【揭秘】隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器
發(fā)布時(shí)間:2018-07-24 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】IGBT/功率MOSFET是一種電壓控制型器件,可用作電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和其它系統(tǒng)中的開關(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(duì)于IGBT,它們被稱為集電極和發(fā)射極。
IGBT/功率MOSFET是一種電壓控制型器件,可用作電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和其它系統(tǒng)中的開關(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(duì)于IGBT,它們被稱為集電極和發(fā)射極。為了操作MOSFET/IGBT,通常須將一個(gè)電壓施加于柵極(參考器件的源極/發(fā)射極)。專用驅(qū)動(dòng)器被用來向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動(dòng)電流。本文討論柵極驅(qū)動(dòng)器是什么,為何需要柵極驅(qū)動(dòng)器,以及如何定義其基本參數(shù),如時(shí)序、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和隔離度。
需要柵極驅(qū)動(dòng)器
IGBT/功率MOSFET的結(jié)構(gòu)使得柵極和源極/發(fā)射極之間形成一個(gè)非線性電容。給柵極電容充電會(huì)使功率器件導(dǎo)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(dāng)柵極電容充電且器件剛好可以導(dǎo)通時(shí)的最小電壓就是閾值電壓(VTH)。為將IGBT/功率MOSFET用作開關(guān),應(yīng)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(shù)字邏輯系統(tǒng),其I/O引腳之一上可以輸出一個(gè)0 V至5 V的PWM信號(hào)。這種PWM將不足以使電源系統(tǒng)中使用的功率器件完全導(dǎo)通,因?yàn)楣β势骷尿?qū)動(dòng)電壓一般超過標(biāo)準(zhǔn)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。這可以通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)邏輯電平n溝道MOSFET,其進(jìn)而驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率MOSFET來實(shí)現(xiàn),如圖1a所示。
圖1. 用反相邏輯驅(qū)動(dòng)功率MOSFET
如圖1a所示,當(dāng)IO1發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)時(shí),VGSQ1
如果VDD > VTHQ2,則Q2導(dǎo)通,可以傳導(dǎo)電流。當(dāng)IO1輸出高電平時(shí),Q1導(dǎo)通,CGQ2通過Q1放電。VDSQ1 ~ 0 V,使得VGSQ2
這種設(shè)置的一個(gè)問題是Q1導(dǎo)通狀態(tài)下R1的功耗。為了解決此問題,pMOSFET Q3可以作為上拉器件,其以與Q1互補(bǔ)的方式工作,如圖1b所示。PMOS具有較低導(dǎo)通電阻和非常高的關(guān)斷電阻,驅(qū)動(dòng)電路中的功耗大大降低。為在柵極轉(zhuǎn)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(duì)較難。這種驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)柵極的獨(dú)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(qū)動(dòng)器IC幾乎總是會(huì)有其他內(nèi)部電路來實(shí)現(xiàn)更多功能,但它主要用作功率放大器和電平轉(zhuǎn)換器。
柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵參數(shù)
驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度:提供適當(dāng)柵極電壓的問題通過柵極驅(qū)動(dòng)器來解決,柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換任務(wù)。不過,柵極電容無法瞬間改變其電壓。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(zhuǎn)化為熱量。因此,從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要很快,以盡可能縮短切換時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),需要高瞬變電流來使柵極電容快速充電和放電。
圖2. 無柵極驅(qū)動(dòng)器的MOSFET導(dǎo)通轉(zhuǎn)換
能夠在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供/吸收更高柵極電流的驅(qū)動(dòng)器,切換時(shí)間會(huì)更短,因而其驅(qū)動(dòng)的晶體管內(nèi)的開關(guān)功耗也更低。
圖3. 有柵極驅(qū)動(dòng)器的MOSFET導(dǎo)通轉(zhuǎn)換
微控制器I/O引腳的拉電流和灌電流額定值通??蛇_(dá)數(shù)十毫安,而柵極驅(qū)動(dòng)器可以提供高得多的電流。圖2中,當(dāng)功率MOSFET由微控制器I/O引腳以最大額定拉電流驅(qū)動(dòng)時(shí),觀察到切換時(shí)間間隔較長(zhǎng)。如圖3所示,采用ADuM4121隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí),轉(zhuǎn)換時(shí)間大大縮短;當(dāng)驅(qū)動(dòng)同一功率MOSFET時(shí),該驅(qū)動(dòng)器相比微控制器I/O引腳能夠提供高得多的驅(qū)動(dòng)電流。很多情況下,由于數(shù)字電路可能會(huì)透支電流,直接用微控制器驅(qū)動(dòng)較大功率MOSFET/IGBT可能會(huì)使控制器過熱,進(jìn)而受損。柵極驅(qū)動(dòng)器具有更高驅(qū)動(dòng)能力,支持快速切換,上升和下降時(shí)間只有幾納秒。這可以減少開關(guān)功率損耗,提高系統(tǒng)效率。因此,驅(qū)動(dòng)電流通常被認(rèn)為是選擇柵極驅(qū)動(dòng)器的重要指標(biāo)。
