詳盡介紹隔離式柵極驅動(dòng)器特性

IGBT/功率MOSFET是一種電壓控制型器件，可用作電源電路、電機驅動(dòng)器和其它系統中的開(kāi)關(guān)元件。柵極是每個(gè)器件的電氣隔離控制端。MOSFET的另外兩端是源極和漏極，而對于IGBT，它們被稱(chēng)為集電極和發(fā)射極。為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極（相對于器件的源極/發(fā)射極而言）。使用專(zhuān)門(mén)驅動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅動(dòng)電流。本文討論柵極驅動(dòng)器是什么，為何需要柵極驅動(dòng)器，以及如何定義其基本參數，如時(shí)序、驅動(dòng)強度和隔離度。

需要柵極驅動(dòng)器

IGBT/功率MOSFET的結構使得柵極形成一個(gè)非線(xiàn)性電容。給柵極電容充電會(huì )使功率器件導通，并允許電流在其漏極和源極引腳之間流動(dòng)，而放電則會(huì )使器件關(guān)斷，漏極和源極引腳上就可以阻斷大電壓。當柵極電容充電且器件剛好可以導通時(shí)的最小電壓就是閾值電壓(VTH)。為將IGBT/功率MOSFET用作開(kāi)關(guān)，應在柵極和源極/發(fā)射極引腳之間施加一個(gè)充分大于VTH 的電壓。

考慮一個(gè)具有微控制器的數字邏輯系統，其I/O引腳之一上可以輸出一個(gè)0 V至5 V的PWM信號。這種PWM將不足以使電源系統中使用的功率器件完全導通，因為其過(guò)驅電壓一般超過(guò)標準CMOS/TTL邏輯電壓。因此，邏輯/控制電路和高功率器件之間需要一個(gè)接口。這可以通過(guò)驅動(dòng)一個(gè)邏輯電平n溝道MOSFET，其進(jìn)而驅動(dòng)一個(gè)功率MOSFET來(lái)實(shí)現，如圖1a所示。

圖1.用反相邏輯驅動(dòng)功率MOSFET。

如圖1a所示，當IO1發(fā)出一個(gè)低電平信號時(shí)，VGSQ1 < VTHQ1 ，因此MOSFET Q1保持關(guān)斷。結果，一個(gè)正電壓施加于功率MOSFET Q2的柵極。Q2的柵極電容(CGQ2)通過(guò)上拉電阻R1充電，柵極電壓被拉至VDD的軌電壓。 如果VDD > VTHQ2，則Q2 導通，可以傳導電流。當IO1輸出高電平時(shí)，Q1 導通，CGQ2通過(guò)Q1放電。VDSQ1 ~ 0 V，使得VGSQ2 < VTHQ2，因此Q2關(guān)斷。這種設置的一個(gè)問(wèn)題是Q1導通狀態(tài)下R1的功耗。為了解決此問(wèn)題，pMOSFET Q3可以作為上拉器件，其以與Q1互補的方式工作，如圖1b所示。PMOS具有較低導通電阻和非常高的關(guān)斷電阻，驅動(dòng)電路中的功耗大大降低。為在柵極轉換期間控制邊沿速率，Q1 的漏極和Q2的柵極之間外加一個(gè)小電阻。使用MOSFET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其易于在裸片上制作，而制作電阻則相對較難。這種驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)柵極的獨特接口可以單片IC的形式創(chuàng )建，該IC接受邏輯電平電壓并產(chǎn)生更高的功率輸出。此柵極驅動(dòng)器IC幾乎總是會(huì )有其他內部電路來(lái)實(shí)現更多功能，但它主要用作功率放大器和電平轉換器。

