隔離式半橋柵極驅動器用于許多應用，從需要高功率密度和效率的隔離式DC-DC電源模塊，到高隔離電壓和長期可靠性至關重要的太陽能逆變器。本文將詳細討論這些設計概念，探討隔離式半橋柵極驅動器解決方案提供高性能和小尺寸解決方案的能力。

隔離式半橋驅動器的功能是驅動高側和低側N溝道MOSFET（或IGBT）的柵極，具有低輸出阻抗以降低導通損耗，并驅動快速開關時間以降低開關損耗。高邊和低邊驅動器需要非常緊密地匹配時序特性，以實現準確高效的開關。這減少了半橋的一個開關在第二個開關導通之前關閉的死區時間。實現隔離式半橋柵極驅動功能的典型方法是使用光耦合器進行隔離，然后使用高壓柵極驅動器IC，如圖1所示。該電路的一個潛在問題是只有一個隔離的輸入通道，它依賴于高壓驅動器在通道之間的時序上實現所需的匹配，并且還依賴于應用所需的死區時間。另一個問題是，高壓柵極驅動器沒有電流隔離，而是依靠結隔離將同一IC中的高端驅動電壓與低端驅動電壓分開。電路中的寄生電感會導致輸出電壓V。S，以在低側開關事件期間降至地電位以下。發生這種情況時，高邊驅動器可能會閂鎖并永久損壞。

圖1.高壓半橋柵極驅動器。

光耦合器柵極驅動器

第二種方法如圖2所示，通過使用兩個光耦合器在輸出之間建立電流隔離，避免了高端到低端相互作用的問題。柵極驅動器電路通常與光耦合器封裝在同一封裝中，最常見的是使用兩個獨立的光耦合器柵極驅動器IC來完成隔離式半橋，這使得解決方案尺寸更大。應該注意的是，光耦合器是作為分立器件制造的，即使兩個封裝在一起，因此它們在通道間匹配方面會有局限性。這將增加關閉一個通道和打開另一個通道之間所需的死區時間，從而降低效率。光耦合器的響應速度也受到初級側發光二極管（LED）電容的限制，將輸出驅動到高達1 MHz的速度將受到其傳播延遲（最大值為500 ns）和緩慢上升和下降時間（最大值為100 ns）的限制。為了使光耦合器達到最大速度，需要將LED電流增加到10 mA以上，消耗更多的功率，并降低光耦合器的使用壽命和可靠性，特別是在太陽能逆變器和電源應用中常見的高溫環境中。

圖2.光耦合器半橋柵極驅動器。

脈沖變壓器柵極驅動器

接下來，我們將介紹電流隔離器，由于傳播延遲更低，時序更精確，因此與光耦合器相比具有速度優勢。脈沖變壓器是一種隔離變壓器，能夠以半橋柵極驅動器應用通常需要的速度（高達1 MHz）運行。柵極驅動器 IC 可用于提供為容性 MOSFET 柵極充電所需的高電流。圖3中的柵極驅動器將差分驅動脈沖變壓器的初級，該變壓器在次級上有兩個繞組，以驅動半橋的每個柵極。使用脈沖變壓器的一個優點是，它不需要隔離電源來驅動次級側MOSFET。當大瞬態柵極驅動電流流過電感線圈時，可能會出現此應用中的潛在問題，從而導致振鈴。這可能會在無意中打開和關閉柵極，從而導致MOSFET損壞。脈沖變壓器的另一個限制是，它們在需要占空比超過50%的信號的應用中可能無法正常工作。這是因為變壓器只能提供交流信號，因為必須每半個周期重置一次磁芯磁通以保持伏秒平衡。最后，脈沖變壓器的磁芯和隔離繞組需要相對較大的封裝。這與驅動器IC和其他分立元件相結合，創造了一個對于許多高密度應用來說可能太大的解決方案。

圖3.脈沖變壓器半橋柵極驅動器。

數字隔離器柵極驅動器

現在，我們將研究隔離式半橋柵極驅動器的數字隔離器方法。在圖4中，數字隔離器使用標準的CMOS集成電路工藝，金屬層形成由聚酰亞胺絕緣層隔開的變壓器線圈。這種組合可實現超過 5 kV rms（1 分鐘額定值）的隔離，可用于增強型隔離電源和逆變器應用。

