為半橋配置的隔離側(cè)供電

由于大多數(shù)系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動強度要求，為半橋配置的高側(cè)柵極供電起初似乎令人生畏。本文對允許設(shè)計人員實現(xiàn)這一目標的可用解決方案進行了調(diào)查。

介紹

半橋拓撲廣泛用于電源轉(zhuǎn)換器和電機驅(qū)動器。這主要是由于半橋能夠在總線電壓范圍內(nèi)對脈寬調(diào)制（PWM）信號提供有效的同步控制。然而，在控制器和功率器件之間，柵極驅(qū)動器通常需要獲得更快的開關(guān)時間，并為安全和/或功能目的提供隔離。對于總線電壓高于最大功率開關(guān)柵極到源極電壓限值的系統(tǒng)，必須為柵極驅(qū)動器提供系統(tǒng)總線以外的電壓。

本文介紹了各種柵極驅(qū)動供電選項、基本設(shè)計約束和權(quán)衡，以幫助設(shè)計人員選擇使用哪種拓撲。其中包括隔離式柵極驅(qū)動變壓器，以及采用隔離式DC-DC饋送柵極驅(qū)動器的光耦合器或數(shù)字隔離器、自舉配置以及具有內(nèi)部DC-DC電壓源的隔離式柵極驅(qū)動器。

對于更高功率的系統(tǒng)，電源開關(guān)器件是BOM成本的很大一部分，N型器件的導(dǎo)通電阻通常低于相同尺寸和成本的P型器件1.此外，通過在半橋設(shè)置的單支路中使用兩個相同的開關(guān)，可以簡化圍繞時序要求（如非重疊和死區(qū)時間）進行設(shè)計。由于這些原因，半橋配置通常由兩個N型器件組成，無論是NPN BJT、NMOS器件還是N型IGBT。為簡單起見，本文將介紹每支路使用兩個NMOS器件的半橋配置，但相同的原理也可以應(yīng)用于IGBT。為了使用BJT器件，在設(shè)計中應(yīng)考慮恒定的基極電流。

基本柵極驅(qū)動要求

考慮典型的半橋配置，如圖1所示。MOSFET以相互排斥的方式工作，因為如果兩者同時導(dǎo)通，就會發(fā)生擊穿。要使 MOSFET 導(dǎo)通，VGS > VT，其中 VGS 是源極電壓的柵極，VT 是特定 MOSFET 的閾值電壓。建議在工作時有足夠的MOSFET過驅(qū)動，因此在大多數(shù)應(yīng)用中，實際柵極電壓為VGS>>VT。對于開關(guān)周期中低邊開關(guān)Q2導(dǎo)通，高端開關(guān)Q1關(guān)斷的部分。這意味著VG1S1>VT。對于許多系統(tǒng)，0 V的VG1S1足以保持高端開關(guān)關(guān)閉。在理想情況下，VOUT擺幅接近系統(tǒng)地。

圖1.半橋框圖。

忽略死區(qū)時間要求，開關(guān)周期的另一部分Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，這意味著VG2S2>VT。在此期間，VOUT擺幅接近總線電壓。請注意，高端開關(guān)的源極連接到VOUT，這意味著Q1的柵極在部分開關(guān)周期內(nèi)高于總線電壓。

如果控制器IC直接連接到Q1的柵極，則需要大于VBUS + VT的電壓，這在許多情況下是不可行的。

柵極驅(qū)動器的主要用途之一是為電源開關(guān)提供快速開關(guān)時間，從而實現(xiàn)更快的上升和下降時間。這降低了與壓擺率相關(guān)的功率級損耗。過去，驅(qū)動強度是在峰值電流中測量的，或者更準確地說是在驅(qū)動器RDSON中測量的。需要注意的是，具有較高峰值電流（或較低RDSON）的柵極驅(qū)動器的功率要求不一定更高，因為切換柵極所需的功率主要由Q × V×FSW驅(qū)動，其中Q是柵極電荷，V是柵極電壓擺幅，F(xiàn)SW是系統(tǒng)的開關(guān)頻率2。

