浮地非隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器

摘要

半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛用于各種商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換器件中。這種開(kāi)關(guān)模式配置的核心是柵極驅(qū)動(dòng)器IC，其主要功能是使用脈寬調(diào)制信號(hào)向高端和低端MOSFET功率開(kāi)關(guān)提供干凈的電平轉(zhuǎn)換信號(hào)。

本文重點(diǎn)介紹了工程師在為應(yīng)用選擇柵極驅(qū)動(dòng)器IC時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。除了基本的電壓和電流額定值之外，本文還說(shuō)明了高共模瞬變抗擾度的重要性和可調(diào)死區(qū)時(shí)間的必要性。某些用例要求將柵極驅(qū)動(dòng)器IC與MOSFET進(jìn)行電氣隔離，文中通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的參考設(shè)計(jì)展示了這種浮地方法。

簡(jiǎn)介

電源轉(zhuǎn)換是當(dāng)今幾乎所有電子設(shè)計(jì)的核心功能。理想情況下，將直流電壓（例如9 V）轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電平（例如24 V）的過(guò)程應(yīng)盡可能高效，損耗應(yīng)盡可能小。為了應(yīng)對(duì)各種應(yīng)用的不同電壓、電流和功率密度需求，工程師開(kāi)發(fā)了多種電路架構(gòu)（也就是拓?fù)洌?。?duì)于DC-DC電源轉(zhuǎn)換，可以使用降壓、升壓、降壓-升壓、半橋和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外還得考慮輸出是否需要與輸入電壓進(jìn)行電氣隔離，由此便可將轉(zhuǎn)換方法分為兩類(lèi)，即非隔離式和隔離式。

對(duì)于高電壓和大電流用例，例如電機(jī)控制和太陽(yáng)能逆變器，半橋和全橋DC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù)是主流選擇。

半橋電源轉(zhuǎn)換

半橋結(jié)構(gòu)采用開(kāi)關(guān)模式方法來(lái)提高或降低直流輸入電壓。該結(jié)構(gòu)使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件（通常是MOSFET或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)）將電壓輸入轉(zhuǎn)換給變壓器（隔離式）或直接轉(zhuǎn)換給負(fù)載（非隔離式）。柵極驅(qū)動(dòng)器IC負(fù)責(zé)從控制器IC接收脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。該器件將信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為迅速接通或斷開(kāi)MOSFET功率開(kāi)關(guān)（即高端和低端）所需的電平，以便盡可能降低功率損耗，提高轉(zhuǎn)換器的效率。為應(yīng)用選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器IC，需綜合考慮轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電壓、電流額定值和開(kāi)關(guān)頻率等因素。選擇具有精確、高效開(kāi)關(guān)特性的柵極驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。

選擇柵極驅(qū)動(dòng)器IC

選擇柵極驅(qū)動(dòng)器IC時(shí)，工程師必須考慮若干關(guān)鍵因素。其中一些因素可能與具體應(yīng)用有關(guān)，比如在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，柵極驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)遇到各種各樣的輸入電壓和功率需求。

高端電壓：根據(jù)具體應(yīng)用，高端MOSFET將承受全部電源電壓，為此，柵極驅(qū)動(dòng)器必須具有較高的安全裕度。

共模瞬變抗擾度(CMTI)：快速開(kāi)關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生高噪聲電平，并且高端和低端MOSFET之間的電壓差可能較高，因此選擇具有高瞬態(tài)抗擾度特性的柵極驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。

峰值驅(qū)動(dòng)電流：對(duì)于較高功率的設(shè)計(jì)，柵極驅(qū)動(dòng)器需要向MOSFET提供高峰值電流，以便對(duì)柵極電容快速充電和放電。

死區(qū)時(shí)間：為了防止MOSFET因同時(shí)導(dǎo)通而被擊穿，半橋電路的高端和低端開(kāi)關(guān)之間須設(shè)置短暫的死區(qū)時(shí)間，這非常關(guān)鍵。強(qiáng)烈建議選擇可配置死區(qū)時(shí)間的柵極驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)更佳效率。有些柵極驅(qū)動(dòng)器包含默認(rèn)死區(qū)時(shí)間，以防止擊穿故障。

