柵極驅(qū)動變壓器與高低側(cè)驅(qū)動器詳細實現(xiàn)

一般的逆變器、開關(guān)電源、電機驅(qū)動等應用中都需要2個以上mosfet或者IGBT構(gòu)成橋式連接，其中靠近電源端的（比如圖中紅色部分）通常被稱為高壓側(cè)或上臂、靠近地端的通常被稱為低壓側(cè)或下臂（比如圖中藍色部分），高低只是針對兩者所處位置不同，電壓值不一樣來區(qū)分的。

如果用驅(qū)動單個mosfet的方法去驅(qū)動高壓側(cè)的功率管，當需要關(guān)斷下臂的時候，那么基本上臂是無法導通的，所以上臂和下臂的驅(qū)動電壓值是不一樣的，上臂要略高于下臂。

傳統(tǒng)的方法一般是多路電源驅(qū)動或者搭建自舉升壓電路。但是都存在器件過多，可靠性低的問題，而且器件多了以后在高頻應用中分布參數(shù)、布線、電磁干擾都是問題。

就像我之前討論了典型電源系統(tǒng)中的隔離要求和兩種流行的柵極驅(qū)動器實現(xiàn)方法：柵極驅(qū)動變壓器和高/低側(cè)柵極驅(qū)動器，高邊/低邊驅(qū)動器。

例如 600V UCC27714，可以節(jié)省超過 50% 的 PCB 布局面積和更多的元件體積。

在這篇文章中，我將討論這兩種方法的實際實現(xiàn)的更多細節(jié)，包括它們的優(yōu)缺點。

圖 1 顯示了用于半橋 MOSFET 配置的柵極驅(qū)動變壓器的實際實現(xiàn)。半橋拓撲廣泛用于電源轉(zhuǎn)換器和電機驅(qū)動器中。這在很大程度上是因為半橋可通過總線電壓，為脈寬調(diào)制(PWM)信號提供高效同步控制。然而，在控制器和功率器件之間通常需要使用柵極驅(qū)動器，以獲得更短的開關(guān)時間并出于安全性和/或功能性目的提供隔離。對于總線電壓高于功率開關(guān)的柵極到源極電壓最大限值的系統(tǒng)，必須采用不同于系統(tǒng)總線的電壓驅(qū)動柵極。

對于功率較高的系統(tǒng)而言，功率開關(guān)器件占了BOM成本的很大一部分，且N型器件的導通電阻一般比尺寸和成本都相同的P型器件更低1。此外，若在半橋配置的單個引腳上使用兩個相同的開關(guān)，則圍繞時序要求而展開的設(shè)計(比如非交疊和死區(qū)時間)便可得到簡化。由于這些原因，半橋配置通常由兩個N型器件組成，這兩個器件可以是NPNBJT、NMOS器件或N型IGBT。為簡便起見，本文中的半橋配置采用兩個NMOS器件，每引腳使用一個器件；這一概念同樣適用于IGBT。為了使用BJT器件，設(shè)計時必須考慮到恒定的基極電流。

為了在 MOSFET 上獲得干凈、穩(wěn)定的柵極驅(qū)動信號，需要額外的組件，這些附加組件是：

· C B：用于防止柵極驅(qū)動變壓器飽和的隔直電容。

· D 1，D 2：防止對稱負電壓偏壓，節(jié)省柵極驅(qū)動損耗。

· Q 1 , Q 2 : 低壓 P-MOS 或 PNP 晶體管，以提高柵極驅(qū)動關(guān)斷性能。

· Z 1 , Z 2：齊納二極管，有助于保護功率 MOSFET 的柵極/源極免受過壓。

圖 1：考慮寄生效應的柵極驅(qū)動變壓器的實際實現(xiàn)

顯然，額外的組件肯定會增加柵極驅(qū)動變壓器設(shè)計的復雜性。漏感也會損害柵極驅(qū)動變壓器的性能，包括降低峰值柵極驅(qū)動電流和較大的過沖（由漏感和 MOSFET 結(jié)電容引起）。實際上，增加峰值驅(qū)動電流需要增加磁芯尺寸和繞組線厚度以促進更高的驅(qū)動速度；然而，相應的影響將是更高的過沖，因為漏感存儲了更高的能量。柵極驅(qū)動變壓器的雙線繞組有助于減少漏感；然而，代價是增加了初級到次級繞組的耦合漏電容 C IO。首先是限制共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 性能的主要寄生參數(shù)之一（有關(guān)解釋，請參閱我的博客文章“ 48V 系統(tǒng)：有效且穩(wěn)健地驅(qū)動功率 MOSFET ”）。綜上所述，考慮到上述因素，確實很難做出更好的權(quán)衡。

圖 2 顯示了帶數(shù)字隔離器的高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器解決方案的實際實現(xiàn)。與我上一篇文章中的圖 2b相比，我只添加了幾個主要組件：R Boot和一個 5V LDO，用于在 10 至 20V 的 V Bias和需要 3 至 5V 的隔離器次級側(cè)之間提供電源接口低電壓/電源。

因為與柵極驅(qū)動變壓器相比，沒有與變壓器漏感相關(guān)的問題，您可以在柵極驅(qū)動電流、過沖、CMTI 等之間實現(xiàn)更好的權(quán)衡。

圖 2：高邊和低邊柵極驅(qū)動器的實際實現(xiàn)

表 1 比較了這兩種方法。從輔助元件更少、寄生電感/C IO小、過沖和 PCB 尺寸更小以及靈活的峰值柵極驅(qū)動電流的角度來看，高/低側(cè)柵極驅(qū)動器確實“勝出” 。關(guān)于隔離偏置電源，正如我之前提到的，高端/低端柵極驅(qū)動器可以利用現(xiàn)有的離線隔離電源子系統(tǒng)。

表 1：柵極驅(qū)動變壓器與高端/低端柵極驅(qū)動器的比較