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ADI:完成阻隔式半桥栅极驱动器

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 许多应用都采用隔离式半桥栅极驱动器来控制大量功

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许多运用都选用阻隔式半桥栅极驱动器来操控很多功率,从要求高功率密度和功率的阻隔式DC-DC电源模块,到高阻隔电压和长时刻可靠性至关重要的太阳能逆变器等等,不胜枚举。本文将具体论述这些规划理念,以展示选用小型封装的阻隔式半桥栅极驱动器IC在造就高功能方面的杰出才能。

选用光耦合器阻隔的根本半桥驱动器(如图1所示)以极性相反的信号来驱动高端和低端N沟道MOSFET(或IGBT)的栅极,由此来操控输出功率。驱动器有必要具有低输出阻抗以削减传导损耗,一起还须具有快速开关才能以削减开关损耗。出于精度和功率的考虑,高端和低端驱动器需求具有高度匹配的时序特性,以便削减在半桥的第一个开关封闭,第二个开关敞开前的阻滞时刻。

Figure 1
图1. 高压半桥栅极驱动器

如图所示,这种功用的一种惯例完成方法是用一个光耦合器进行阻隔,其后用一个高压栅极驱动器IC。这种电路的一个潜在缺乏,便是单阻隔输入通道依靠高压驱动器电路来完成所需求的通道间时序匹配和阻滞时刻。另一问题是,高压栅极驱动器并无电流阻隔,而是依靠IC的结阻隔来别离高端驱动电压和低端驱动电压。在低端开关事情中,电路中的寄生电感或许导致输出电压VS降至地电压以下。发作这种状况时,高端驱动器或许发作闩锁,并永久性损坏。

光耦合器栅极驱动器

另一种方法(如图2所示)运用两个光耦合器和两个栅极驱动器来完成输出之间的电流阻隔,然后避免了高端-低端交互作用的问题。栅极驱动器电路往往置于与光耦合器相同的封装中,因此一般需求两个独立的光耦合器栅极驱动器IC来构成完好的阻隔式半桥,成果使解决方案的物理尺度变大。另需注意的是,两个光耦合器即便封装在一起,也是是独立制作的,然后约束了匹配两个通道的才能。这种失配会增加封闭一个通道与翻开另一个通道之间的阻滞时刻,然后导致功率下降。

Figure 2
图2. 双光耦合器半桥栅极驱动器

光耦合器的响应速度遭到原边发光二极管(LED)电容的约束,并且将输出驱动至高达1 MHz的速度也会遭到其传达推迟(最大值为500 ns)以及较慢的上升和下降时刻(最大值为100 ns)的约束。要使光耦合器挨近最高速度,需求将LED电流增加至10 mA以上,这会耗费更多功率,缩短光耦合器的寿数并下降其可靠性,尤其是在太阳能逆变器和电源运用中常见的高温环境下。

脉冲变压器栅极驱动器

接下来,咱们来看看经过变压器耦合完成电流阻隔的电路。这些电路的传达推迟较低、时序特性更准确,与光耦合器比较,具有速度优势。在图3中,选用的是一个脉冲变压器,其作业速度可以到达半桥栅极驱动器运用一般所需的水平(最高1 MHz)。栅极驱动器IC可用于供给容性MOSFET栅极充电所需的高电流。在此,栅极驱动器以差分方法驱动脉冲变压器的原边,两个副边绕组驱动半桥的各个栅极。在这种运用中,脉冲变压器具有明显优势,不需求用阻隔式电源来驱动副边MOSFET。

Figure 3
图3. 脉冲变压器半桥栅极驱动器

可是,当感应线圈中活动的较大瞬态栅极驱动电流导致振铃时,就或许呈现问题。成果或许使栅极不合需求地敞开和封闭,然后损坏MOSFET。脉冲变压器的另一个限制在于,它们在要求信号占空比在50%以上的运用中或许体现欠佳。这是因为脉冲变压器只能供给沟通信号,并且铁芯磁通量有必要每半个周期复位一次以保持伏秒平衡。终究一点缺乏:脉冲变压器的磁芯和阻隔式绕组需求相对较大的封装,再加上驱动器IC和其他分立式元件,终究构成的解决方案或许尺度过大,无法习惯许多高密度运用。

数字阻隔器栅极驱动器

现在,咱们来看看把数字阻隔器用在阻隔式半桥栅极驱动器中的状况。图4中的数字阻隔器运用规范CMOS集成电路工艺,以金属层构成变压器线圈,并以聚酰亚胺绝缘材料来别离线圈。这种组合可以完成5 kV rms以上(1分钟额外值)的阻隔才能,可用于鲁棒型阻隔电源和逆变器运用。

Figure 4
图4. 选用变压器阻隔的数字阻隔器

如图5所示,数字阻隔器消除了光耦合器中运用的LED以及与之相关的老化问题,并且功耗更低、可靠性更高。输入与输出以及输出与输出之间供给电流阻隔(虚线),以消除高端-低端的交互作用。输出驱动器经过低输出阻抗下降导通损耗,一起经过快速开关时刻下降开关损耗。

