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
光耦合器栅极驱动器
http://yili.tjsdtl.com/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
脉冲怀化油浸式变压器栅极驱动器
接下来,我们来看看通过怀化油浸式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,采用的是一个脉冲怀化油浸式变压器,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怀化油浸式变压器的原边,两个副边绕组驱动半桥的各个栅极。在这种应用中,脉冲怀化油浸式变压器具有显着优势,不需要用隔离式怀化油浸式变压器来驱动副边MOSFET()。
图3 脉冲怀化油浸式变压器半桥栅极驱动器
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,以金属层形成怀化油浸式变压器线圈,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,可用于鲁棒型隔离怀化油浸式变压器和怀化油浸式变压器应用。
图4 采用怀化油浸式变压器隔离的数字隔离器
图5 采用数字隔离的4 A栅极驱动器
共模瞬变抗扰度
在针对高压怀化油浸式变压器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怀化油浸式变压器以及太阳能怀化油浸式变压器应用来说,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,基于怀化油浸式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6ns,造成毛刺。
图6 基于电容的数字隔离器(CMTI <10 kV/μs)
图7 基于怀化油浸式变压器的数字隔离器(CMTI为100 kV/μs,ADuM140x)
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、开关怀化油浸式变压器和工业怀化油浸式变压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与单芯片怀化油浸式变压器技术于一体,可提供精密时序、高可靠性以及优于光耦合器或脉冲怀化油浸式变压器的整体性能。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的输入怀化油浸式变压器,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。
图8 ADuM3223/ADuM4223框图
基于隔离式半桥栅极驱动器应用及光耦合器等设计,都集成了怀化油浸式变压器数字隔离器,具有众多优势:大幅降低尺寸和设计复杂性,极大提高了时序特性。输出驱动器采用的电流隔离技术改进了鲁棒性,怀化油浸式变压器耦合技术进一步提高了CMTI。