柵極驅動(dòng)器的關(guān)鍵參數

驅動(dòng)強度：

提供適當柵極電壓的問(wèn)題通過(guò)柵極驅動(dòng)器來(lái)解決，柵極驅動(dòng)器執行電平轉換任務(wù)。不過(guò)，柵極電容無(wú)法瞬間改變其電壓。因此，功率FET或IGBT具有非零的有限切換間隔時(shí)間。在切換期間，器件可能處于高電流和高電壓狀態(tài)，這會(huì )產(chǎn)生功耗并轉化為熱量。因此，從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉換需要很快，以盡可能縮短切換時(shí)間。為了實(shí)現這一點(diǎn)，需要高瞬變電流來(lái)使柵極電容快速充電和放電。

圖2.無(wú)柵極驅動(dòng)器的MOSFET導通轉換

能夠在更長(cháng)時(shí)間內提供/吸收更高柵極電流的驅動(dòng)器，切換時(shí)間會(huì )更短，因而其驅動(dòng)的晶體管內的開(kāi)關(guān)功耗也更低。

圖3.有柵極驅動(dòng)器的MOSFET導通轉換

微控制器I/O引腳的拉電流和灌電流額定值通?？蛇_數十毫安，而柵極驅動(dòng)器可以提供高得多的電流。圖2中，當功率MOSFET由微控制器I/O引腳以最大額定拉電流驅動(dòng)時(shí)，觀(guān)察到切換時(shí)間間隔較長(cháng)。如圖3所示，采用ADuM4121隔離式柵極驅動(dòng)器時(shí)，轉換時(shí)間大大縮短；當驅動(dòng)同一功率MOSFET時(shí)，該驅動(dòng)器相比微控制器I/O引腳能夠提供高得多的驅動(dòng)電流。很多情況下，由于數字電路可能會(huì )透支電流，直接用微控制器驅動(dòng)較大功率MOSFET/IGBT可能會(huì )使控制器過(guò)熱，進(jìn)而受損。柵極驅動(dòng)器具有更高驅動(dòng)能力，支持快速切換，上升和下降時(shí)間只有幾納秒。這可以減少開(kāi)關(guān)功率損耗，提高系統效率。因此，驅動(dòng)電流通常被認為是選擇柵極驅動(dòng)器的重要指標。

與驅動(dòng)電流額定值相對應的是柵極驅動(dòng)器的漏源導通電阻(RDS(ON))。理想情況下，MOSFET完全導通時(shí)的RDS(ON)值應為零，但由于其物理結構，該阻值一般在幾歐姆范圍內。這考慮了從漏極到源極的電流路徑中的總串聯(lián)電阻。

RDS(ON)是柵極驅動(dòng)器最大驅動(dòng)強度額定值的真正基礎，因為它限制了驅動(dòng)器可以提供的柵極電流。內部開(kāi)關(guān)的RDS(ON) 決定灌電流和拉電流，但外部串聯(lián)電阻用于降低驅動(dòng)電流，因此會(huì )影響邊沿速率。如圖4所示，高端導通電阻和外部串聯(lián)電阻EXT 構成充電路徑中的柵極電阻，低端導通電阻和 REXT 構成放電路徑中的柵極電阻。

圖4.具有MOSFET輸出級和功率器件作為電容的柵極驅動(dòng)器的RC電路模型

RDS(ON) 也會(huì )直接影響驅動(dòng)器內部的功耗。對于特定驅動(dòng)電流，RDS(ON)值越低，則可以使用的REXT值越高。功耗分布在REXT和RDS(ON)上，因此REXT值越高，意味著(zhù)驅動(dòng)器外部的功耗越多。所以，對于給定芯片面積和尺寸的IC，為了提高系統效率并放寬驅動(dòng)器內的熱調節要求，RDS(ON) 值越低越好。

