在光耦合器和數(shù)字隔離器中，傳輸信號的輸出緩沖器將最終驅(qū)動強(qiáng)度傳送到柵極。該緩沖器可以存在于隔離器封裝內(nèi)部或外部。高壓電平轉(zhuǎn)換器通過使用可能需要數(shù)百伏的上拉結(jié)構(gòu)將定時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁邏簜?cè)。如果半橋電壓為負(fù)，高壓電平轉(zhuǎn)換器很容易發(fā)生閂鎖，這是數(shù)字和光耦合器隔離器中沒有的問題。

為緩沖器供電的最直接方法是為半橋的每個(gè)浮動區(qū)域提供一個(gè)專用的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。對于多橋臂系統(tǒng)，只要電流輸出足夠，低側(cè)柵極驅(qū)動器就可以共享一個(gè)電壓源，如圖2中的示例系統(tǒng)所示。

專用隔離電源設(shè)置沒有占空比或最小開關(guān)頻率要求，隔離式柵極驅(qū)動器的輸入可以獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間調(diào)諧。這是以更大的解決方案尺寸和由于額外的組件而產(chǎn)生的成本為代價(jià)的。隔離電源可以通過包含變壓器的反激式或正激式轉(zhuǎn)換器等拓?fù)湓谙到y(tǒng)級創(chuàng)建。還有單片模塊，例如Recom提供的模塊，這些模塊專門設(shè)計(jì)用于允許高隔離電壓5.

半橋自舉程序配置

在靜態(tài)電流之外，隔離式柵極驅(qū)動器的輸出側(cè)在將柵極驅(qū)動至高電平時(shí)主要從電源軌獲取電流。一旦IGBT或MOSFET的柵極電壓達(dá)到電源軌，功耗最小，因?yàn)闁艠O本質(zhì)上是一個(gè)電容器。對于高端驅(qū)動器，該電流消耗與高端MOSFET導(dǎo)通時(shí)半橋電壓被拉至總線電壓的時(shí)間一致。這也意味著在最高電流消耗之前，高壓側(cè)接地通過低側(cè)電源開關(guān)連接到低側(cè)接地。通過使用單個(gè)二極管和在高端電源軌上適當(dāng)大的電容，可以提供臨時(shí)電壓源，如圖3223中的ADuM4所示。圖中顯示了一個(gè)與自舉二極管串聯(lián)的電阻，以控制峰值充電電流6.

圖4.半橋自舉示例。

自舉電容在低邊開關(guān)導(dǎo)通期間充電，并快速放電以填滿柵極電容，但在高端開關(guān)的導(dǎo)通期間由于高端驅(qū)動器的靜態(tài)電流而緩慢放電。這導(dǎo)致系統(tǒng)占空比和開關(guān)頻率受到限制7.只要有足夠的時(shí)間為自舉電容充電，并且高端開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間不會超過電容可以支持的時(shí)間，該解決方案在成本和解決方案尺寸指標(biāo)方面表現(xiàn)出色，尤其是在多相系統(tǒng)中。此外，通過在啟動期間同時(shí)打開低邊開關(guān)，可以同時(shí)為多個(gè)自舉電容充電。

集成電源和柵極驅(qū)動器

向更小解決方案尺寸的自然發(fā)展是創(chuàng)建具有隔離電源和柵極驅(qū)動器功能的單個(gè)IC。傳輸隔離電源的最有效方法是通過電感耦合。光耦合器和容性耦合器需要太大的面積，速度太慢，并且能量損失太大，無法支持這樣的系統(tǒng)。對于使用全包式隔離電源和柵極驅(qū)動器拓?fù)涞碾娐?，可以在IC內(nèi)采用小型芯片級電感器。使用ADuM5230的一個(gè)這樣的系統(tǒng)如圖5所示。該解決方案包含用于傳輸定時(shí)信息的變壓器線圈以及用于將功率傳輸?shù)礁叨蓑?qū)動器的線圈，無需在高端使用額外的外部隔離電源8.外部緩沖器增加了峰值電流輸出，允許驅(qū)動更大的柵極電容。由于效率限制，最大功率耗散以及開關(guān)頻率和/或最大柵極電荷負(fù)載受到限制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，滿足更高系統(tǒng)要求的單片解決方案將開始出現(xiàn)。

圖5.內(nèi)部隔離電源示例。

在功率限制之外，集成的隔離式電源和柵極驅(qū)動器系統(tǒng)提供了出色的解決方案尺寸，并消除了占空比和開關(guān)頻率的最小值。

總結(jié)

為半橋配置的隔離側(cè)供電會帶來一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)，但設(shè)計(jì)人員存在許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。柵極驅(qū)動變壓器在零件數(shù)量方面表現(xiàn)出色，但受到驅(qū)動信號復(fù)雜性和磁芯動力學(xué)限制的限制。專用隔離電源可以消除占空比和頻率要求，但缺點(diǎn)是成本和解決方案尺寸。如果可以限制占空比和開關(guān)頻率，則半橋自舉配置價(jià)格低廉，可以大大減少器件數(shù)量和解決方案成本。存在一些高度集成的解決方案，通過內(nèi)部變壓器進(jìn)行功率傳輸，從而節(jié)省解決方案尺寸和零件數(shù)量。通過顯示的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員擁有創(chuàng)建穩(wěn)健的半橋解決方案的工具。

審核編輯：郭婷