柵極驅(qū)動(dòng)變壓器與高低側(cè)驅(qū)動(dòng)器：電源設(shè)計(jì)的方向是什么？

在典型的閉環(huán)電力電子系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動(dòng)器是控制系統(tǒng)（通常為 12V 等低壓）和主功率級(jí)（通常為 400V DC等高壓）之間的關(guān)鍵接口。柵極驅(qū)動(dòng)器的目的是以干凈、穩(wěn)健和及時(shí)的方式將輸入低壓控制脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換到功率晶體管（MOSFET、IGBT）。

在本文中，我將介紹兩種驅(qū)動(dòng)高壓晶體管的方法：柵極驅(qū)動(dòng)變壓器和高壓驅(qū)動(dòng) IC，并說(shuō)明每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

定義柵極驅(qū)動(dòng)器性能的關(guān)鍵規(guī)格是：

· 靜態(tài)特性：功能電壓（V CC/DD，自舉函數(shù)）、峰值源/灌電流和 UVLO。

· 動(dòng)態(tài)特性：傳播延遲、延遲匹配、脈寬失真、共模瞬態(tài)抗擾度 (dv/dt) 和上升/下降時(shí)間。

我們還需要考慮安全標(biāo)準(zhǔn)和合規(guī)性——保護(hù)操作人員免受高于 42.4V pk AC 或 60V DC的危險(xiǎn)電壓/電流的影響。例如，在手機(jī)充電器中，低壓直流輸出與通用交流輸入（85~265V AC）絕緣，在這種情況下，需要雙重或加強(qiáng)絕緣，以消除對(duì)接地金屬外殼和接地電源插頭的需求。表 1 顯示了 II 類過(guò)電壓高達(dá) 300V 的主電路中固體絕緣的測(cè)試電壓要求（IEC 61010-1 ed. 3.0）。

表 1：過(guò)電壓類別 II 主電路中固體絕緣的試驗(yàn)電壓

圖 1 是一個(gè)簡(jiǎn)化的電路圖，控制器位于次級(jí)側(cè)（次級(jí)側(cè)控制）。主功率級(jí)絕緣基于傳統(tǒng)的電源變壓器。我們可以使用兩種主要類型的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)傳輸柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并在次級(jí)側(cè)和初級(jí)側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器中的反饋控制之間進(jìn)行絕緣：

· 通過(guò)磁耦合實(shí)現(xiàn)絕緣的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器（見(jiàn)圖 2[a]）。

· 具有信號(hào)隔離器接口的高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器（參見(jiàn)圖 2[b]）。信號(hào)隔離器接口可以是光耦合器（光耦合）或數(shù)字隔離器（磁耦合或電容耦合）。

圖 1：具有次級(jí)側(cè)控制的簡(jiǎn)化電路圖

柵極驅(qū)動(dòng)變壓器可以提供邏輯柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和所需的柵極驅(qū)動(dòng)器所需的峰值電流/功率能力。

高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器使用信號(hào)隔離器接口來(lái)提供所需的絕緣，并使用柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 來(lái)提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)功率/電流能力。

圖 2：簡(jiǎn)化電路圖 (a) 柵極驅(qū)動(dòng)變壓器 (b) 高端和低端驅(qū)動(dòng)器 + 隔離器

表 2 列出了每個(gè)實(shí)施所需的關(guān)鍵組件。柵極驅(qū)動(dòng)變壓器使用UCC27324作為具有兩通道 I?pk =±4A 能力的低側(cè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)來(lái)自 Coilcraft 的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器和具有增強(qiáng)絕緣的 GA3550。高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器加隔離器使用ISO7520C雙通道數(shù)字隔離器提供增強(qiáng)型隔離，UCC27714作為高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，Vishay MURS360 作為自舉二極管。

UCC2732x 和 UCC3732x 系列高速雙 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器提供 4A 拉電流和 4A 灌峰值電流，可有效驅(qū)動(dòng)米勒高原地區(qū)最需要的 MOSFET。獨(dú)特的 BiPolar 和 MOSFET 混合輸出級(jí)并聯(lián)還允許在低電源電壓下進(jìn)行有效的電流源和吸收。提供三種標(biāo)準(zhǔn)邏輯選項(xiàng)——雙反相、雙同相驅(qū)動(dòng)器以及單反相和單同相驅(qū)動(dòng)器。輸入閾值基于 TTL 和 CMOS，獨(dú)立于電源電壓，具有寬輸入遲滯，可提供出色的抗噪能力。UCC2732x 和 UCC3732x 系列采用標(biāo)準(zhǔn) SOIC-8 (D) 或 PDIP-8 (P) 封裝以及耐熱增強(qiáng)型 -8 引腳 PowerPAD MSOP 封裝 (DGN)，可大幅降低熱阻以提高長(zhǎng)期可靠性。

UCC27714 是一款 600V 高側(cè)/低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，具有 4A 拉/灌電流能力，專用于驅(qū)動(dòng)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。 該器件包含一個(gè)接地基準(zhǔn)通道 (LO) 和一個(gè)懸空通道 (HO)，后者專用于自舉電源操作。 該器件具有出色的穩(wěn)定性和抗擾度，能夠在 HS 引腳上的負(fù)電壓高達(dá) –8VDC 的條件下（VDD = 12V 時(shí)）維持邏輯正常運(yùn)行。

看一下表 2 中所需的總 PCB 最小面積：Type II（高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動(dòng)器加上隔離器）僅占用 215mm 2 ，將比 Type I 節(jié)省超過(guò) 50% 的 PCB 空間。而且體積考慮到增強(qiáng)絕緣柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的笨拙高度，節(jié)省的費(fèi)用將更為顯著。

此外，此計(jì)算僅計(jì)算主要組件。在考慮信號(hào)調(diào)理電路時(shí)，Type II 比 Type I 的節(jié)省會(huì)增加。