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ADI:阻隔式栅极驱动器揭秘

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 摘要IGBT/功率MOSFET是一种电压控制型

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摘要

IGBT/功率MOSFET是一种电压操控型器材,可用作电源电路、电机驱动器和其它体系中的开关元件。栅极是每个器材的电气阻隔操控端。MOSFET的别的两头是源极和漏极,而关于IGBT,它们被称为集电极和发射极。为了操作MOSFET/IGBT,一般须将一个电压施加于栅极(相关于器材的源极/发射极而言)。运用专门驱动器向功率器材的栅极施加电压并供给驱动电流。本文评论栅极驱动器是什么,为何需求栅极驱动器,以及怎么界说其根本参数,如时序、驱动强度和阻隔度。

需求栅极驱动器

IGBT/功率MOSFET的结构使得栅极构成一个非线性电容。给栅极电容充电会使功率器材导通,并答应电流在其漏极和源极引脚之间活动,而放电则会使器材关断,漏极和源极引脚上就能够阻断大电压。当栅极电容充电且器材刚好能够导通时的最小电压便是阈值电压(VTH)。为将IGBT/功率MOSFET用作开关,应在栅极和源极/发射极引脚之间施加一个充沛大于VTH 的电压。

考虑一个具有微操控器的数字逻辑体系,其I/O引脚之一上能够输出一个0 V至5 V的PWM信号。这种PWM将不足以使电源体系中运用的功率器材彻底导通,因为其过驱电压一般超越规范CMOS/TTL逻辑电压。因而,逻辑/操控电路和高功率器材之间需求一个接口。这能够通过驱动一个逻辑电平n沟道MOSFET,其然后驱动一个功率MOSFET来完成,如图1a所示。

Figure 1
图1.用反相逻辑驱动功率MOSFET。

如图1a所示,当IO1宣布一个低电平信号时,VGSQ1 < VTHQ1 ,因而MOSFET Q1坚持关断。成果,一个正电压施加于功率MOSFET Q2的栅极。Q2的栅极电容(CGQ2)通过上拉电阻R1充电,栅极电压被拉至VDD的轨电压。假如VDD > VTHQ2,则Q2 导通,能够传导电流。当IO1输出高电平时,Q1 导通,CGQ2通过Q1放电。VDSQ1 ~ 0 V,使得VGSQ2 < VTHQ2,因而Q2关断。这种设置的一个问题是Q1导通状况下R1的功耗。为了处理此问题,pMOSFET Q3能够作为上拉器材,其以与Q1互补的办法作业,如图1b所示。PMOS具有较低导通电阻和十分高的关断电阻,驱动电路中的功耗大大下降。为在栅极转化期间操控边缘速率,Q1 的漏极和Q2的栅极之间外加一个小电阻。运用MOSFET的另一个长处是其易于在裸片上制造,而制造电阻则相对较难。这种驱动功率开关栅极的一起接口能够单片IC的办法创立,该IC承受逻辑电平电压并发作更高的功率输出。此栅极驱动器IC简直总是会有其他内部电路来完成更多功用,但它首要用作功率放大器和电平转化器。

栅极驱动器的要害参数

驱动强度:

供给恰当栅极电压的问题通过栅极驱动器来处理,栅极驱动器履行电平转化使命。不过,栅极电容无法瞬间改动其电压。因而,功率FET或IGBT具有非零的有限切换间隔时刻。在切换期间,器材或许处于高电流和高电压状况,这会发作功耗并转化为热量。因而,从一个状况到另一个状况的转化需求很快,以尽或许缩短切换时刻。为了完成这一点,需求高瞬变电流来使栅极电容快速充电和放电。

Figure 2
图2.无栅极驱动器的MOSFET导通转化

能够在更长时刻内供给/吸收更高栅极电流的驱动器,切换时刻会更短,因而其驱动的晶体管内的开关功耗也更低。

Figure 3
图3.有栅极驱动器的MOSFET导通转化

微操控器I/O引脚的拉电流和灌电流额外值一般可达数十毫安,而栅极驱动器能够供给高得多的电流。图2中,当功率MOSFET由微操控器I/O引脚以最大额外拉电流驱动时,观察到切换时刻间隔较长。如图3所示,选用ADuM4121阻隔式栅极驱动器时,转化时刻大大缩短;当驱动同一功率MOSFET时,该驱动器比较微操控器I/O引脚能够供给高得多的驱动电流。许多状况下,因为数字电路或许会透支电流,直接用微操控器驱动较大功率MOSFET/IGBT或许会使操控器过热,然后受损。栅极驱动器具有更高驱动才能,支撑快速切换,上升和下降时刻只要几纳秒。这能够削减开关功率损耗,进步体系功率。因而,驱动电流一般被认为是挑选栅极驱动器的重要目标。

