【導讀】隔離式半橋柵極驅動器可用于許多應用，從要求高功率密度和效率的隔離式DC-DC電源模塊，到高隔離電壓和長期可靠性至關重要的太陽能逆變器等等，不一而足。本文將詳細闡述這些設計理念，探索隔離式半橋柵極驅動器解決方案在提供高性能和小尺寸解決方案方面的卓越能力。
隔離式半橋驅動器的功能是驅動高端和低端N溝道MOSFET（或IGBT）的柵極，通過低輸出阻抗降低導通損耗，同時通過快速開關時間降低開關損耗。高端和低端驅動器需要高度匹配的時序特性，以實現精確高效開關操作。這可以減少二次開關導通前關斷半橋一次開關的空載時間。實現隔離式半橋柵極驅動功能的典型方法是使用光耦合器進行隔離，后跟高壓柵極驅動器IC，如圖1所示。該電路的一個潛在問題是，僅有一個隔離輸入通道，而且依賴高壓驅動器來提供通道間所需的時序匹配以及應用所需的死區。另一問題是，高壓柵極驅動器并無電流隔離，而是依賴結隔離來分離同一IC中的高端驅動電壓和低端驅動電壓。在低端開關事件中，電路中的寄生電感可能導致輸出電壓VS降至地電壓以下。發生這種情況時，高端驅動器可能發生閂鎖，并永久性損壞。
圖1. 高壓半橋柵極驅動器
光耦合器柵極驅動器
另一種方法（如圖2所示）利用兩個光耦合器來實現輸出之間的電流隔離，從而避免了高端-低端交互作用的問題。柵極驅動器電路往往置于與光耦合器相同的封裝中，最常見的情況是，兩個獨立的光耦合器柵極驅動器IC構成完整的隔離式半橋，結果使解決方案尺寸變大。需要注意的是，光耦合器是作為分立式器件生產的，即使兩個光耦合器封裝在一起亦是如此，因此，它們的通道間匹配存在限制。這會增加關閉一個通道與打開另一個通道之間的死區，從而導致效率下降。光耦合器的響應速度同樣受到原邊發光二極管(LED)電容的限制，而且將輸出驅動至高達1MHz的速度也會受到其傳播延遲（最大值為500 ns）以及較慢的上升和下降時間（最大值為100 ns）的限制。要使光耦合器達到最高速度，需要將LED電流增加至10mA以上，這會消耗更多功率，縮短光耦合器的壽命并降低其可靠性，尤其是在太陽能逆變器和電源應用中常見的高溫環境下。
圖2. 光耦合器半橋柵極驅動器
脈沖變壓器柵極驅動器
接下來，我們將探討電流隔離器，由于它們具有更低的傳播延遲、更精確的時序，因此速度比光耦合器更高。脈沖變壓器是一種隔離變壓器，其工作速度可以達到半橋柵極驅動器應用通常所需的水平（最高1MHz）。柵極驅動器IC可用于提供容性MOSFET柵極充電所需的高電流。圖3中的柵極驅動器以差分方式驅動脈沖變壓器的原邊，該變壓器副邊有兩個繞組，用于驅動半橋的各個柵極。使用脈沖變壓器的一個優勢是，它不需要用隔離電源來驅動副邊MOSFET。當感應線圈中有較大的瞬態柵極驅動電流流過時（會導致振鈴），這種應用就可能出現問題。它有可能使柵極不合需要地開啟和關閉，從而損壞MOSFET。脈沖變壓器的另一個局限在于，它們在要求信號占空比在50%以上的應用中可能表現不佳。這是由于變壓器只能提供交流信號，因為鐵芯磁通量必須每半個周期復位一次以維持伏秒平衡。最后，脈沖變壓器的磁芯和隔離式繞組需要相對較大的封裝。再加上驅動器IC和其他分立式元件，最終建立的解決方案可能尺寸過大，無法適應許多高密度應用。
