柵極驅動器在太陽能收集設計中的應用

雖然數(shù)字邏輯電路在太陽能收集設計中提供關鍵的監(jiān)控和控制功能，但功率晶體管為電力輸送提供了基礎。在這些數(shù)字和電源域之間，柵極驅動器提供關鍵接口功能，在太陽能解決方案中驅動高功率MOSFET和IGBT。設計人員可以使用ADI公司，飛兆半導體公司，凌力爾特公司，德州儀器公司等公司的柵極驅動器實現(xiàn)高效的全橋和半橋功率級。

通常由低功耗數(shù)字電路驅動，柵極驅動器產(chǎn)生驅動高功率MOSFET和IGBT所需的高電流。同樣重要的是，柵極驅動器可以響應來自數(shù)字控制邏輯的高頻開關信號，并為功率晶體管提供相應的高速，高電流驅動。在此過程中，柵極驅動器屏蔽低功耗數(shù)字控制電路，使其免受大型高速開關電流的影響，這些電流很容易降低數(shù)字電路的性能。

工程師可以選擇支持柵極驅動配置的IC，從全橋到半橋，同時具有非隔離和隔離選項。例如，德州儀器（TI）SM72295提供四個獨立的柵極驅動器，能夠以全橋配置為四個分立的N型MOSFET提供3 A的峰值電流（圖1）。

圖1：德州儀器（TI）SM72295集成了以全橋配置驅動四個外部N型MOSFET所需的功能（由德州儀器公司提供）。

SM72295適用于太陽能光伏應用，包括一對電流檢測放大器，可通過外部電阻實現(xiàn)可編程增益。該器件還提供電流檢測放大器的緩沖輸出，用于ADC，用于需要更復雜電源管理功能的設計。工程師可以通過將SM72295與TI SM72442相結合來創(chuàng)建完整的光伏電源，TI SM72442是一個可編程控制器，提供四個PWM驅動信號來控制SM72295。

除了TI SM72295等專用全橋設備外，工程師還可以選擇在一個器件上組合一對柵極驅動器的半橋柵極驅動器，以改善時序匹配。 TI SM72482通過一對輸出驅動器級擴展了這一概念，這些驅動器級（每個）組合MOS和雙極晶體管以實現(xiàn)高輸出驅動特性，同時減少由于電壓和溫度變化引起的輸出電流變化（圖2）。

圖2：德州儀器（TI）SM72482支持半橋配置，其中一對驅動器級結合了MOS和雙極晶體管（德州儀器公司提供）。

飛兆半導體FAN7384，德州儀器LM5102和凌力爾特公司LT1160/1162等器件適用于采用PWM控制驅動半橋輸出級的設計（圖3）。 FAN7384和LM5102均具有電平轉換功能，允許浮動高側驅動器在更高電壓下工作，并且均具有可編程定時控制功能，以確保周期之間有足夠的死區(qū)時間。飛兆半導體FAN7384允許工程師編程開啟延遲，而TI LM5102允許獨立編程高和低上升沿延遲。

圖3：凌力爾特公司LT1160/2等半橋柵極驅動器旨在支持基于PWM的功率級，用于各種應用，包括能量收集（由Linear Technology提供）。

Linear LT1160/2采用內部邏輯，可防止輸入同時導通功率MOSFET。 Linear LT1336增強了LT1160/2的功能，支持使用內部升壓穩(wěn)壓器進行直流操作。使用升壓功能僅需要一個電阻，小電感（200μH），二極管和電容，但可將高電壓電壓從最高60 V（非升壓模式下的LT1160/2和LT1136）降低至40 V.最大電壓的降低源于需要避免達到內部NPN開關的擊穿電壓。

太陽能逆變器等應用需要高隔離電壓和長期可靠性。因此，這些應用通常依賴于隔離的半橋柵極驅動器來確保隔離和性能。在典型的半橋驅動器中，光耦合器或數(shù)字隔離器為柵極驅動器提供隔離，驅動高側和低側功率晶體管的柵極具有相反極性的信號（圖4）。

圖4：為了隔離高壓太陽能應用，工程師可以選擇單輸入（a）或雙輸入（b）柵極驅動器（由Analog Devices提供）。

在這些應用中，柵極驅動器需要結合高速開關性能，以降低開關損耗和低輸出阻抗特性，從而降低傳導損耗。此外，柵極驅動器需要緊密匹配的時序特性，以便在兩個開關交替接通時最小化死區(qū)時間。

使用單個隔離輸入（圖4a）意味著時序匹配和死區(qū)時間性能取決于高壓電路本身。在這種配置中，高壓電路不提供電流隔離，而是僅依靠晶體管的結隔離來將高側與低側驅動電壓分開。對高側和低側驅動器使用單獨的隔離輸入通道可確保輸出之間的電流隔離（圖4b）。

制造商可以將隔離和柵極驅動器電路結合在同一個封裝中，通常在單個芯片上提供兩個獨立的通道，以提供改進的匹配特性（圖5）。 ADI公司采用這種方法在其ADuM1233和ADuM1234中提供獨立且隔離的高端和低端輸出，這些隔離式半橋器件提供0.1 A輸出，具有TTL（ADuM1233）或CMOS（ADuM1234）輸入。

這些器件基于ADI公司專有的iCoupler技術，該技術使用在同一芯片上制造的單片微變壓器，與光耦合器方法相比，有助于改善時序和可靠性。這些器件支持高達700 V的高低側差分電壓，并具有從輸入到輸出以及輸出之間超過75 kV/μs的共模瞬態(tài)抗擾度。 ADI公司的相關器件ADuM7234提供高達4 A的更高輸出電流，具有350 V差分電壓能力和》 25 kV/μs共模瞬變抗擾度。

圖5：制造商將兩組隔離和柵極驅動器組合在一起，提供隔離式半橋解決方案，如ADI公司ADuM1233/4（由Analog Devices提供） 。

結論

柵極驅動器提供了實現(xiàn)電源傳輸階段有效數(shù)字控制所需的關鍵接口。這些器件采用全橋和半橋配置，不僅可提供驅動MOSFET和IGBT所需的高電流和快速開關功能，還可保護敏感數(shù)字電路免受高速開關電流的影響。利用可用的柵極驅動器IC，工程師可以輕松創(chuàng)建能量收集設計所需的高效功率級。