【应用】基于CMOS的隔离栅极驱动器，显著改善功率传输系统设计

随着新兴的绿色标准要求设计人员以更小的规格提供更节能，更具成本效益和更可靠的电力传输系统，对于更大功率和隔离设备集成的需求变得越来越重要。 交流 - 直流和隔离式直流 - 直流电源中的关键模块是隔离栅极驱动器。 多年来，基于光耦合器的解决方案和栅极驱动变压器一直是开关电源（SMPS）系统的主流，而基于RF技术并在主流CMOS中实现的全集成隔离栅极驱动器产品提供了更可靠和更强大的有效解决方案。

图1：基于全桥拓扑的交流 / 直流转换器

独立电源转换器的分析
隔离式电源转换器需要功率级别和信号隔离，以符合安全标准。图1显示了500 W至5 kW电源系统的典型交流-直流转换器的示例，如用于中心局电信整流器电源的系统。从高层次的角度来看，这个两级系统有一个功率因数校正电路（PFC），它使得电力系统交流线路电流消耗为正弦曲线并与交流线路电压同相;因此，对于更高的输入功率效率，它看起来像是一个纯阻性负载。
图1中的高侧开关驱动器输入以初级侧接地为参考，其输出以高侧MOSFET源极引脚为参考。在高端驱动期间，高端驱动器必须能够承受源极引脚上存在的400 V直流共模电压，传统上需要高压驱动器（HVIC）。相应的低端驱动器采用低压电源（例如18 V）工作，并以初级侧接地为参考。桥接器的低侧支路中的两个交流电流传感器监控每个支路中的电流，以便在使用电压模式控制时促进磁通平衡。

提供图1所示的隔离屏障，以确保初级和次级接地之间没有电流流动;因此，必须隔离同步MOSFET Q5和Q6的驱动器。出于同样的原因，也必须隔离次级侧反馈路径。

门驱动解决方案
虽然光耦合器通常用于反馈隔离，但它们不足以用于同步MOSFET栅极驱动隔离电路。 虽然可以使用更快的光耦合器，但它们往往价格昂贵并且具有与光耦合器相同的典型性能和可靠性问题，包括温度和器件寿命不稳定的工作特性以及具有高内部耦合电容的单端架构导致的边缘CMTI。 此外，光耦合器中常见的基于砷化镓的工艺技术会产生固有的磨损机制（“光输出”或LOP），导致LED随着时间的推移而失去亮度。

鉴于上述考虑，栅极驱动变压器已成为提供隔离栅极驱动的更好方法。 栅极驱动变压器是微型环形变压器，由于它们的延迟时间较短，因此优于光耦合器。 虽然比光耦合器更快，但栅极驱动变压器不能传播直流电平或低频交流信号; 它们只能通过隔离边界的有限电压 - 时间乘积，从而限制导通时间（tON）和占空比范围。 这些变压器也必须在每个ON周期后复位，以防止磁芯饱和，从而需要外部电路。 最后，基于变压器的设计效率低，具有高EMI并占用过多的电路板空间。

最佳隔离栅极驱动解决方案
幸运的是，现在可以使用更好的栅极驱动变压器和光耦合器替代品。 基于CMOS的RF隔离技术的进步使隔离栅极驱动解决方案成为可能，其具有出色的性能，功效，集成和可靠性。 这些高度集成的CMOS器件可以很好地取代SMPS应用中的光耦合器和栅极驱动变压器。

隔离栅极驱动器，例如SILICON LABS的ISO驱动器系列，将基于RF的隔离技术与栅极驱动器电路相结合，为MOSFET和IGBT应用提供集成的低延迟隔离驱动器解决方案。

ISO驱动器产品有三种基本配置（见图2）：高侧和低侧隔离驱动器，每个输出或单个PWM输入具有单独的控制输入，以及双隔离驱动器。每个ISO驱动器器件均提供0.5 A和4.0 A峰值输出电流，可提供1 kV，2.5 kV和5 kV隔离额定值。高侧/低侧版本具有内置重叠保护和可调死区时间发生器（双ISO驱动器版本不包含重叠保护或死区时间发生器）。因此，双ISO驱动器可用作双低侧，双高侧或高侧/低侧隔离驱动器。这些器件采用三芯片架构（见图3），使每个驱动通道与其他驱动通道以及输入侧隔离。这允许高侧和低侧通道的极性反转而不会发生闩锁或其他损坏。