圖5.ADuM4120柵極驅動(dòng)器和時(shí)序波形

時(shí)序：

柵極驅動(dòng)器時(shí)序參數對評估其性能至關(guān)重要。包括ADuM4120在內的所有柵極驅動(dòng)器的一個(gè)常見(jiàn)時(shí)序規格（如圖5所示）是驅動(dòng)器的傳播延遲(tD) ，其定義為輸入邊沿傳播到輸出所需的時(shí)間。如圖5所示，上升傳播延遲(tDHL)可以定義為輸入邊沿升至輸入高閾值(VIH)以上到輸出升至最終值10%以上的時(shí)間。類(lèi)似地，下降傳播延遲(tDHL)可以表述為從輸入邊沿降至輸入低閾值VIL以下到輸出降至其高電平90%以下的時(shí)間。輸出轉換的傳播延遲對于上升沿和下降沿可能不同。

圖5還顯示了信號的上升和下降時(shí)間。這些邊沿速率受到器件可提供的驅動(dòng)電流的影響，但它們也取決于所驅動(dòng)的負載，這在傳播延遲計算中并未考慮。另一個(gè)時(shí)序參數是脈寬失真，其為同一器件的上升和下降傳播延遲之差。因此，脈寬失真(PWD) = |tDLH – tDHL|。

由于不同器件內的晶體管不匹配，兩個(gè)器件的傳播延遲不會(huì )完全相同。這會(huì )導致傳播延遲偏斜(tSKEW)，其定義為兩個(gè)不同器件在相同工作條件下對同一輸入作出響應時(shí)，輸出轉換之間的時(shí)間差。如圖5所示，傳播延遲偏斜被定義為器件間偏差。對于具有多個(gè)輸出通道的器件，此規格的表述方式相同，但被稱(chēng)為通道間偏斜。傳播延遲偏斜通常不能在控制電路中予以補償。

圖6顯示了ADuM4121柵極驅動(dòng)器的典型設置，其結合功率MOSFET使用，采用半橋配置，適合電源和電機驅動(dòng)應用。在這種設置中，如果Q1 和 Q2同時(shí)導通，有可能因為電源和接地引腳短路而發(fā)生直通。這可能會(huì )永久損壞開(kāi)關(guān)甚至驅動(dòng)電路。為避免直通，必須在系統中插入一個(gè)死區時(shí)間，從而大大降低兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導通的可能性。在死區時(shí)間間隔內，兩個(gè)開(kāi)關(guān)的柵極信號為低電平，因此理想情況下，開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。如果傳播延遲偏斜較低，則所需的死區時(shí)間較短，控制變得更加可預測。偏斜越低且死區時(shí)間越短，系統運行會(huì )更平穩、更高效。

時(shí)序特性很重要，因為它們會(huì )影響功率開(kāi)關(guān)的操作速度。理解這些參數可以使控制電路設計更加簡(jiǎn)單和準確。

隔離：

隔離是指系統中各種功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導通路徑。這樣，不同電路可以擁有不同的地電位。利用電感、電容或光學(xué)方法，仍可讓信號和/或電源在隔離電路之間通過(guò)。對于采用柵極驅動(dòng)器的系統，隔離對功能的執行可能是必要的，并且也可能是安全要求。圖6中，VBUS可能有幾百伏，在給定時(shí)間可能有數十安培的電流通過(guò)Q1 或 Q2。萬(wàn)一此系統出現故障時(shí)，如果損壞僅限于電子元件，則安全隔離可能是不必要的，但如果控制側涉及到人的活動(dòng)，那么高功率側和低電壓控制電路之間需要電流隔離。它能防范高壓側的任何故障，因為盡管有元件損壞或失效，隔離柵仍會(huì )阻止電力到達用戶(hù)。

圖6.采用ADuM4121隔離式柵極驅動(dòng)器的半橋設置中的隔離柵

為防止觸電危險，隔離是監管機構和安全認證機構的強制要求。它還能保護低壓電子器件免受高功率側故障引起的任何損害的影響。有多種方法可以描述安全隔離，但在基本層面上，它們都與隔離柵的擊穿電壓有關(guān)。此電壓額定值一般針對驅動(dòng)器的使用壽命以及特定期間和情況的電壓瞬變而給出。這些電壓電平還與驅動(dòng)器IC的物理尺寸以及隔離柵上引腳之間的最小距離有關(guān)。