與驅(qū)動(dòng)電流額定值相對(duì)應(yīng)的是柵極驅(qū)動(dòng)器的漏源導(dǎo)通電阻(RDS(ON))。理想情況下,MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)的RDS(ON)值應(yīng)為零,但由于其物理結(jié)構(gòu),該阻值一般在幾歐姆范圍內(nèi)。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(qū)動(dòng)器最大驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度額定值的真正基礎(chǔ),因?yàn)樗拗屏蓑?qū)動(dòng)器可以提供的柵極電流。內(nèi)部開關(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(qū)動(dòng)電流,因此會(huì)影響邊沿速
率。如圖4所示,高端導(dǎo)通電阻和外部串聯(lián)電阻REXT構(gòu)成充電路徑中的柵極電阻,低端導(dǎo)通電阻和REXT構(gòu)成放電路徑中的柵極電阻。
圖4. 具有MOSFET輸出級(jí)和功率器件作為電容的柵極驅(qū)動(dòng)器的RC電路模型
RDS(ON)也會(huì)直接影響驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的功耗。對(duì)于特定驅(qū)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,意味著驅(qū)動(dòng)器外部的功耗越多。所以,對(duì)于給定芯片面積和尺寸的IC,為了提高系統(tǒng)效率并放寬驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的熱調(diào)節(jié)要求,RDS(ON)值越低越好。
圖5. ADuM4120柵極驅(qū)動(dòng)器和時(shí)序波形
時(shí)序:
柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)序參數(shù)對(duì)評(píng)估其性能至關(guān)重要。包括ADuM4120在內(nèi)的所有柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)常見時(shí)序規(guī)格(如圖5所示)是驅(qū)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(tDLH)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(zhuǎn)換的傳播延遲對(duì)于上升沿和下降沿可能不同。
圖5還顯示了信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這些邊沿速率受到器件可提供的驅(qū)動(dòng)電流的影響,但它們也取決于所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載,這在傳播延遲計(jì)算中并未考慮。另一個(gè)時(shí)序參數(shù)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(nèi)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(dǎo)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(duì)同一輸入作出響應(yīng)時(shí),輸出轉(zhuǎn)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(duì)于具有多個(gè)輸出通道的器件,此規(guī)格的表述方式相同,但被稱為通道間偏斜。傳播延遲偏斜通常不能在控制電路中予以補(bǔ)償。
圖6顯示了ADuM4121柵極驅(qū)動(dòng)器的典型設(shè)置,其結(jié)合功率MOSFET使用,采用半橋配置,適合電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。在這種設(shè)置中,如果Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通,有可能因?yàn)殡娫春徒拥匾_短路而發(fā)生直通。這可能會(huì)永久損壞開關(guān)甚至驅(qū)動(dòng)電路。為避免直通,必須在系統(tǒng)中插入一個(gè)死區(qū)時(shí)間,從而大大降低兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的可能性。在死區(qū)時(shí)間間隔內(nèi),兩個(gè)開關(guān)的柵極信號(hào)為低電平,因此理想情況下,開關(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(qū)時(shí)間較短,控制變得更加可預(yù)測(cè)。偏斜越低且死區(qū)時(shí)間越短,系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)更平穩(wěn)、更高效。時(shí)序特性很重要,因?yàn)樗鼈儠?huì)影響功率開關(guān)的操作速度。理解這些參數(shù)可以使控制電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確。
隔離:
隔離是指系統(tǒng)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(dǎo)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(hào)和/或電源在隔離電路之間通過。對(duì)于采用柵極驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng),隔離對(duì)功能的執(zhí)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(shù)十安培的電流通過Q1或Q2。萬一此系統(tǒng)出現(xiàn)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(cè)涉及到人的活動(dòng),那么高功率側(cè)和低電壓控制電路之間需要電流隔離。它能防范高壓側(cè)的任何故障,因?yàn)楸M管有元件損壞或失效,隔離柵仍會(huì)阻止電力到達(dá)用戶。