為了給高端開關(guān)上的柵極驅(qū)動器供電，電源必須能夠跟隨VOUT電壓，因為柵極以該電壓為基準。充分的去耦通?？梢越鉀Q由于隔離電源接地基準的快速變化而出現(xiàn)的任何電壓尖峰。此外，每個不共享公共接地的柵極驅(qū)動器可能需要自己的隔離電源?？紤]一個典型的三相系統(tǒng)，由三個半橋支路組成，如圖2所示。系統(tǒng)中有四個獨立的接地基準，因為低邊開關(guān)共用一個基準。根據(jù)是否需要安全或功能隔離，三相系統(tǒng)需要三個或四個專用電源。

圖2.三相框圖。

任何項目都要考慮的兩個要求是解決方案大小和總解決方案成本。在不同的選項中將探討權(quán)衡取舍。為柵極驅(qū)動器提供隔離電源的基本要求可概括為：

提供足夠的電壓擺幅。

在部分開關(guān)周期內(nèi)高于總線值的電壓。

可以跟隨半橋中點電壓的浮動接地。

足夠的驅(qū)動強度。

緊湊的解決方案尺寸。

合理的成本。

柵極驅(qū)動變壓器

提供隔離柵極信號的最早解決方案之一是使用柵極驅(qū)動變壓器，如圖3所示的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，能量通過變壓器傳輸，在次級側(cè)產(chǎn)生必要的柵極電壓。該系統(tǒng)的一個優(yōu)點是，通過使一個次級輸出與另一個極性相反，相對容易實現(xiàn)保證互補操作。以這種方式，為了驅(qū)動高邊柵極導(dǎo)通，低邊柵極關(guān)斷，電流沿一個方向饋入變壓器初級，而相反方向的驅(qū)動電流將柵極驅(qū)動到相反的狀態(tài)。

圖3.柵極驅(qū)動變壓器示例。

由于柵極驅(qū)動變壓器充當(dāng)柵極驅(qū)動的電源，因此在被驅(qū)動?xùn)艠O附近可以節(jié)省解決方案尺寸。由于不需要專用隔離電源，因此器件數(shù)量也較低。變壓器的實際成本在中等到昂貴之間變化。

變壓器不能通過直流，因此在最基本的拓撲中，柵極看到零伏秒平衡，這意味著隨著占空比的增加，峰值正電壓降低3.這限制了工作占空比，并使調(diào)整死區(qū)時間具有挑戰(zhàn)性。占空比的快速變化也會導(dǎo)致磁芯飽和平衡問題。有直流恢復(fù)拓撲，但必須小心關(guān)斷，否則很容易發(fā)生擊穿，使得柵極驅(qū)動變壓器不太適合需要快速關(guān)斷的應(yīng)用，例如檢測到系統(tǒng)故障時。

柵極驅(qū)動變壓器的磁芯必須復(fù)位，否則將面臨飽和風(fēng)險，從而進一步限制開關(guān)時序的設(shè)計。由于上述原因，柵極驅(qū)動變壓器在很大程度上已經(jīng)不再青睞更高可靠性、高性能的系統(tǒng)。

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。光耦合器利用光將時序數(shù)據(jù)穿過隔離柵傳輸?shù)?a target="_blank">光電晶體管或光電二極管。內(nèi)部二極管的光輸出隨老化和/或溫度而下降，導(dǎo)致時序偏移，因此需要更大的死區(qū)時間裕量4.作為光耦合器的替代方案，數(shù)字隔離器通常通過電感或電容耦合傳輸時序信息，因此與光耦合器相比，實際上不會因老化而發(fā)生時序偏移，并且由于溫度引起的偏移也顯著減少。在光耦合器和數(shù)字隔離器中，傳輸信號的輸出緩沖器將最終驅(qū)動強度傳送到柵極。該緩沖器可以存在于隔離器封裝內(nèi)部或外部。高壓電平轉(zhuǎn)換器通過使用可能需要數(shù)百伏的上拉結(jié)構(gòu)將定時數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁邏簜?cè)。如果半橋電壓為負，高壓電平轉(zhuǎn)換器很容易發(fā)生閂鎖，這是數(shù)字和光耦合器隔離器中沒有的問題。

為緩沖器供電的最直接方法是為半橋的每個浮動區(qū)域提供一個專用的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。對于多橋臂系統(tǒng)，只要電流輸出足夠，低側(cè)柵極驅(qū)動器就可以共享一個電壓源，如圖2中的示例系統(tǒng)所示。

專用隔離電源設(shè)置沒有占空比或最小開關(guān)頻率要求，隔離式柵極驅(qū)動器的輸入可以獨立控制，從而實現(xiàn)死區(qū)時間調(diào)諧。這是以更大的解決方案尺寸和由于額外的組件而產(chǎn)生的成本為代價的。隔離電源可以通過包含變壓器的反激式或正激式轉(zhuǎn)換器等拓撲在系統(tǒng)級創(chuàng)建。還有單片模塊，例如Recom提供的模塊，這些模塊專門設(shè)計用于允許高隔離電壓5.

