專用隔離電源

隔離柵極驅動的另一種方法，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據傳輸至光電晶體管或光電二極管。內部二極管的光輸出量隨著器件的老化和/或溫度而下降，產生時序移位，因而死區時間需要更寬的裕量4。作為光耦合器的替代器件，數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生的時序移位，同時相比光耦合器可大幅降低溫度產生的時序移位。采用光耦合器和數字隔離器時，輸出緩沖器中的已傳送信號確定柵極的最終驅動強度。該緩沖器可集成在隔離器封裝內，也可部署在封裝外。高壓電平轉換器使用上拉結構將時序數據傳送至高端，可處理高達幾百V的電壓。如果半橋電壓發生負振鈴，則高壓電平轉換器可能會閂鎖，而數字隔離器或光耦合隔離器不會產生這種情況。

為緩沖器供電的最直觀的方法，是為半橋的每一個浮動區域提供專用的隔離式DC-DC轉換器。對于多引腳系統，低端柵極驅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中的系統示例所示。

專用隔離電源設置不存在占空比或最小開關頻率要求，并且隔離式柵極驅動器的輸入端可獨立受控，允許調諧死區時間。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。可利用反激式轉換器或正向轉換器等集成變壓器的拓撲，在系統級創建一個隔離式電源。此外，還可采用單芯片模塊，比如Recom提供的產品——這些產品針對隔離高電壓設計5。

半橋自舉配置

向上驅動柵極時，除了靜態電流，隔離式柵極驅動器的輸出端主要從供電軌獲取電流。一旦IGBT或MOSFET的柵極電壓到達供電軌，功耗便降為最低，因為柵極本質上是一個電容。對于高端驅動器而言，高端MOSFET導通時，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到最大值前一刻，高端接地通過低端功率開關連接至低端接地。在高端供電軌上使用單個二極管以及數值適中的大電容后，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，以便控制峰值充電電流6。

自舉電容在低端開關導通期間充電并快速放電，以便填滿柵極電容；但由于高端驅動器的靜態電流，它在高端開關導通期間將緩慢放電。這會對系統占空比和開關頻率產生限制作用7。只要有足夠的時間來對自舉電容充電，并且高端開關在超過電容所能支持的時間內未導通，則該解決方案的成本和尺寸優勢便能凸顯，特別是用于多相系統時。另外，在上電時可同時開啟低端開關，從而一次充電多個自舉電容。

集成式電源和柵極驅動器

解決方案向更小尺寸的自然演化過程是創建集成隔離式電源和柵極驅動器功能的單片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動器拓撲電路而言，可在IC中部署小型芯片級電感。采用ADuM5230的這類系統如圖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，允許驅動更大的柵極電容。受限于效率，最大功耗(從而開關頻率和/或最大柵極電荷負載)也受到限制。隨著技術進步，滿足更高系統要求的單芯片解決方案將會應運而生。

撇開功耗方面的限制，該集成式隔離電源和柵極驅動器系統具有出色的解決方案尺寸，同時移除了占空比和最低開關頻率的限制。

小結

為半橋配置的隔離端供電存在一定難度，但有很多拓撲可供設計人員選擇。柵極驅動變壓器在器件數方面占有優勢，但受限于驅動信號的復雜程度，而且磁芯的動態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，降低解決方案成本。目前已出現高度集成的解決方案，這類解決方案利用內部變壓器完成功率傳輸，節省了尺寸，減少了器件數。有了如此眾多的拓撲，設計人員便擁有創建魯棒半橋解決方案的工具。

作者簡介

Ryan Schnell是ADI公司的應用工程師。 他的工作涉及使用iCoupler?技術來實現隔離的隔離式柵極驅動器，以及各種電源管理產品。他擁有科羅拉多大學電氣工程學士/碩士學位，以及電源電子學博士學位。

參考文獻

1. Hu, Calvin. “Modern Semiconductor Devices forIntegrated Circuits.” Prentice Hall; 2009

2. Concept, “IGBT and MOSFET Drivers CorrectlyCalculated”, application note AN-1001, pp. 1.

3. Ridley, Ray. “Gate Drive Design Tips,” Power SystemsDesign Europe, 2006, pp. 14-18.

4. Foo, Jye Chwan. “Gauging LED Lifetime inOptocouplers”, Machine Design, Sep 20, 2012.

5. Recom, “ECONOLINE DC/DC-Converter,” RP Seriesdata sheet, Rev. 0, 2014.

6. Analog Devices, Inc., “ADuM3223”, data sheet, Rev. D,

7. Adams, Jonathan. “Bootstrap Component Selection forControl ICs”, International Rectier, Design Tip DT98-2.

8. Analog Devices, Inc., “ADuM5230”, data sheet, Rev. B, , 2013.