【導(dǎo)讀】本文討論多種柵極驅(qū)動供電選項和基本設(shè)計制約因素，以及設(shè)計時的權(quán)衡取舍，幫助設(shè)計人員選擇適當(dāng)?shù)耐負(fù)洹＿@些選項包括采用隔離式柵極驅(qū)動變壓器、利用隔離式DC-DC饋送柵極驅(qū)動器為光電二極管或數(shù)字隔離器供電、自舉配置，以及內(nèi)置DC-DC電壓源的隔離式柵極驅(qū)動器。
為半橋配置的高端柵極供電起初似乎是一項棘手的任務(wù)，因為大部分系統(tǒng)都有較高的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動強(qiáng)度要求。本文論述讓設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的可行解決方案。
簡介
半橋拓?fù)鋸V泛用于電源轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動器中。這在很大程度上是因為半橋可通過總線電壓，為脈寬調(diào)制(PWM)信號提供高效同步控制。然而，在控制器和功率器件之間通常需要使用柵極驅(qū)動器，以獲得更短的開關(guān)時間并出于安全性和/或功能性目的提供隔離。對于總線電壓高于功率開關(guān)的柵極到源極電壓最大限值的系統(tǒng)，必須采用不同于系統(tǒng)總線的電壓驅(qū)動?xùn)艠O。
本文討論多種柵極驅(qū)動供電選項和基本設(shè)計制約因素，以及設(shè)計時的權(quán)衡取舍，幫助設(shè)計人員選擇適當(dāng)?shù)耐負(fù)洹＿@些選項包括采用隔離式柵極驅(qū)動變壓器、利用隔離式DC-DC饋送柵極驅(qū)動器為光電二極管或數(shù)字隔離器供電、自舉配置，以及內(nèi)置DC-DC電壓源的隔離式柵極驅(qū)動器。
對于功率較高的系統(tǒng)而言，功率開關(guān)器件占了BOM成本的很大一部分，且N型器件的導(dǎo)通電阻一般比尺寸和成本都相同的P型器件更低1。此外，若在半橋配置的單個引腳上使用兩個相同的開關(guān)，則圍繞時序要求而展開的設(shè)計(比如非交疊和死區(qū)時間)便可得到簡化。由于這些原因，半橋配置通常由兩個N型器件組成，這兩個器件可以是NPNBJT、NMOS器件或N型IGBT。為簡便起見，本文中的半橋配置采用兩個NMOS器件，每引腳使用一個器件；這一概念同樣適用于IGBT。為了使用BJT器件，設(shè)計時必須考慮到恒定的基極電流。
基本柵極驅(qū)動要求
考慮圖1中的典型半橋配置。兩個MOSFET以互斥方式運行，因為如果兩個MOSFET同時導(dǎo)通，則將產(chǎn)生直通。若要使MOSFET導(dǎo)通，則需VGS > VT，其中VGS是柵極到源極電壓，而VT是特定MOSFET的閾值電壓。工作時，建議MOSFET具有足夠的過驅(qū)能力，因此在大部分應(yīng)用中，實際柵極電壓為VGS >> VT。在部分開關(guān)周期中，低端開關(guān)Q2導(dǎo)通而高端開關(guān)Q1斷開。這表示VG1S1 < VT，且VG2S2 >> VT。在很多系統(tǒng)中，VG1S1等于0 V就足以保持高端開關(guān)斷開。理想情況下，VOUT擺動到靠近系統(tǒng)地的位置。
圖1. 半橋框圖
忽略死區(qū)時間要求，則開關(guān)周期的其他部分為Q1導(dǎo)通而Q2 斷開，這意味著VG2S2 < VT且VG1S1 >> VT。在這段時間內(nèi)，VOUT擺動至靠近總線電壓的位置。注意，高端開關(guān)的源極連接至VOUT，表示柵極Q1在部分開關(guān)周期中，數(shù)值高于總線電壓。
如果控制器IC直接連接至柵極Q1，則IC要求電壓高于VBUS + VT，這在很多情況下都不現(xiàn)實。
柵極驅(qū)動器的一個主要作用是為功率開關(guān)提供快速開關(guān)時間，從而具備更快的上升和下降時間。這樣可以降低功率級中與壓擺率有關(guān)的損耗。過去，通過測量峰值電流來衡驅(qū)動強(qiáng)度，或者更準(zhǔn)確地說，是測量驅(qū)動器的RDSON。記住以下這點很重要：對于具備更高峰值電流(或更低RDSON)的柵極驅(qū)動器，其功率要求并不一定更高，因為開關(guān)柵極的功率通常由Q × V × FSW驅(qū)動，其中Q表示柵極電荷，V表示柵極電壓擺幅，F(xiàn)SW表示系統(tǒng)的開關(guān)頻率2。
若要為高端開關(guān)的柵極驅(qū)動器供電，電源必須要能跟隨VOUT電壓，因為柵極以該電壓為參考。適當(dāng)去耦通常能解決隔離電源接地參考的快速變化而導(dǎo)致的任何電壓尖峰問題。此外，每個不共享接地的柵極驅(qū)動器都可能需要自己的隔離電源。假設(shè)有一個典型的三相系統(tǒng)由三個半橋引腳組成，如圖2所示。系統(tǒng)中有四個獨立的接地參考，因為低端開關(guān)共享公共參考。取決于是否需要安全隔離或功能隔離，三相系統(tǒng)可以采用三個或四個專用電源。
圖2. 三相框圖
任何項目需考慮的兩個因素是解決方案的尺寸以及方案總成本。本文將通過不同的選項探討權(quán)衡取舍。為柵極驅(qū)動器提供隔離電源的基本要求可以總結(jié)如下：
- 提供足夠的電壓擺幅。
- 部分開關(guān)周期的電壓值高于總線電壓。
- 可跟隨半橋中點電壓的浮動接地。
- 足夠的驅(qū)動強(qiáng)度。
- 緊湊的解決方案。
- 合理的價格。
- 柵極驅(qū)動變壓器
