實現IGBT/MOSFET隔離柵極驅動電路的設計考慮

2020-12-10 EDN電子設計技術

IGBT和功率MOSFET是一種電壓控制型器件，可用作電源電路、電機驅動器和其它系統中的開關元件，柵極是每個器件的電氣隔離控制端。MOSFET的另外兩端是源極和漏極，而對於IGBT，它們被稱為集電極和發射極。為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個電壓施加於柵極。vItednc

IGBT和功率MOSFET的結構使得柵極形成一個非線性電容。給柵極電容充電會使功率器件導通，並允許電流在其漏極和源極引腳之間流動，而放電則會使器件關斷，漏極和源極引腳上就可以阻斷大電壓。當柵極電容充電且器件剛好可以導通時的最小電壓就是閾值電壓(VTH)。為將IGBT/功率MOSFET用作開關，應在柵極和源極/發射極引腳之間施加一個充分大於VTH 的電壓。vItednc

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用反相邏輯驅動功率MOSFETvItednc

通過柵極驅動器提供適當柵極電壓

提供適當柵極電壓的問題通過柵極驅動器來解決，柵極驅動器執行電平轉換任務。不過，柵極電容無法瞬間改變其電壓。因此，功率FET或IGBT具有非零的有限切換間隔時間。在切換期間，器件可能處於高電流和高電壓狀態，這會產生功耗並轉化為熱量。因此，從一個狀態到另一個狀態的轉換需要很快，以儘可能縮短切換時間。為了實現這一點，需要高瞬變電流來使柵極電容快速充電和放電。vItednc

能夠在更長時間內提供/吸收更高柵極電流的驅動器，切換時間會更短，因而其驅動的電晶體內的開關功耗也更低。vItednc

微控制器I/O引腳的拉電流和灌電流額定值通常可達數十毫安，而柵極驅動器可以提供高得多的電流。當功率MOSFET由微控制器I/O引腳以最大額定拉電流驅動時，觀察到切換時間間隔較長。採用例如ADI公司的ADuM4121隔離式柵極驅動器時，轉換時間大大縮短。當驅動同一功率MOSFET時，該驅動器相比微控制器I/O引腳能夠提供高得多的驅動電流。vItednc

此外，很多情況下由於數字電路可能會透支電流，直接用微控制器驅動較大功率MOSFET/IGBT可能會使控制器過熱進而受損。柵極驅動器具有更高驅動能力，支持快速切換，上升和下降時間只有幾納秒。這可以減少開關功率損耗，提高系統效率。因此，驅動電流通常被認為是選擇柵極驅動器的重要指標。vItednc

光耦合隔離與數字隔離，隔離柵極驅動器如何選？

對於採用柵極驅動器的系統，隔離對功能的執行可能是必要的，並且也可能是安全要求的。特別是如果控制側涉及到人的活動，那麼高功率側和低電壓控制電路之間需要電流隔離。它能防範高壓側的任何故障，因為儘管有元件損壞或失效，隔離柵仍會阻止電力到達用戶。隔離是指系統中各種功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導通路徑。這樣，不同電路可以擁有不同的地電位。利用電感、電容或光學方法，仍可讓信號和/或電源在隔離電路之間通過。vItednc

設計中工程師選擇隔離柵驅動器可以有多種方案可選，例如光耦合器柵極驅動器解決方案、高壓柵極驅動器解決方案，以及基於iCoupler技術的隔離式柵極驅動器。vItednc

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雙光耦合器半橋柵極驅動器vItednc

傳統應用中光耦合器柵極驅動器和高壓柵極驅動器是工程師熟悉和常用的選擇，但有經驗的工程師也非常了解兩者的特性和不足。對光耦合器柵極驅動器而言，光耦合器的一些缺點是關鍵短板：光耦合器的響應速度受到原邊發光二極體(LED)電容的限制，而且將輸出驅動至高達1 MHz的速度也會受到其傳播延遲（500 ns~350ns）以及較慢的上升和下降時間（最大值為100 ns）的限制。要使光耦合器接近最高速度，需要將LED電流增加至10 mA以上，這會消耗更多功率，縮短光耦合器的壽命並降低其可靠性，尤其是在太陽能逆變器和電源應用中常見的高溫環境下（而且大部分額定工作溫度為最高85°C）。vItednc

此外，柵極驅動器電路往往置於與光耦合器相同的封裝中，因而一般需要兩個獨立的光耦合器柵極驅動器IC來構成完整的隔離式半橋，結果使解決方案的物理尺寸變大。另需注意的是，兩個光耦合器即使封裝在一起，也是是獨立製造的，從而限制了匹配兩個通道的能力。這種失配會增加關閉一個通道與打開另一個通道之間的停滯時間，從而導致效率下降。vItednc

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高壓半橋柵極驅動器vItednc

對於高壓柵極驅動器IC這種電路的一個潛在不足，就是單隔離輸入通道依賴高壓驅動器電路來實現所需要的通道間時序匹配和停滯時間。另一問題是，高壓柵極驅動器並無電流隔離，而是依賴IC的結隔離來分離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，並永久性損壞。vItednc

隔離式柵極驅動器具有電氣隔離和較強的柵極驅動能力，很多系統架構的安全性和魯棒性都需要這些性能。而傳統的光耦合柵極驅動器上述局限性促使人們尋找其它替代方案，基於AD數字隔離技術iCoupler的隔離式柵極驅動器產品系列提供50 ns最大傳播延遲、小於5 ns通道間匹配、400 V rms工作電壓下的50年工作壽命和單封裝電氣隔離優勢，獲得需要高性能隔離的柵極驅動器電路青睞，特別是在AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、反相器、電機控制中，實現更快的開關速度並滿足更高的功率密度和更佳的效率要求。此外，標準的CMOS工藝支持低成本、高可靠性，平衡的推輓輸出級還能進一步簡化柵極驅動，輸出間真正的電氣隔離將高端和低端分隔，使交叉導通電位降至最低。vItednc

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電機驅動電路中常用的半橋拓撲結構（採用ADuM4121隔離式柵極驅動器）vItednc

結語

對於隔離式半橋柵極驅動器應用，事實表明相對於基於光耦合器和脈衝變壓器的設計，集成變壓器的數字隔離器具有眾多優勢。通過集成大幅降低了尺寸和設計複雜性，從而極大地提高了時序特性。輸出驅動器採用的電流隔離技術則改進了魯棒性，變壓器耦合技術則顯著提高了模瞬變抗擾度 (CMTI)。vItednc

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