与驱动电流额外值相对应的是栅极驱动器的漏源导通电阻(RDS(ON))。抱负状况下,MOSFET彻底导通时的RDS(ON)值应为零,但因为其物理结构,该阻值一般在几欧姆范围内。这考虑了从漏极到源极的电流途径中的总串联电阻。

RDS(ON)是栅极驱动器最大驱动强度额外值的真实根底,因为它约束了驱动器能够供给的栅极电流。内部开关的RDS(ON) 决议灌电流和拉电流,但外部串联电阻用于下降驱动电流,因而会影响边缘速率。如图4所示,高端导通电阻和外部串联电阻EXT 构成充电途径中的栅极电阻,低端导通电阻和 REXT 构成放电途径中的栅极电阻。

Figure 4
图4.具有MOSFET输出级和功率器材作为电容的栅极驱动器的RC电路模型

RDS(ON) 也会直接影响驱动器内部的功耗。关于特定驱动电流,RDS(ON)值越低,则能够运用的REXT值越高。功耗散布在REXT和RDS(ON)上,因而REXT值越高,意味着驱动器外部的功耗越多。所以,关于给定芯片面积和尺度的IC,为了进步体系功率并放宽驱动器内的热调理要求,RDS(ON) 值越低越好。

Figure 5
图5.ADuM4120栅极驱动器和时序波形

时序:

栅极驱动器时序参数对评价其功用至关重要。包括ADuM4120在内的一切栅极驱动器的一个常见时序标准(如图5所示)是驱动器的传达推迟(tD) ,其界说为输入边缘传达到输出所需的时刻。如图5所示,上升传达推迟(tDHL)能够界说为输入边缘升至输入高阈值(VIH)以上到输出升至最终值10%以上的时刻。类似地,下降传达推迟(tDHL)能够表述为从输入边缘降至输入低阈值VIL以下到输出降至其高电平90%以下的时刻。输出转化的传达推迟关于上升沿和下降沿或许不同。

图5还显现了信号的上升和下降时刻。这些边缘速率遭到器材可供给的驱动电流的影响,但它们也取决于所驱动的负载,这在传达推迟核算中并未考虑。另一个时序参数是脉宽失真,其为同一器材的上升和下降传达推迟之差。因而,脉宽失真(PWD) = |tDLH  tDHL|。

因为不同器材内的晶体管不匹配,两个器材的传达推迟不会彻底相同。这会导致传达推迟偏斜(tSKEW),其界说为两个不同器材在相同作业条件下对同一输入作出响应时,输出转化之间的时刻差。如图5所示,传达推迟偏斜被界说为器材间误差。关于具有多个输出通道的器材,此标准的表述办法相同,但被称为通道间偏斜。传达推迟偏斜一般不能在操控电路中予以补偿。

图6显现了ADuM4121栅极驱动器的典型设置,其结合功率MOSFET运用,选用半桥装备,合适电源和电机驱动运用。在这种设置中,假如Q1 和 Q2一起导通,有或许因为电源和接地引脚短路而发作直通。这或许会永久损坏开关乃至驱动电路。为避免直通,有必要在体系中刺进一个死区时刻,然后大大下降两个开关一起导通的或许性。在死区时刻间隔内,两个开关的栅极信号为低电平,因而抱负状况下,开关处于关断状况。假如传达推迟偏斜较低,则所需的死区时刻较短,操控变得愈加可猜测。偏斜越低且死区时刻越短,体系运转会更平稳、更高效。

时序特性很重要,因为它们会影响功率开关的操作速度。了解这些参数能够使操控电路规划愈加简略和精确。

阻隔:

阻隔是指体系中各种功用电路之间的电气别离,使得它们之间不存在直接导通途径。这样,不同电路能够具有不同的地电位。运用电感、电容或光学办法,仍可让信号和/或电源在阻隔电路之间通过。关于选用栅极驱动器的体系,阻隔对功用的履行或许是必要的,而且也或许是安全要求。图6中,VBUS或许有几百伏,在给定时刻或许有数十安培的电流通过Q1 或 Q2。假如此体系呈现毛病时,假如损坏仅限于电子元件,则安全阻隔或许是不必要的,但假如操控侧涉及到人的活动,那么高功率侧和低电压操控电路之间需求电流阻隔。它能防备高压侧的任何毛病,因为虽然有元件损坏或失效,阻隔栅仍会阻挠电力抵达用户。

Figure 6
图6.选用ADuM4121阻隔式栅极驱动器的半桥设置中的阻隔栅

为避免触电风险,阻隔是监管组织和安全认证组织的强制要求。它还能维护低压电子器材免受高功率侧毛病引起的任何危害的影响。有多种办法能够描绘安全阻隔,但在根本层面上,它们都与阻隔栅的击穿电压有关。此电压额外值一般针对驱动器的运用寿命以及特定期间和状况的电压瞬变而给出。这些电压电平还与驱动器IC的物理尺度以及阻隔栅上引脚之间的最小间隔有关。

除安全原因外,阻隔关于体系正常运转也或许是必不可少的。图6显现了电机驱动电路中常用的半桥拓扑结构,给定时刻只要一个开关导通。在高功率侧,低端晶体管Q2 的源极接地。Q2 的栅源电压(VGSQ2)因而直接以地为基准,驱动电路的规划相对简略。高端晶体管Q1的状况则不同,因为其源极是开关节点,取决于哪个开关导通,开关节点将被拉至总线电压或地。要使Q1导通,应施加一个超越其阈值电压的正栅源电压(VGSQ1)。因而,当源极连接到VBUS ,Q1处于导通状况时,其栅极电压将高于VBUS 。假如驱动电路没有用于接地参阅的阻隔,则将需求大于VBUS 的电压来驱动Q1。这是一个繁琐的处理方案,关于高效体系来说并不有用。因而,人们需求通过电平转化并以高端晶体管源极为基准的操控信号。这被称为功用阻隔,能够运用阻隔式栅极驱动器(如ADuM4223)来完成。

抗扰度:

栅极驱动器用在有很多噪声源的工业环境中。噪声会损坏数据,使体系不可靠,导致功用下降。因而,栅极驱动器有必要具有杰出的抗噪声才能,以保证数据的完整性。抗扰度与驱动器按捺电磁搅扰(EMI)或RF噪声及共模瞬变的程度有关。

EMI是指任何损坏电子器材预期操作的电气噪声或磁搅扰。EMI(其会影响栅极驱动器)是高频开关电路的成果,首要由大型工业电机的磁场形成。EMI能够辐射或传导,而且或许耦合到邻近的其他电路中。因而,EMI或RF抗扰度是衡量栅极驱动器按捺电磁搅扰并坚持稳健运转而无过失的才能的目标。若具有高抗扰度,驱动器便可在大型电机邻近运用,而不会引起数据传输毛病。

如图6所示,阻隔栅预期可在不同电位的接地址供给高电压阻隔。可是,高频切换导致次级端电压转化的边缘较短。因为阻隔鸿沟之间的寄生电容,这些快速瞬变而从一侧耦合到另一侧,这或许导致数据损坏。其体现或许是在栅极驱动信号中引进颤动,或许将信号彻底回转,导致功率低下,乃至在某些状况下发作直通。因而,栅极驱动器的一个决议性目标是共模瞬变抗扰度(CMTI),其定量描绘阻隔式栅极驱动器按捺输入和输出间大共模瞬变的才能。假如体系中的压摆率很高,则驱动器需求有很高的抗扰度。因而,当在高频和大总线电压下作业时,CMTI数值特别重要。

结语

本文旨在简略介绍栅极驱动器,因而,到目前为止评论的参数并未全面翔实地反映阻隔式栅极驱动器特性。驱动器还有其他目标,如电源电压、容许温度、引脚摆放等,这些是每个电子器材的一起考虑要素。一些驱动器,如ADuM4135和ADuM4136,也包括维护功用或先进的检测或操控机制。市场上的阻隔式栅极驱动器品种很多,体系规划人员有必要了解一切这些标准和特性,以便在相关运用中就运用恰当的驱动器作出正确的决议。

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