Figure 5
图5. 选用数字阻隔的4 A栅极驱动器

与光耦合器规划不同,高端和低端数字阻隔器以单个集成电路为根底制作而成,其输出天然生成匹配,具有更高的功率。请注意,图1所示高压栅极驱动器集成电路会增加电平转化电路中的传达推迟,因此不能像数字阻隔器相同完成通道间时序特性的匹配。别的,在单个IC封装中一起集成栅极驱动器和阻隔机制可以最大极限地减小解决方案的尺度。

共模瞬变抗扰度

在针对高压电源的许八成桥栅极驱动器运用中,开关元件中或许发作极快的瞬变。在这些运用中,在阻隔栅上发作容性耦合的、快速改变的瞬态电压(高dV/dt) 或许在阻隔栅上构成逻辑瞬变过错。在阻隔式半桥驱动器运用中,这种状况或许在穿插传导过程中一起翻开两个开关,因此或许损坏开关。阻隔栅上的任何寄生电容都或许成为共模瞬变的耦合途径。

光耦合器需求以敏感度极高的接收器来检测阻隔栅上传递的少数光,并且较大的共模瞬变或许打乱其输出。可以在LED与接收器之间增加一个屏蔽,然后下降光耦合器对共模瞬变电压的敏感度,这种技能被运用在大都光耦合器栅极驱动器中。该屏蔽可以进步共模瞬变抗扰度 (CMTI),从规范光耦合器不到10 kV/μs的额外值提升至光耦合器栅极驱动器的25 kV/μs。尽管该额外值对许多栅极驱动器运用都是适宜的,可是关于瞬变电压较大的电源以及太阳能逆变器运用来说,或许需求CMTI到达50 kV/μs或以上。

数字阻隔器可以向其接收器供给更高的信号电平,并能接受极高的共模瞬变而不会导致数据过错。作为四端差分器材,根据变压器的阻隔器可向信号供给低差分阻抗,向噪声供给高共模阻抗,然后完成超卓的CMTI功能。另一方面,运用容性耦合构成不断改变的电场并在阻隔栅上传输数据的数字阻隔器是双端器材,因此噪声和信号共用一个传输途径。关于双端器材,信号频率需求远高于预期的噪声频率,以便阻隔栅电容对信号供给低阻抗,而对噪声供给高阻抗。当共模噪声电平大到足以吞没信号时,则或许打乱阻隔器输出端的数据。图6所示为根据电容的阻隔器中发作数据打乱示例,其间,输出信号(通道4,绿线)在仅10 kV/μs的共模瞬变过程中下降了6 ns,构成毛刺。

Figure 6
图6. 根据电容的数字阻隔器(CMTI <10 kV/μs)

图中数据是在根据电容的阻隔器瞬变的打乱阈值下收集的;假如瞬变要大得多,成果或许使打乱继续更长时刻,然后使MOSFET开关变得不稳定。比较之下,根据变压器的数字阻隔器可以接受超越100 kV/μs的共模瞬变,而输出端不会呈现数据打乱问题(图7)。

Figure 7
图7. 根据变压器的数字阻隔器(CMTI为100 kV/μs,ADuM140x)

阻隔式半桥驱动器供给4 A峰值输出电流

The ADuM3223/ADuM4223阻隔式半桥栅极驱动器(如图8所示)选用 iCoupler®技能以独立的阻隔式输出来驱动电机操控、开关电源和工业逆变器中所运用的高端和低端IGBT及MOSFET器材的栅极。这些阻隔组件集高速CMOS与单芯片变压器技能于一体,可供给精细时序、高可靠性以及优于光耦合器或脉冲变压器的全体功能。相关于输入,各路输出的继续作业电压最高可达565VPEAK,因此支撑低端切换至负电压。高端与低端之间的差分电压最高可达700 VPEAK。输出开关频率最高可达1 MHz,可供给4 A的峰值电流。CMOS兼容型输入可供给50 kV/μs的共模瞬变抗扰度。驱动器选用3.0 V至5.5 V的输入电源,可兼容低电压体系。其额外作业温度规模为–40°C至+125°C,选用16引脚SOIC封装。ADuM3223的千片订量报价为1.70美元/片,选用窄体规划,可供给3 kV rms的阻隔才能。ADuM4223的千片订量报价为2.03美元/片,选用宽体规划,可供给5 kV rms的阻隔才能。

Figure 8
图8. ADuM3223/ADuM4223框图

总结

关于阻隔式半桥栅极驱动器运用,现实标明,相关于根据光耦合器和脉冲变压器的规划,集成变压器的数字阻隔器具有很多优势。经过集成大幅下降了尺度和规划复杂性,然后极大地进步了时序特性。输出驱动器选用的电流阻隔技能则改进了鲁棒性,变压器耦合技能则明显进步了CMTI。

参阅电路

Coughlin, Chris. Technical Article, Common-Mode Transient Immunity.

A version of this article was published as Technical Article MS-2318, Design Fundamentals of Implementing an Isolated Half-Bridge Gate Driver, May 2012.

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