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序信息。光耦合器利用光，跨越隔離柵將時序數(shù)據(jù)傳輸至光電晶體管或光電二極管。內(nèi)部二極管的光輸出量隨著器件的老化和/或溫度而下降，產(chǎn)生時序移位，因而死區(qū)時間需要更寬的裕量4。作為光耦合器的替代器件，數(shù)字隔離器一般通過感性耦合或容性耦合傳輸時序信息，從而有效避免了器件老化產(chǎn)生的時序移位，同時相比光耦合器可大幅降低溫度產(chǎn)生的時序移位。采用光耦合器和數(shù)字隔離器時，輸出緩沖器中的已傳送信號確定柵極的最終驅(qū)動強度。該緩沖器可集成在隔離器封裝內(nèi)，也可部署在封裝外。高壓電平轉(zhuǎn)換器使用上拉結(jié)構(gòu)將時序數(shù)據(jù)傳送至高端，可處理高達幾百V的電壓。如果半橋電壓發(fā)生負振鈴，則高壓電平轉(zhuǎn)換器可能會閂鎖，而數(shù)字隔離器或光耦合隔離器不會產(chǎn)生這種情況。

為緩沖器供電的最直觀的方法，是為半橋的每一個浮動區(qū)域提供專用的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。對于多引腳系統(tǒng)，低端柵極驅(qū)動器可以共享一個電壓源，只要有足夠的電流輸出即可，如圖2中的系統(tǒng)示例所示。

專用隔離電源設(shè)置不存在占空比或最小開關(guān)頻率要求，并且隔離式柵極驅(qū)動器的輸入端可獨立受控，允許調(diào)諧死區(qū)時間。但由于需使用額外的元器件，這種解決方案的代價是具有較大的尺寸和較高的成本?？衫梅醇な睫D(zhuǎn)換器或正向轉(zhuǎn)換器等集成變壓器的拓撲，在系統(tǒng)級創(chuàng)建一個隔離式電源。此外，還可采用單芯片模塊，比如Recom提供的產(chǎn)品——這些產(chǎn)品針對隔離高電壓設(shè)計5。

半橋自舉配置

向上驅(qū)動?xùn)艠O時，除了靜態(tài)電流，隔離式柵極驅(qū)動器的輸出端主要從供電軌獲取電流。一旦IGBT或MOSFET的柵極電壓到達供電軌，功耗便降為最低，因為柵極本質(zhì)上是一個電容。對于高端驅(qū)動器而言，高端MOSFET導(dǎo)通時，該吸電流與半橋電壓拉至總線電壓的時間相吻合。這還意味著吸電流達到最大值前一刻，高端接地通過低端功率開關(guān)連接至低端接地。在高端供電軌上使用單個二極管以及數(shù)值適中的大電容后，便可提供臨時電壓源，如采用ADuM3223的圖4所示。該圖中，電阻與自舉二極管串聯(lián)，以便控制峰值充電電流6。

自舉電容在低端開關(guān)導(dǎo)通期間充電并快速放電，以便填滿柵極電容；但由于高端驅(qū)動器的靜態(tài)電流，它在高端開關(guān)導(dǎo)通期間將緩慢放電。這會對系統(tǒng)占空比和開關(guān)頻率產(chǎn)生限制作用7。只要有足夠的時間來對自舉電容充電，并且高端開關(guān)在超過電容所能支持的時間內(nèi)未導(dǎo)通，則該解決方案的成本和尺寸優(yōu)勢便能凸顯，特別是用于多相系統(tǒng)時。另外，在上電時可同時開啟低端開關(guān)，從而一次充電多個自舉電容。

集成式電源和柵極驅(qū)動器

解決方案向更小尺寸的自然演化過程是創(chuàng)建集成隔離式電源和柵極驅(qū)動器功能的單片IC。傳輸隔離式電源的最高效方法是通過感性耦合。對于支持這樣一個系統(tǒng)來說，光耦合器和容性耦合器所需的占位面積過大，工作速度過慢，并且功耗過高。對于完全集成式隔離電源和柵極驅(qū)動器拓撲電路而言，可在IC中部署小型芯片級電感。采用ADuM5230的這類系統(tǒng)如圖5所示。該解決方案集成傳輸時序信息的變壓器線圈，以及傳輸功率至高端驅(qū)動器的線圈，無需在高端使用額外的外部隔離式電源8。外部緩沖器可增加峰值電流輸出，允許驅(qū)動更大的柵極電容。受限于效率，最大功耗(從而開關(guān)頻率和/或最大柵極電荷負載)也受到限制。隨著技術(shù)進步，滿足更高系統(tǒng)要求的單芯片解決方案將會應(yīng)運而生。

撇開功耗方面的限制，該集成式隔離電源和柵極驅(qū)動器系統(tǒng)具有出色的解決方案尺寸，同時移除了占空比和最低開關(guān)頻率的限制。

小結(jié)

為半橋配置的隔離端供電存在一定難度，但有很多拓撲可供設(shè)計人員選擇。柵極驅(qū)動變壓器在器件數(shù)方面占有優(yōu)勢，但受限于驅(qū)動信號的復(fù)雜程度，而且磁芯的動態(tài)特性對其也有限制作用。專用隔離電源使占空比和頻率要求不復(fù)存在，但缺點是成本較高、解決方案尺寸較大。如果可以限制占空比和開關(guān)頻率，則半橋自舉配置便是一個高性價比選擇，可大幅減少器件數(shù)，降低解決方案成本。目前已出現(xiàn)高度集成的解決方案，這類解決方案利用內(nèi)部變壓器完成功率傳輸，節(jié)省了尺寸，減少了器件數(shù)。有了如此眾多的拓撲，設(shè)計人員便擁有創(chuàng)建魯棒半橋解決方案的工具。

作者簡介

Ryan Schnell是ADI公司的應(yīng)用工程師。 他的工作涉及使用iCoupler?技術(shù)來實現(xiàn)隔離的隔離式柵極驅(qū)動器，以及各種電源管理產(chǎn)品。他擁有科羅拉多大學(xué)電氣工程學(xué)士/碩士學(xué)位，以及電源電子學(xué)博士學(xué)位。

參考文獻

1. Hu, Calvin. “Modern Semiconductor Devices forIntegrated Circuits.” Prentice Hall; 2009

2. Concept, “IGBT and MOSFET Drivers CorrectlyCalculated”, application note AN-1001, pp. 1.

3. Ridley, Ray. “Gate Drive Design Tips,” Power SystemsDesign Europe, 2006, pp. 14-18.

4. Foo, Jye Chwan. “Gauging LED Lifetime inOptocouplers”, Machine Design, Sep 20, 2012.

5. Recom, “ECONOLINE DC/DC-Converter,” RP Seriesdata sheet, Rev. 0, 2014.

6. Analog Devices, Inc., “ADuM3223”, data sheet, Rev. D,

7. Adams, Jonathan. “Bootstrap Component Selection forControl ICs”, International Rectier, Design Tip DT98-2.

8. Analog Devices, Inc., “ADuM5230”, data sheet, Rev. B, , 2013.