半橋自舉程序配置

在靜態(tài)電流之外，隔離式柵極驅(qū)動器的輸出側(cè)在將柵極驅(qū)動至高電平時主要從電源軌獲取電流。一旦IGBT或MOSFET的柵極電壓達到電源軌，功耗最小，因為柵極本質(zhì)上是一個電容器。對于高端驅(qū)動器，該電流消耗與高端MOSFET導(dǎo)通時半橋電壓被拉至總線電壓的時間一致。這也意味著在最高電流消耗之前，高壓側(cè)接地通過低側(cè)電源開關(guān)連接到低側(cè)接地。通過使用單個二極管和在高端電源軌上適當(dāng)大的電容，可以提供臨時電壓源，如圖3223中的ADuM4所示。圖中顯示了一個與自舉二極管串聯(lián)的電阻，以控制峰值充電電流6.

圖4.半橋自舉示例。

自舉電容在低邊開關(guān)導(dǎo)通期間充電，并快速放電以填滿柵極電容，但在高端開關(guān)的導(dǎo)通期間由于高端驅(qū)動器的靜態(tài)電流而緩慢放電。這導(dǎo)致系統(tǒng)占空比和開關(guān)頻率受到限制7.只要有足夠的時間為自舉電容充電，并且高端開關(guān)的導(dǎo)通時間不會超過電容可以支持的時間，該解決方案在成本和解決方案尺寸指標方面表現(xiàn)出色，尤其是在多相系統(tǒng)中。此外，通過在啟動期間同時打開低邊開關(guān)，可以同時為多個自舉電容充電。

集成電源和柵極驅(qū)動器

向更小解決方案尺寸的自然發(fā)展是創(chuàng)建具有隔離電源和柵極驅(qū)動器功能的單個IC。傳輸隔離電源的最有效方法是通過電感耦合。光耦合器和容性耦合器需要太大的面積，速度太慢，并且能量損失太大，無法支持這樣的系統(tǒng)。對于使用全包式隔離電源和柵極驅(qū)動器拓撲的電路，可以在IC內(nèi)采用小型芯片級電感器。使用ADuM5230的一個這樣的系統(tǒng)如圖5所示。該解決方案包含用于傳輸定時信息的變壓器線圈以及用于將功率傳輸?shù)礁叨蓑?qū)動器的線圈，無需在高端使用額外的外部隔離電源8.外部緩沖器增加了峰值電流輸出，允許驅(qū)動更大的柵極電容。由于效率限制，最大功率耗散以及開關(guān)頻率和/或最大柵極電荷負載受到限制。隨著技術(shù)的進步，滿足更高系統(tǒng)要求的單片解決方案將開始出現(xiàn)。

圖5.內(nèi)部隔離電源示例。

在功率限制之外，集成的隔離式電源和柵極驅(qū)動器系統(tǒng)提供了出色的解決方案尺寸，并消除了占空比和開關(guān)頻率的最小值。

總結(jié)

為半橋配置的隔離側(cè)供電會帶來一些獨特的挑戰(zhàn)，但設(shè)計人員存在許多拓撲結(jié)構(gòu)。柵極驅(qū)動變壓器在零件數(shù)量方面表現(xiàn)出色，但受到驅(qū)動信號復(fù)雜性和磁芯動力學(xué)限制的限制。專用隔離電源可以消除占空比和頻率要求，但缺點是成本和解決方案尺寸。如果可以限制占空比和開關(guān)頻率，則半橋自舉配置價格低廉，可以大大減少器件數(shù)量和解決方案成本。存在一些高度集成的解決方案，通過內(nèi)部變壓器進行功率傳輸，從而節(jié)省解決方案尺寸和零件數(shù)量。通過顯示的多種拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員擁有創(chuàng)建穩(wěn)健的半橋解決方案的工具。

審核編輯：郭婷