為半橋配置的高端柵極供電起初似乎是一項(xiàng)棘手的任務(wù)，因?yàn)榇蟛糠窒到y(tǒng)都有較高的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度要求。本文論述讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的可行解決方案。

簡(jiǎn)介

半橋拓?fù)鋸V泛用于電源轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。這在很大程度上是因?yàn)榘霕蚩赏ㄟ^總線電壓，為脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)提供高效同步控制。然而，在控制器和功率器件之間通常需要使用柵極驅(qū)動(dòng)器，以獲得更短的開關(guān)時(shí)間并出于安全性和/或功能性目的提供隔離。對(duì)于總線電壓高于功率開關(guān)的柵極到源極電壓最大限值的系統(tǒng)，必須采用不同于系統(tǒng)總線的電壓驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O。

本文討論多種柵極驅(qū)動(dòng)供電選項(xiàng)和基本設(shè)計(jì)制約因素，以及設(shè)計(jì)時(shí)的權(quán)衡取舍，幫助設(shè)計(jì)人員選擇適當(dāng)?shù)耐負(fù)洹＿@些選項(xiàng)包括采用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)變壓器、利用隔離式DC-DC饋送柵極驅(qū)動(dòng)器為光電二極管或數(shù)字隔離器供電、自舉配置，以及內(nèi)置DC-DC電壓源的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于功率較高的系統(tǒng)而言，功率開關(guān)器件占了BOM成本的很大一部分，且N型器件的導(dǎo)通電阻一般比尺寸和成本都相同的P型器件更低1。此外，若在半橋配置的單個(gè)引腳上使用兩個(gè)相同的開關(guān)，則圍繞時(shí)序要求而展開的設(shè)計(jì)(比如非交疊和死區(qū)時(shí)間)便可得到簡(jiǎn)化。由于這些原因，半橋配置通常由兩個(gè)N型器件組成，這兩個(gè)器件可以是NPN BJT、NMOS器件或N型IGBT。為簡(jiǎn)便起見，本文中的半橋配置采用兩個(gè)NMOS器件，每引腳使用一個(gè)器件；這一概念同樣適用于IGBT。為了使用BJT器件，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到恒定的基極電流。

基本柵極驅(qū)動(dòng)要求考慮圖1中的典型半橋配置。兩個(gè)MOSFET以互斥方式運(yùn)行，因?yàn)槿绻麅蓚€(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，則將產(chǎn)生直通。若要使MOSFET導(dǎo)通，則需VGS > VT，其中VGS是柵極到源極電壓，而VT是特定MOSFET的閾值電壓。工作時(shí)，建議MOSFET具有足夠的過驅(qū)能力，因此在大部分應(yīng)用中，實(shí)際柵極電壓為VGS >> VT。在部分開關(guān)周期中，低端開關(guān)Q2導(dǎo)通而高端開關(guān)Q1斷開。這表示VG1S1 > VT。在很多系統(tǒng)中，VG1S1等于0 V就足以保持高端開關(guān)斷開。理想情況下，VOUT擺動(dòng)到靠近系統(tǒng)地的位置。

忽略死區(qū)時(shí)間要求，則開關(guān)周期的其他部分為Q1導(dǎo)通而Q2斷開，這意味著VG2S2 > VT。在這段時(shí)間內(nèi)，VOUT擺動(dòng)至靠近總線電壓的位置。注意，高端開關(guān)的源極連接至VOUT，表示柵極Q1在部分開關(guān)周期中，數(shù)值高于總線電壓。