為防止觸電危險(xiǎn),隔離是監(jiān)管機(jī)構(gòu)和安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制要求。
它還能保護(hù)低壓電子器件免受高功率側(cè)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(duì)驅(qū)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(qū)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(duì)于系統(tǒng)正常運(yùn)行也可能是必不可少的。圖6顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中常用的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),給定時(shí)間只有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。在高功率側(cè),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(zhǔn),驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。高端晶體管Q1的情況則不同,因?yàn)槠湓礃O是開關(guān)節(jié)點(diǎn),取決于哪個(gè)開關(guān)導(dǎo)通,開關(guān)節(jié)點(diǎn)將被拉至總線電壓或地。要使Q1導(dǎo)通,應(yīng)施加一個(gè)超過其閾值電壓的正柵源電壓(VGSQ1)。因此,當(dāng)源極連接到VBUS,Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),其柵極電壓將高于VBUS。如果驅(qū)動(dòng)電路沒有用于接地參考的隔離,則將需要大于VBUS的電壓來驅(qū)動(dòng)Q1。這是一個(gè)繁瑣的解決方案,對(duì)于高效系統(tǒng)來說并不實(shí)用。因此,人們需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換并以高端晶體管源極為基準(zhǔn)的控制信號(hào)。這被稱為功能隔離,可以利用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器(如ADuM4223)來實(shí)現(xiàn)。
抗擾度:
柵極驅(qū)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(shù)據(jù),使系統(tǒng)不可靠,導(dǎo)致性能下降。因此,柵極驅(qū)動(dòng)器必須具有良好的抗噪聲能力,以確保數(shù)據(jù)的完整性??箶_度與驅(qū)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)。
圖6. 采用ADuM4121隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的半橋設(shè)置中的隔離柵
EMI是指任何破壞電子器件預(yù)期操作的電氣噪聲或磁干擾。EMI(其會(huì)影響柵極驅(qū)動(dòng)器)是高頻開關(guān)電路的結(jié)果,主要由大型工業(yè)電機(jī)的磁場(chǎng)造成。EMI可以輻射或傳導(dǎo),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(qū)動(dòng)器抑制電磁干擾并保持穩(wěn)健運(yùn)行而無差錯(cuò)的能力的指標(biāo)。若具有高抗擾度,驅(qū)動(dòng)器便可在大型電機(jī)附近使用,而不會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸故障。如圖6所示,隔離柵預(yù)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(dǎo)致次級(jí)端電壓轉(zhuǎn)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(cè)耦合到另一側(cè),這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。其表現(xiàn)可能是在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)中引入抖動(dòng),或者將信號(hào)完全反轉(zhuǎn),導(dǎo)致效率低下,甚至在某些情況下發(fā)生直通。因此,柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)決定性指標(biāo)是共模瞬變抗擾度(CMTI),其定量描述隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器抑制輸入和輸出間大共模瞬變的能力。如果系統(tǒng)中的壓擺率很高,則驅(qū)動(dòng)器需要有很高的抗擾度。因此,當(dāng)在高頻和大總線電壓下工作時(shí),CMTI數(shù)值特別重要。
結(jié)語
本文旨在簡(jiǎn)單介紹柵極驅(qū)動(dòng)器,因此,到目前為止討論的參數(shù)并未全面詳盡地反映隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器特性。驅(qū)動(dòng)器還有其他指標(biāo),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(qū)動(dòng)器,如ADuM4135和ADuM4136,也包含保護(hù)功能或先進(jìn)的檢測(cè)或控制機(jī)制。市場(chǎng)上的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器種類眾多,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須了解所有這些規(guī)格和特性,以便在相關(guān)應(yīng)用中就使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器作出明智的決定。
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