IGBT 和功率 MOSFET 是一种电压控制型器件,可用作电源电路、电机驱动器和其它系统中的开关元件,栅极是每个器件的电气隔离控制端。MOSFET 的另外两端是源极和漏极,而对于 IGBT,它们被称为集电极和发射极。为了操作 MOSFET/IGBT,通常须将一个电压施加于栅极。


IGBT 和功率 MOSFET 的结构使得栅极形成一个非线性电容。给栅极电容充电会使功率器件导通,并允许电流在其漏极和源极引脚之间流动,而放电则会使器件关断,漏极和源极引脚上就可以阻断大电压。当栅极电容充电且器件刚好可以导通时的最小电压就是阈值电压(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分大于 VTH 的电压。

 

用反相逻辑驱动功率 MOSFET


通过栅极驱动器提供适当栅极电压
提供适当栅极电压的问题通过栅极驱动器来解决,栅极驱动器执行电平转换任务。不过,栅极电容无法瞬间改变其电压。因此,功率 FET 或 IGBT 具有非零的有限切换间隔时间。在切换期间,器件可能处于高电流和高电压状态,这会产生功耗并转化为热量。因此,从一个状态到另一个状态的转换需要很快,以尽可能缩短切换时间。为了实现这一点,需要高瞬变电流来使栅极电容快速充电和放电。


能够在更长时间内提供 / 吸收更高栅极电流的驱动器,切换时间会更短,因而其驱动的晶体管内的开关功耗也更低。


微控制器 I/O 引脚的拉电流和灌电流额定值通常可达数十毫安,而栅极驱动器可以提供高得多的电流。当功率 MOSFET 由微控制器 I/O 引脚以最大额定拉电流驱动时,观察到切换时间间隔较长。采用例如 ADI 公司的 ADuM4121 隔离式栅极驱动器时,转换时间大大缩短。当驱动同一功率 MOSFET 时,该驱动器相比微控制器 I/O 引脚能够提供高得多的驱动电流。


此外,很多情况下由于数字电路可能会透支电流,直接用微控制器驱动较大功率 MOSFET/IGBT 可能会使控制器过热进而受损。栅极驱动器具有更高驱动能力,支持快速切换,上升和下降时间只有几纳秒。这可以减少开关功率损耗,提高系统效率。因此,驱动电流通常被认为是选择栅极驱动器的重要指标。


光耦合隔离与数字隔离,隔离栅极驱动器如何选?
对于采用栅极驱动器的系统,隔离对功能的执行可能是必要的,并且也可能是安全要求的。特别是如果控制侧涉及到人的活动,那么高功率侧和低电压控制电路之间需要电流隔离。它能防范高压侧的任何故障,因为尽管有元件损坏或失效,隔离栅仍会阻止电力到达用户。隔离是指系统中各种功能电路之间的电气分离,使得它们之间不存在直接导通路径。这样,不同电路可以拥有不同的地电位。利用电感、电容或光学方法,仍可让信号和 / 或电源在隔离电路之间通过。


设计中工程师选择隔离栅驱动器可以有多种方案可选,例如光耦合器栅极驱动器解决方案、高压栅极驱动器解决方案,以及基于 iCoupler 技术的隔离式栅极驱动器。

 

双光耦合器半桥栅极驱动器


传统应用中光耦合器栅极驱动器和高压栅极驱动器是工程师熟悉和常用的选择,但有经验的工程师也非常了解两者的特性和不足。对光耦合器栅极驱动器而言,光耦合器的一些缺点是关键短板:光耦合器的响应速度受到原边发光二极管(LED)电容的限制,而且将输出驱动至高达 1 MHz 的速度也会受到其传播延迟(500 ns~350ns)以及较慢的上升和下降时间(最大值为 100 ns)的限制。要使光耦合器接近最高速度,需要将 LED 电流增加至 10 mA 以上,这会消耗更多功率,缩短光耦合器的寿命并降低其可靠性,尤其是在太阳能逆变器和电源应用中常见的高温环境下(而且大部分额定工作温度为最高 85°C)。


此外,栅极驱动器电路往往置于与光耦合器相同的封装中,因而一般需要两个独立的光耦合器栅极驱动器 IC 来构成完整的隔离式半桥,结果使解决方案的物理尺寸变大。另需注意的是,两个光耦合器即使封装在一起,也是是独立制造的,从而限制了匹配两个通道的能力。这种失配会增加关闭一个通道与打开另一个通道之间的停滞时间,从而导致效率下降。

 

高压半桥栅极驱动器


对于高压栅极驱动器 IC 这种电路的一个潜在不足,就是单隔离输入通道依赖高压驱动器电路来实现所需要的通道间时序匹配和停滞时间。另一问题是,高压栅极驱动器并无电流隔离,而是依赖 IC 的结隔离来分离高端驱动电压和低端驱动电压。在低端开关事件中,电路中的寄生电感可能导致输出电压 VS 降至地电压以下。发生这种情况时,高端驱动器可能发生闩锁,并永久性损坏。


隔离式栅极驱动器具有电气隔离和较强的栅极驱动能力,很多系统架构的安全性和鲁棒性都需要这些性能。而传统的光耦合栅极驱动器上述局限性促使人们寻找其它替代方案,基于 AD 数字隔离技术 iCoupler 的隔离式栅极驱动器产品系列提供 50 ns 最大传播延迟、小于 5 ns 通道间匹配、400 V rms 工作电压下的 50 年工作寿命和单封装电气隔离优势,获得需要高性能隔离的栅极驱动器电路青睐,特别是在 AC/DC 转换器、DC/DC 转换器、反相器、电机控制中,实现更快的开关速度并满足更高的功率密度和更佳的效率要求。此外,标准的 CMOS 工艺支持低成本、高可靠性,平衡的推挽输出级还能进一步简化栅极驱动,输出间真正的电气隔离将高端和低端分隔,使交叉导通电位降至最低。

 

电机驱动电路中常用的半桥拓扑结构(采用 ADuM4121 隔离式栅极驱动器)


结语
对于隔离式半桥栅极驱动器应用,事实表明相对于基于光耦合器和脉冲变压器的设计,集成变压器的数字隔离器具有众多优势。通过集成大幅降低了尺寸和设计复杂性,从而极大地提高了时序特性。输出驱动器采用的电流隔离技术则改进了鲁棒性,变压器耦合技术则显著提高了模瞬变抗扰度 (CMTI)。