如果控制器IC直接連接至柵極Q1，則IC要求電壓高于VBUS +VT，這在很多情況下都不現(xiàn)實(shí)。

柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)主要作用是為功率開關(guān)提供快速開關(guān)時(shí)間，從而具備更快的上升和下降時(shí)間。這樣可以降低功率級(jí)中與壓擺率有關(guān)的損耗。過去，通過測(cè)量峰值電流來衡量驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，或者更準(zhǔn)確地說，是測(cè)量驅(qū)動(dòng)器的RDSON。記住以下這點(diǎn)很重要：對(duì)于具備更高峰值電流(或更低RDSON)的柵極驅(qū)動(dòng)器，其功率要求并不一定更高，因?yàn)殚_關(guān)柵極的功率通常由Q × V × FSW驅(qū)動(dòng)，其中Q表示柵極電荷，V表示柵極電壓擺幅，F(xiàn)SW表示系統(tǒng)的開關(guān)頻率2。

若要為高端開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器供電，電源必須要能跟隨VOUT電壓，因?yàn)闁艠O以該電壓為參考。適當(dāng)去耦通常能解決隔離電源接地參考的快速變化而導(dǎo)致的任何電壓尖峰問題。此外，每個(gè)不共享接地的柵極驅(qū)動(dòng)器都可能需要自己的隔離電源。假設(shè)有一個(gè)典型的三相系統(tǒng)由三個(gè)半橋引腳組成，如圖2所示。系統(tǒng)中有四個(gè)獨(dú)立的接地參考，因?yàn)榈投碎_關(guān)共享公共參考。取決于是否需要安全隔離或功能隔離，三相系統(tǒng)可以采用三個(gè)或四個(gè)專用電源。

任何項(xiàng)目需考慮的兩個(gè)因素是解決方案的尺寸以及方案總成本。本文將通過不同的選項(xiàng)探討權(quán)衡取舍。為柵極驅(qū)動(dòng)器提供隔離電源的基本要求可以總結(jié)如下：

1) 提供足夠的電壓擺幅。
2) 部分開關(guān)周期的電壓值高于總線電壓。
3) 可跟隨半橋中點(diǎn)電壓的浮動(dòng)接地。
4) 足夠的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。
5) 緊湊的解決方案。
6) 合理的價(jià)格。

柵極驅(qū)動(dòng)變壓器

最早有一種提供隔離式柵極信號(hào)的解決方案使用柵極驅(qū)動(dòng)變壓器，比如圖3中的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，電能通過變壓器傳輸，在副邊形成所需的柵極電壓。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一是其保證互補(bǔ)操作相對(duì)較為容易實(shí)現(xiàn)，方法是使其中一路副邊輸出極性與另一路相反。采用這種方式，若要驅(qū)動(dòng)高端柵極至導(dǎo)通狀態(tài)并驅(qū)動(dòng)低端柵極至斷開狀態(tài)，可將電流以一個(gè)方向饋送至變壓器的原邊，相反方向的驅(qū)動(dòng)電流則驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O至相反狀態(tài)。

由于在柵極驅(qū)動(dòng)中，柵極驅(qū)動(dòng)變壓器用作電源，因此在靠近所驅(qū)動(dòng)的柵極處，該解決方案的尺寸較小。器件數(shù)也較低，因?yàn)闊o需使用專用隔離式電源。變壓器實(shí)際成本介于中等和昂貴之間。

變壓器無法傳輸直流信號(hào)，因此在最基本的拓?fù)渲?，柵極在零點(diǎn)處達(dá)到伏秒平衡，這表示隨著占空比上升，峰值正電壓將下降3。這會(huì)對(duì)工作占空比造成限制，同時(shí)增加死區(qū)時(shí)間調(diào)諧的難度。占空比的快速變化還會(huì)產(chǎn)生磁芯飽和平衡問題。采用直流恢復(fù)拓?fù)鋾r(shí)，需注意關(guān)斷時(shí)很容易產(chǎn)生直通，因此柵極驅(qū)動(dòng)變壓器不太適合要求快速關(guān)斷的應(yīng)用，比如檢測(cè)到系統(tǒng)故障時(shí)。必須復(fù)位柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的磁芯，否則磁芯可能飽和，從而增加開關(guān)時(shí)序的設(shè)計(jì)難度。由于以上這些原因，目前在較高穩(wěn)定性的高性能系統(tǒng)中很少采用柵極驅(qū)動(dòng)變壓器。