除安全原因外，隔離對于系統正常運行也可能是必不可少的。圖6顯示了電機驅動(dòng)電路中常用的半橋拓撲結構，給定時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導通。在高功率側，低端晶體管Q2 的源極接地。Q2 的柵源電壓(VGSQ2)因此直接以地為基準，驅動(dòng)電路的設計相對簡(jiǎn)單。高端晶體管Q1的情況則不同，因為其源極是開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，取決于哪個(gè)開(kāi)關(guān)導通，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)將被拉至總線(xiàn)電壓或地。要使Q1導通，應施加一個(gè)超過(guò)其閾值電壓的正柵源電壓(VGSQ1)。因此，當源極連接到VBUS ，Q1處于導通狀態(tài)時(shí)，其柵極電壓將高于VBUS 。如果驅動(dòng)電路沒(méi)有用于接地參考的隔離，則將需要大于VBUS 的電壓來(lái)驅動(dòng)Q1。這是一個(gè)繁瑣的解決方案，對于高效系統來(lái)說(shuō)并不實(shí)用。因此，人們需要經(jīng)過(guò)電平轉換并以高端晶體管源極為基準的控制信號。這被稱(chēng)為功能隔離，可以利用隔離式柵極驅動(dòng)器（如ADuM4223）來(lái)實(shí)現。

抗擾度：

柵極驅動(dòng)器用在有大量噪聲源的工業(yè)環(huán)境中。噪聲會(huì )破壞數據，使系統不可靠，導致性能下降。因此，柵極驅動(dòng)器必須具有良好的抗噪聲能力，以確保數據的完整性?？箶_度與驅動(dòng)器抑制電磁干擾(EMI)或RF噪聲及共模瞬變的程度有關(guān)。

EMI是指任何破壞電子器件預期操作的電氣噪聲或磁干擾。EMI（其會(huì )影響柵極驅動(dòng)器）是高頻開(kāi)關(guān)電路的結果，主要由大型工業(yè)電機的磁場(chǎng)造成。EMI可以輻射或傳導，并且可能耦合到附近的其他電路中。因此，EMI或RF抗擾度是衡量柵極驅動(dòng)器抑制電磁干擾并保持穩健運行而無(wú)差錯的能力的指標。若具有高抗擾度，驅動(dòng)器便可在大型電機附近使用，而不會(huì )引起數據傳輸故障。

如圖6所示，隔離柵預期可在不同電位的接地點(diǎn)提供高電壓隔離。但是，高頻切換導致次級端電壓轉換的邊沿較短。由于隔離邊界之間的寄生電容，這些快速瞬變而從一側耦合到另一側，這可能導致數據損壞。其表現可能是在柵極驅動(dòng)信號中引入抖動(dòng)，或者將信號完全反轉，導致效率低下，甚至在某些情況下發(fā)生直通。因此，柵極驅動(dòng)器的一個(gè)決定性指標是共模瞬變抗擾度(CMTI)，其定量描述隔離式柵極驅動(dòng)器抑制輸入和輸出間大共模瞬變的能力。如果系統中的壓擺率很高，則驅動(dòng)器需要有很高的抗擾度。因此，當在高頻和大總線(xiàn)電壓下工作時(shí)，CMTI數值特別重要。

結語(yǔ)

本文旨在簡(jiǎn)單介紹柵極驅動(dòng)器，因此，到目前為止討論的參數并未全面詳盡地反映隔離式柵極驅動(dòng)器特性。驅動(dòng)器還有其他指標，如電源電壓、容許溫度、引腳排列等，這些是每個(gè)電子器件的共同考慮因素。一些驅動(dòng)器，如ADuM4135和ADuM4136，也包含保護功能或先進(jìn)的檢測或控制機制。市場(chǎng)上的隔離式柵極驅動(dòng)器種類(lèi)眾多，系統設計人員必須了解所有這些規格和特性，以便在相關(guān)應用中就使用適當的驅動(dòng)器作出明智的決定。