实现隔离式半桥栅极驱动器的设计途径

作者: Brian Kennedy

许多应用都采用隔离式半桥栅极驱动器来控制大量功率，从要求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等等，不一而足。本文将详细阐述这些设计理念，以展现采用小型封装的隔离式半桥栅极驱动器IC在造就高性能方面的卓越能力。

采用光耦合器隔离的基本半桥驱动器（如图1所示）以极性相反的信号来驱动高端和低端N沟道MOSFET（或IGBT）的栅极，由此来控制输出功率。驱动器必须具备低输出阻抗以减少传导损耗，同时还须具有快速开关能力以减少开关损耗。出于精度和效率的考虑，高端和低端驱动器需要具备高度匹配的时序特性，以便减少在半桥的第一个开关关闭，第二个开关开启前的停滞时间。


图1. 高压半桥栅极驱动器

如图所示，这种功能的一种常规实现方式是用一个光耦合器进行隔离，其后用一个高压栅极驱动器IC。这种电路的一个潜在不足，就是单隔离输入通道依赖高压驱动器电路来实现所需要的通道间时序匹配和停滞时间。另一问题是，高压栅极驱动器并无电流隔离，而是依赖IC的结隔离来分离高端驱动电压和低端驱动电压。在低端开关事件中，电路中的寄生电感可能导致输出电压VS降至地电压以下。发生这种情况时，高端驱动器可能发生闩锁，并永久性损坏。

光耦合器栅极驱动器

另一种方法（如图2所示）利用两个光耦合器和两个栅极驱动器来实现输出之间的电流隔离，从而避免了高端-低端交互作用的问题。栅极驱动器电路往往置于与光耦合器相同的封装中，因而一般需要两个独立的光耦合器栅极驱动器IC来构成完整的隔离式半桥，结果使解决方案的物理尺寸变大。另需注意的是，两个光耦合器即使封装在一起，也是是独立制造的，从而限制了匹配两个通道的能力。这种失配会增加关闭一个通道与打开另一个通道之间的停滞时间，从而导致效率下降。


图2. 双光耦合器半桥栅极驱动器

光耦合器的响应速度受到原边发光二极管(LED)电容的限制，而且将输出驱动至高达1 MHz的速度也会受到其传播延迟（最大值为500 ns）以及较慢的上升和下降时间（最大值为100 ns）的限制。要使光耦合器接近最高速度，需要将LED电流增加至10 mA以上，这会消耗更多功率，缩短光耦合器的寿命并降低其可靠性，尤其是在太阳能逆变器和电源应用中常见的高温环境下。

脉冲变压器栅极驱动器

接下来，我们来看看通过变压器耦合实现电流隔离的电路。这些电路的传播延迟较低、时序特性更精确，与光耦合器相比，具有速度优势。在图3中，采用的是一个脉冲变压器，其工作速度可以达到半桥栅极驱动器应用通常所需的水平（最高1 MHz）。栅极驱动器IC可用于提供容性MOSFET栅极充电所需的高电流。在此，栅极驱动器以差分方式驱动脉冲变压器的原边，两个副边绕组驱动半桥的各个栅极。在这种应用中，脉冲变压器具有显著优势，不需要用隔离式电源来驱动副边MOSFET。


图3. 脉冲变压器半桥栅极驱动器

然而，当感应线圈中流动的较大瞬态栅极驱动电流导致振铃时，就可能出现问题。结果可能使栅极不合需要地开启和关闭，从而损坏MOSFET。脉冲变压器的另一个局限在于，它们在要求信号占空比在50%以上的应用中可能表现欠佳。这是由于脉冲变压器只能提供交流信号，而且铁芯磁通量必须每半个周期复位一次以维持伏秒平衡。最后一点不足：脉冲变压器的磁芯和隔离式绕组需要相对较大的封装，再加上驱动器IC和其他分立式元件，最终形成的解决方案可能尺寸过大，无法适应许多高密度应用。

数字隔离器栅极驱动器

现在，我们来看看把数字隔离器用在隔离式半桥栅极驱动器中的情况。图4中的数字隔离器使用标准CMOS集成电路工艺，以金属层形成变压器线圈，并以聚酰亚胺绝缘材料来分离线圈。这种组合可以实现5 kV rms以上（1分钟额定值）的隔离能力，可用于鲁棒型隔离电源和逆变器应用。


图4. 采用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以及与之相关的老化问题，而且功耗更低、可靠性更高。输入与输出以及输出与输出之间提供电流隔离（虚线），以消除高端-低端的交互作用。输出驱动器通过低输出阻抗降低导通损耗，同时通过快速开关时间降低开关损耗。


图5. 采用数字隔离的4 A栅极驱动器

与光耦合器设计不同，高端和低端数字隔离器以单个集成电路为基础制造而成，其输出天生匹配，具有更高的效率。请注意，图1所示高压栅极驱动器集成电路会增加电平转换电路中的传播延迟，因而不能像数字隔离器一样实现通道间时序特性的匹配。另外，在单个IC封装中同时集成栅极驱动器和隔离机制可以最大限度地减小解决方案的尺寸。