圖3. 脈沖變壓器半橋柵極驅動器
現在，我們來看看以數字隔離器來實現隔離式半橋柵極驅動器的方法。在圖4中，數字隔離器使用標準CMOS集成電路工藝，以金屬層形成變壓器線圈，并以聚酰亞胺絕緣材料來分離線圈。這種組合可以實現5 kV rms以上（1分鐘額定值）的隔離能力，可用于增強型隔離電源和逆變器應用。
圖4. 采用變壓器隔離的數字隔離器
圖5. 數字隔離器4A柵極驅動器
如圖5中電路所示，數字隔離器消除了光耦合器中使用的LED以及與之相關的老化問題，而且功耗更低、可靠性更高。輸入與輸出以及輸出與輸出之間提供電流隔離，以消除高端-低端的交互作用。輸出驅動器通過低輸出阻抗降低導通損耗，同時通過快速開關時間降低開關損耗。與光耦合器設計不同，高端和低端數字隔離器是輸出匹配型集成電路，具有更高的效率。高壓柵極驅動器集成電路（圖1）會增加電平轉換電路中的傳播延遲，因而不能像數字隔離器一樣實現通道間時序特性的匹配。在數字隔離器中集成柵極驅動器，可使解決方案的尺寸降至單封裝級，從而大幅減小解決方案尺寸。
共模瞬變抗擾度
在針對高壓電源的許多半橋柵極驅動器應用中，開關元件中可能發生極快的瞬變。在這些應用中，如果較大的dV/dt可能在隔離柵上發生容性耦合，則有可能在隔離柵上導致邏輯瞬變錯誤。在隔離式半橋驅動器應用中，這種情況可能在交叉傳導過程中同時打開兩個開關，因而可能損壞開關。隔離柵上的任何寄生電容都可能成為共模瞬變的耦合路徑。光耦合器需要以敏感度極高的接收器來檢測隔離柵上傳遞的少量光，而且較大的共模瞬變可能擾亂其輸出。可以在LED與接收器之間添加一個屏蔽，以降低光耦合器對共模瞬變電壓的敏感度，這種技術被運用在多數光耦合器柵極驅動器中。該屏蔽可以提高共模瞬變抗擾度(CMTI)，從標準光耦合器不到10kV/μs的額定值提升至光耦合器柵極驅動器的25kV/μs。雖然CMTI達到25kV/μ對許多柵極驅動器應用是合適的，但是對于瞬變電壓較大的電源以及太陽能逆變器應用來說，可能需要CMTI達到50kV/μs或以上。
圖6. 基于電容的數字隔離器（CMTI < 10kV/μs）
數字隔離器可以向其接收器提供更高的信號電平，并能承受極高的共模瞬變而不會導致數據錯誤。基于變壓器的隔離器是四端器件，可對信號提供低差分阻抗，對噪聲提供高共模阻抗，從而實現優秀的CMTI。其它數字隔離器可能使用容性耦合來產生變化的電場，實現跨越隔離柵的數據傳輸。與基于變壓器的隔離器不同，基于電容的隔離器是雙端器件，噪聲和信號共用同一傳輸路徑。對于雙端器件，信號頻率需要遠高于預期的噪聲頻率，以便隔離柵電容對信號提供低阻抗，而對噪聲提供高阻抗。當共模噪聲電平大到足以淹沒信號時，則可能擾亂隔離器輸出端的數據。圖6所示為基于電容的隔離器中發生數據擾亂示例，其中，輸出信號（通道4）在僅10kV/μs的共模瞬變過程中下降了6 ns，造成毛刺。注意，圖中數據是在基于電容的隔離器的擾亂閾值下采集的；如果瞬變較大，擾亂可能持續更長時間，從而使MOSFET開關變得不穩定。相比之下，基于變壓器的數字隔離器能夠承受超過100kV/μs的共模瞬變，而輸出端不會出現數據擾亂問題（見圖7）。
圖7. 基于變壓器的數字隔離器ADuM140x（CMTI為100kV/μs）
