IGBT 和功率 MOSFET 是一種電壓控制型器件，可用作電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和其它系統(tǒng)中的開關(guān)元件，柵極是每個(gè)器件的電氣隔離控制端。MOSFET 的另外兩端是源極和漏極，而對(duì)于 IGBT，它們被稱為集電極和發(fā)射極。為了操作 MOSFET/IGBT，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極。

 

IGBT 和功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)使得柵極形成一個(gè)非線性電容。給柵極電容充電會(huì)使功率器件導(dǎo)通，并允許電流在其漏極和源極引腳之間流動(dòng)，而放電則會(huì)使器件關(guān)斷，漏極和源極引腳上就可以阻斷大電壓。當(dāng)柵極電容充電且器件剛好可以導(dǎo)通時(shí)的最小電壓就是閾值電壓(VTH)。為將 IGBT/ 功率 MOSFET 用作開關(guān)，應(yīng)在柵極和源極 / 發(fā)射極引腳之間施加一個(gè)充分大于 VTH 的電壓。

用反相邏輯驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET

 

通過柵極驅(qū)動(dòng)器提供適當(dāng)柵極電壓

提供適當(dāng)柵極電壓的問題通過柵極驅(qū)動(dòng)器來解決，柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換任務(wù)。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(shí)間。在切換期間，器件可能處于高電流和高電壓狀態(tài)，這會(huì)產(chǎn)生功耗并轉(zhuǎn)化為熱量。因此，從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要很快，以盡可能縮短切換時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要高瞬變電流來使柵極電容快速充電和放電。

 

能夠在更長時(shí)間內(nèi)提供 / 吸收更高柵極電流的驅(qū)動(dòng)器，切換時(shí)間會(huì)更短，因而其驅(qū)動(dòng)的晶體管內(nèi)的開關(guān)功耗也更低。

 

微控制器 I/O 引腳的拉電流和灌電流額定值通常可達(dá)數(shù)十毫安，而柵極驅(qū)動(dòng)器可以提供高得多的電流。當(dāng)功率 MOSFET 由微控制器 I/O 引腳以最大額定拉電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，觀察到切換時(shí)間間隔較長。采用例如 ADI 公司的 ADuM4121 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間大大縮短。當(dāng)驅(qū)動(dòng)同一功率 MOSFET 時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器相比微控制器 I/O 引腳能夠提供高得多的驅(qū)動(dòng)電流。

 

此外，很多情況下由于數(shù)字電路可能會(huì)透支電流，直接用微控制器驅(qū)動(dòng)較大功率 MOSFET/IGBT 可能會(huì)使控制器過熱進(jìn)而受損。柵極驅(qū)動(dòng)器具有更高驅(qū)動(dòng)能力，支持快速切換，上升和下降時(shí)間只有幾納秒。這可以減少開關(guān)功率損耗，提高系統(tǒng)效率。因此，驅(qū)動(dòng)電流通常被認(rèn)為是選擇柵極驅(qū)動(dòng)器的重要指標(biāo)。

 

光耦合隔離與數(shù)字隔離，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選？

對(duì)于采用柵極驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)，隔離對(duì)功能的執(zhí)行可能是必要的，并且也可能是安全要求的。特別是如果控制側(cè)涉及到人的活動(dòng)，那么高功率側(cè)和低電壓控制電路之間需要電流隔離。它能防范高壓側(cè)的任何故障，因?yàn)楸M管有元件損壞或失效，隔離柵仍會(huì)阻止電力到達(dá)用戶。隔離是指系統(tǒng)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(dǎo)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(xué)方法，仍可讓信號(hào)和 / 或電源在隔離電路之間通過。

 

設(shè)計(jì)中工程師選擇隔離柵驅(qū)動(dòng)器可以有多種方案可選，例如光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案、高壓柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案，以及基于 iCoupler 技術(shù)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

 

 

雙光耦合器半橋柵極驅(qū)動(dòng)器

 

傳統(tǒng)應(yīng)用中光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器和高壓柵極驅(qū)動(dòng)器是工程師熟悉和常用的選擇，但有經(jīng)驗(yàn)的工程師也非常了解兩者的特性和不足。對(duì)光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器而言，光耦合器的一些缺點(diǎn)是關(guān)鍵短板：光耦合器的響應(yīng)速度受到原邊發(fā)光二極管(LED)電容的限制，而且將輸出驅(qū)動(dòng)至高達(dá) 1 MHz 的速度也會(huì)受到其傳播延遲（500 ns~350ns）以及較慢的上升和下降時(shí)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(huì)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(yīng)用中常見的高溫環(huán)境下（而且大部分額定工作溫度為最高 85°C）。

 

此外，柵極驅(qū)動(dòng)器電路往往置于與光耦合器相同的封裝中，因而一般需要兩個(gè)獨(dú)立的光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 來構(gòu)成完整的隔離式半橋，結(jié)果使解決方案的物理尺寸變大。另需注意的是，兩個(gè)光耦合器即使封裝在一起，也是是獨(dú)立制造的，從而限制了匹配兩個(gè)通道的能力。這種失配會(huì)增加關(guān)閉一個(gè)通道與打開另一個(gè)通道之間的停滯時(shí)間，從而導(dǎo)致效率下降。

 

 

高壓半橋柵極驅(qū)動(dòng)器

 

對(duì)于高壓柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 這種電路的一個(gè)潛在不足，就是單隔離輸入通道依賴高壓驅(qū)動(dòng)器電路來實(shí)現(xiàn)所需要的通道間時(shí)序匹配和停滯時(shí)間。另一問題是，高壓柵極驅(qū)動(dòng)器并無電流隔離，而是依賴 IC 的結(jié)隔離來分離高端驅(qū)動(dòng)電壓和低端驅(qū)動(dòng)電壓。在低端開關(guān)事件中，電路中的寄生電感可能導(dǎo)致輸出電壓 VS 降至地電壓以下。發(fā)生這種情況時(shí)，高端驅(qū)動(dòng)器可能發(fā)生閂鎖，并永久性損壞。

 

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器具有電氣隔離和較強(qiáng)的柵極驅(qū)動(dòng)能力，很多系統(tǒng)架構(gòu)的安全性和魯棒性都需要這些性能。而傳統(tǒng)的光耦合柵極驅(qū)動(dòng)器上述局限性促使人們尋找其它替代方案，基于 AD 數(shù)字隔離技術(shù) iCoupler 的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列提供 50 ns 最大傳播延遲、小于 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(yōu)勢(shì)，獲得需要高性能隔離的柵極驅(qū)動(dòng)器電路青睞，特別是在 AC/DC 轉(zhuǎn)換器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、反相器、電機(jī)控制中，實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度并滿足更高的功率密度和更佳的效率要求。此外，標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 工藝支持低成本、高可靠性，平衡的推挽輸出級(jí)還能進(jìn)一步簡化柵極驅(qū)動(dòng)，輸出間真正的電氣隔離將高端和低端分隔，使交叉導(dǎo)通電位降至最低。

 

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中常用的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（采用 ADuM4121 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器）

 

結(jié)語

對(duì)于隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，事實(shí)表明相對(duì)于基于光耦合器和脈沖變壓器的設(shè)計(jì)，集成變壓器的數(shù)字隔離器具有眾多優(yōu)勢(shì)。通過集成大幅降低了尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而極大地提高了時(shí)序特性。輸出驅(qū)動(dòng)器采用的電流隔離技術(shù)則改進(jìn)了魯棒性，變壓器耦合技術(shù)則顯著提高了模瞬變抗擾度 (CMTI)。