实现隔离式半桥栅极驱动器的设计途径

共模瞬变抗扰度

在针对高压电源的许多半桥栅极驱动器应用中，开关元件中可能发生极快的瞬变。在这些应用中，在隔离栅上发生容性耦合的、快速变化的瞬态电压（高dV/dt）可能在隔离栅上造成逻辑瞬变错误。在隔离式半桥驱动器应用中，这种情况可能在交叉传导过程中同时打开两个开关，因而可能损坏开关。隔离栅上的任何寄生电容都可能成为共模瞬变的耦合路径。

光耦合器需要以敏感度极高的接收器来检测隔离栅上传递的少量光，而且较大的共模瞬变可能扰乱其输出。可以在LED与接收器之间添加一个屏蔽，从而降低光耦合器对共模瞬变电压的敏感度，这种技术被运用在多数光耦合器栅极驱动器中。该屏蔽可以提高共模瞬变抗扰度(CMTI)，从标准光耦合器不到10 kV/μs的额定值提升至光耦合器栅极驱动器的25 kV/μs。虽然该额定值对许多栅极驱动器应用都是合适的，但是对于瞬变电压较大的电源以及太阳能逆变器应用来说，可能需要CMTI达到50 kV/μs或以上。

数字隔离器可以向其接收器提供更高的信号电平，并能承受极高的共模瞬变而不会导致数据错误。作为四端差分器件，基于变压器的隔离器可向信号提供低差分阻抗，向噪声提供高共模阻抗，从而实现出色的CMTI性能。另一方面，利用容性耦合形成不断变化的电场并在隔离栅上传输数据的数字隔离器是双端器件，因而噪声和信号共用一个传输路径。对于双端器件，信号频率需要远高于预期的噪声频率，以便隔离栅电容对信号提供低阻抗，而对噪声提供高阻抗。当共模噪声电平大到足以淹没信号时，则可能扰乱隔离器输出端的数据。图6所示为基于电容的隔离器中发生数据扰乱示例，其中，输出信号（通道4，绿线）在仅10 kV/μs的共模瞬变过程中下降了6 ns，造成毛刺。


图6. 基于电容的数字隔离器（CMTI <10 kV/μs）

图中数据是在基于电容的隔离器瞬变的扰乱阈值下采集的；如果瞬变要大得多，结果可能使扰乱持续更长时间，从而使MOSFET开关变得不稳定。相比之下，基于变压器的数字隔离器能够承受超过100 kV/μs的共模瞬变，而输出端不会出现数据扰乱问题（图7）。


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

隔离式半桥驱动器提供4 A峰值输出电流

ADuM3223/ADuM4223 隔离式半桥栅极驱动器（如图8所示）采用iCoupler技术以独立的隔离式输出来驱动电机控制、开关电源和工业逆变器中所使用的高端和低端IGBT及MOSFET器件的栅极。这些隔离组件集高速CMOS与单芯片变压器技术于一体，可提供精密时序、高可靠性以及优于光耦合器或脉冲变压器的整体性能。相对于输入，各路输出的持续工作电压最高可达565 VPEAK ，因而支持低端切换至负电压。高端与低端之间的差分电压最高可达700 VPEAK。输出开关频率最高可达1 MHz，可提供4 A的峰值电流。CMOS兼容型输入可提供50 kV/μs的共模瞬变抗扰度。驱动器采用3.0 V至5.5 V的输入电源，可兼容低电压系统。其额定工作温度范围为–40℃至+125℃，采用16引脚SOIC封装。ADuM3223的千片订量报价为1.70美元/片，采用窄体设计，可提供3 kV rms的隔离能力。ADuM4223的千片订量报价为2.03美元/片，采用宽体设计，可提供5 kV rms的隔离能力。


图8. ADuM3223/ADuM4223框图

总结

对于隔离式半桥栅极驱动器应用，事实表明，相对于基于光耦合器和脉冲变压器的设计，集成变压器的数字隔离器具有众多优势。通过集成大幅降低了尺寸和设计复杂性，从而极大地提高了时序特性。输出驱动器采用的电流隔离技术则改进了鲁棒性，变压器耦合技术则显著提高了CMTI。