图2：ISO驱动器系列

例如，高端驱动器（GNDA）可能搭载100 V的共模电压，而相邻的驱动器（GNDB）可能搭载200 V的共模电压。这两种共模电压可以反转（ 即GNDA = 200 V，GNDB = 100 V），不会损坏或扰乱驱动器。 此功能使ISO驱动器在具有快速变化的共模电压或输入为双极性电源的系统中非常有用。

图3：解封装的三模ISO驱动器

高侧/低侧驱动应用中的开关模式必须是“先断后合”，以避免两个MOSFET同时导通的效率损失（即“直通电流”）。 两个开关都关闭的开关转换之间的这段时间被称为“死区时间”（图4）。

图4：死区时间

虽然最佳死区时间可以提高系统效率，但过多的死区时间会降低效率。 如图4所示，当Q2导通时，Q2的功耗仅为0.5 W，而当Q2关闭时，当体二极管导通时，Q2的功耗增加到7 W. 因此，添加到电路定时的死区时间必须足够大以防止直通电流。 高侧/低侧ISO驱动器s具有集成死区时间发生器，可使用外部电阻在4 ns至950μs范围内调节，允许用户优化死区时间。

    正常死区时间特性                                                             重叠期间的死区时间特性
图5：ISO驱动器死区时间特性

ISO驱动器还包含重叠保护，在VIA和VIB同时变高的情况下，输出VOA和VOB无条件地变低，如图5所示。

双ISO驱动器
虽然死区时间优化可以将效率提高多达+ 4％，但通过并联MOSFET或通过将栅极驱动器增加到单个更大的MOSFET，可以实现额外的效率提升。 在任何一种情况下，双ISO驱动器都可用于提供额外的驱动能力。 与专用的高侧/低侧ISO驱动器不同，Si8232 / 5/6双ISO驱动器没有内置重叠保护或死区时间设置。

只要设备通电，每个驱动器输出的状态就无条件地跟随其输入的状态。 两个驱动器输出电路彼此隔离并与输入隔离，允许一个驱动器的共模电压相对于另一个驱动器的极性反转而不会损坏（即闩锁）或输出错误。 图6显示了共模电压反转，其中两个驱动器的极性反转而没有损坏或紊乱，这在具有双极性输入电源的系统中很有用。

图6：共模电压反转

在许多电力应用中，例如UPS系统和逆变器，开关必须并联设计，以使系统能够以高运行效率提供额定功率。 这些开关的组合电容负载需要更高的峰值电流驱动器或者在多个栅极驱动器IC上分配开关的不太理想的方法。 图7中的电路显示了每个Si8232 / 5/6输出并联驱动几个公共接地开关。 以这种方式连接时，双ISO驱动器可提供8 A的等效峰值驱动电流，而50 ns传播延迟时间可确保所有开关同时被驱动关闭和打开。

图7：增加峰值输出电流的并联输出

高压系统中的电源电路，例如成像系统和等离子平板，具有分离式接地系统，以将较高电压与较低电压隔离。 在许多情况下，本地电源调节器使用专用控制器为每个调节器构建。 在其他情况下，稳压器可以使用变压器耦合多输出设计（使用反激式或其他变压器耦合拓扑）。

图8：双隔离降压转换器

图8显示了使用Si8232 / 5/6双ISO驱动器的双输出隔离降压转换器。 单个双回路控制器与ISO驱动器一起使用，以产生两个降压输出电压。 ISO驱动器作为隔离的双高端驱动器工作，每个输出与相邻输出和初级侧隔离。 虽然该电路使用低成本的Shottkey续流二极管，但可以添加第二个双ISO驱动器来控制输出同步整流器，以实现更高的效率。

结论
基于CMOS的隔离栅极驱动技术，以Silicon Labs的ISO驱动器系列为例，与光耦合器和栅极驱动变压器等传统隔离技术相比，具有显着的性能，可靠性，集成度和每通道成本优势。 Si823x和Si822x ISO驱动器是单芯片隔离栅极驱动器，具有超快的50 ns传播延迟，可提高时序余量。它们还提供可编程死区时间控制，以实现更高的系统效率，在整个温度和时间内稳定运行，降低BOM成本和减小PCB占用空间。

ISO驱动器系列旨在提供业界领先的性能，高集成度和卓越价值，为各种电源传输系统提供最佳隔离栅极驱动解决方案。 ISO驱动器产品具有高达5 kV的隔离，非常适合需要较高的最大连续工作电压的安全关键应用。支持输出电源高达24 V和0.5或4.0 A峰值输出电流，能够有效驱动高性能隔离开关模式电源中的高功率MOSFET和IGBT器件。