最早有一種提供隔離式柵極信號的解決方案使用柵極驅(qū)動變壓器，比如圖3中的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，電能通過變壓器傳輸，在副邊形成所需的柵極電壓。該系統(tǒng)的優(yōu)勢之一是其保證互補(bǔ)操作相對較為容易實現(xiàn)，方法是使其中一路副邊輸出極性與另一路相反。采用這種方式，若要驅(qū)動高端柵極至導(dǎo)通狀態(tài)并驅(qū)動低端柵極至斷開狀態(tài)，可將電流以一個方向饋送至變壓器的原邊，相反方向的驅(qū)動電流則驅(qū)動?xùn)艠O至相反狀態(tài)。
圖3. 柵極驅(qū)動變壓器示例
由于在柵極驅(qū)動中，柵極驅(qū)動變壓器用作電源，因此在靠近所驅(qū)動的柵極處，該解決方案的尺寸較小。器件數(shù)也較低，因為無需使用專用隔離式電源。變壓器實際成本介于中等和昂貴之間。
變壓器無法傳輸直流信號，因此在最基本的拓?fù)渲校瑬艠O在零點處達(dá)到伏秒平衡，這表示隨著占空比上升，峰值正電壓將下降3。這會對工作占空比造成限制，同時增加死區(qū)時間調(diào)諧的難度。占空比的快速變化還會產(chǎn)生磁芯飽和平衡問題。采用直流恢復(fù)拓?fù)鋾r，需注意關(guān)斷時很容易產(chǎn)生直通，因此柵極驅(qū)動變壓器不太適合要求快速關(guān)斷的應(yīng)用，比如檢測系統(tǒng)故障時。
必須復(fù)位柵極驅(qū)動變壓器的磁芯，否則磁芯可能飽和，從而增加開關(guān)時序的設(shè)計難度。由于以上這些原因，目前在較高穩(wěn)定性的高性能系統(tǒng)中很少采用柵極驅(qū)動變壓器。
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(qiáng)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(dá)幾百V的電壓。如果半橋電壓發(fā)生負(fù)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。可利用反激式轉(zhuǎn)換器或正向轉(zhuǎn)換器等集成變壓器的拓?fù)洌谙到y(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(dá)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(dá)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。
圖4. 半橋自舉示例
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?fù)潆娐范裕?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(fù)載)也受到限制。隨著技術(shù)進(jìn)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。
圖5. 內(nèi)部隔離電源示例
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，同時消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?fù)淇晒┰O(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?fù)洌O(shè)計人員便擁有創(chuàng)建魯棒半橋解決方案的工具。
參考電路
1.Hu, Calvin. “Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits.” Prentice Hall; 2009
2.Concept, “IGBT and MOSFET Drivers Correctly Calculated”, application note AN-1001, pp. 1.
3.Ridley, Ray. “Gate Drive Design Tips,” Power Systems Design Europe, 2006, pp. 14-18.
4.Foo, Jye Chwan. “Gauging LED Lifetime in Optocouplers”, Machine Design, Sep 20, 2012.
5.Recom, “ECONOLINE DC/DC-Converter,” RP Series data sheet, Rev. 0, 2014.
6.Analog Devices, Inc., “ADuM3223”, data sheet, Rev. D, http://www.analog.com/en/interface-isolation/digital- isolators/adum3223/products/product.html, 2014.
7.Adams, Jonathan. “Bootstrap Component Selection for Control ICs”, International Rectifier, Design Tip DT 98-2.
8.Analog Devices, Inc., “ADuM5230”, data sheet, Rev. B, http://www.analog.com/en/interface-isolation/digital- isolators/adum5230/products/product.html, 2013.
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