圖4.帶變壓器隔離的數字隔離器。

如圖5所示，數字隔離器消除了光耦合器中使用的LED及其相關的老化問題，功耗要低得多，而且更可靠。在輸入和輸出之間以及輸出之間提供電流隔離，以消除高端到低端的相互作用。輸出驅動器提供低輸出阻抗以降低導通損耗，并提供快速開關時間以降低開關損耗。與光耦合器設計不同，高側和低側數字隔離器是具有匹配輸出的集成電路，可提高效率。高壓柵極驅動器集成電路（圖1）在電平轉換電路中增加了傳播延遲，因此無法像數字隔離器那樣匹配通道間時序特性。在數字隔離器中集成柵極驅動器，將解決方案尺寸減小到單個封裝，從而實現更小的解決方案尺寸。

圖5.數字隔離器 4 A 柵極驅動器。

共模瞬態抗擾度

在許多高壓電源的半橋柵極驅動器應用中，開關元件上可能會出現非常快的瞬變。在這些應用中，如果較大的dV/dt可以跨越隔離柵進行容性耦合，則有可能在隔離柵上引起邏輯轉換誤差。在隔離式半橋驅動器應用中，這可能會以交叉導通的方式打開兩個開關，從而損壞開關。隔離柵上的任何寄生電容往往都是共模瞬變的耦合路徑。光耦合器需要具有非常靈敏的接收器來檢測通過隔離柵傳輸的少量光，并且其輸出可能會因較大的共模瞬變而中斷。通過在LED和接收器之間增加屏蔽層，可以提高光耦合器對共模瞬態電壓的靈敏度，這是大多數光耦合器柵極驅動器的制造方式。該屏蔽可將額定值低于10 kV/μs的標準光耦合器的共模瞬變抗擾度（CMTI）提高到光耦合器柵極驅動器的25 kV/μs。對于許多柵極驅動應用，25 kV/μs CMTI 可能就足夠了，但對于具有大瞬態電壓的電源和太陽能逆變器應用，可能需要 50 kV/μs 或更高的 CMTI。

數字隔離器可以為其接收器提供更高的信號電平，并承受非常高的共模瞬變，而不會產生數據錯誤。基于變壓器的隔離器是四個終端器件，為信號提供低差分阻抗，為噪聲提供高共模阻抗，從而產生出色的CMTI。其他數字隔離器可能使用電容耦合來產生不斷變化的電場，并跨越隔離柵傳輸數據。與基于變壓器的隔離器不同，基于電容器的隔離器是雙端器件，噪聲和信號共享相同的傳輸路徑。對于雙端器件，信號頻率需要遠高于預期的噪聲頻率，以便勢壘電容對信號呈現低阻抗，對噪聲呈現高阻抗。當共模噪聲電平大到足以壓倒信號時，可能會導致隔離器輸出端的數據混亂。圖6顯示了基于電容的隔離器數據擾動示例，其中輸出（通道4）在僅10 kV/μs的共模瞬變期間低電平毛刺6 ns。請注意，該數據是在擾動基于電容的隔離器的閾值電平下獲取的，如果瞬態較大，則擾動可能會持續更長的時間，這可能導致MOSFET的開關不穩定。相比之下，基于變壓器的數字隔離器已被證明可以承受超過100 kV/μs的共模瞬變，而不會在輸出端出現數據干擾（見圖7）。

圖6.基于電容的數字隔離器，CMTI為< 10 kV/μs。

圖7.基于變壓器的數字隔離器ADuM140x，CMTI為100 kV/μs。

總之，對于隔離式半橋柵極驅動器應用，基于變壓器的數字隔離器已被證明比基于光耦合器和脈沖變壓器的設計具有許多優勢。通過集成，解決方案尺寸和設計復雜性顯著降低，從而大大提高了時序性能。通過輸出驅動器的電氣隔離和更高的CMTI，魯棒性也得到了改善。

審核編輯：郭婷