帶浮地和可調(diào)死區(qū)時(shí)間的半橋驅(qū)動(dòng)器

LTC7063是半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)實(shí)例，適合用在工業(yè)、汽車(chē)和電信電源系統(tǒng)領(lǐng)域的各種高電壓和大電流應(yīng)用。該器件是一款高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)半橋配置的N溝道MOSFET，輸入電源電壓最高可達(dá)140 V。該IC具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)νǔＥc高壓MOSFET相關(guān)的大柵極電容進(jìn)行快速充電和放電。此外，自適應(yīng)擊穿保護(hù)特性會(huì)監(jiān)控開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓，并控制驅(qū)動(dòng)器輸出，以防止MOSFET同時(shí)導(dǎo)通。這一關(guān)鍵特性能夠防止電流擊穿，并有助于提高電源效率。

LTC7063的高端和低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器均浮空，IC和輸出地之間的接地偏移最高可達(dá)10 V。這種浮地架構(gòu)使驅(qū)動(dòng)器輸出更加穩(wěn)健，并且對(duì)接地偏移、噪聲和瞬變不太敏感。浮地功能使該器件成為遠(yuǎn)程MOSFET控制應(yīng)用以及高電壓、大電流開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器的出色選擇。

LTC7063的安全和保護(hù)特性包括熱關(guān)斷、輸入欠壓和過(guò)壓保護(hù)電路，以及用于高端和低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器的欠壓保護(hù)電路，可幫助確保任何半橋應(yīng)用的長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)健性。

為了高效傳熱，這些柵極驅(qū)動(dòng)器采用散熱增強(qiáng)型裸露焊盤(pán)封裝。

基于LTC7063的降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用（帶遠(yuǎn)端負(fù)載）

圖1為采用LTC7063設(shè)計(jì)的2:1降壓轉(zhuǎn)換器（帶遠(yuǎn)端負(fù)載）。器件采用高達(dá)80 V的輸入電源供電，輸出電壓為? VIN，最大負(fù)載為5 A。PWM引腳從外部控制器接收三態(tài)邏輯信號(hào)，當(dāng)PWM信號(hào)達(dá)到上升閾值以上時(shí)，高端MOSFET的柵極被驅(qū)動(dòng)至高電平。低端MOSFET與高端MOSFET實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)。輸入信號(hào)上升閾值與下降閾值之間的滯回解決了MOSFET的誤觸發(fā)問(wèn)題。在輸入信號(hào)的滯回間隔時(shí)間內(nèi)，高端和低端MOSFET均被拉低。當(dāng)使能(EN)引腳為高電平時(shí)，頂柵(TG)和底柵(BG)輸出均對(duì)應(yīng)輸入PWM信號(hào)；通過(guò)將EN引腳拉至低電平，TG和BG輸出均被拉低。

BST-SW和BGVCC-BGRTN電源自舉確保高端和低端驅(qū)動(dòng)器高效運(yùn)行，而無(wú)需任何額外的隔離電源電壓，進(jìn)而能夠減少電路板上的元件數(shù)量并降低成本。控制波形和平均輸出電壓結(jié)果如圖2所示。

圖1.帶遠(yuǎn)端負(fù)載的降壓電源轉(zhuǎn)換器

圖2.PWM、TG-SW、BGVCC-BGRTN和VOUT波形

TG和BG之間的死區(qū)時(shí)間較短，在DG引腳和地之間添加一個(gè)電阻可以加快BG/TG上升速度。將死區(qū)時(shí)間(DT)引腳短接至地時(shí)，此轉(zhuǎn)變的默認(rèn)死區(qū)時(shí)間為32 ns，而將DT引腳浮空時(shí)，死區(qū)時(shí)間可延長(zhǎng)至最大250 ns。該可編程死區(qū)時(shí)間特性能夠?yàn)楦邏簯?yīng)用提供更穩(wěn)健的擊穿保護(hù)。

為了實(shí)現(xiàn)更高效率，盡可能降低開(kāi)關(guān)損耗非常重要。高端和低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器的1.5 Ω上拉電阻和0.8 Ω下拉電阻快速接通或斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，防止電流交叉?zhèn)鲗?dǎo)，從而提高效率。圖3和圖4顯示了導(dǎo)通和關(guān)斷之間的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換以及死區(qū)時(shí)間。

圖3.BG下降至TG上升的轉(zhuǎn)變

圖4.TG下降至BG上升的轉(zhuǎn)變

故障(FLT)引腳為開(kāi)漏輸出，當(dāng)LTC7063的結(jié)溫達(dá)到180℃時(shí)，器件內(nèi)部會(huì)將該引腳拉低。當(dāng)VCC的電源電壓低于5.3 V或高于14.6 V時(shí)，該引腳也會(huì)被拉低。對(duì)于圖1所示的應(yīng)用，低于3.3 V的BGVCC-BGRTN和BST-SW浮空電壓會(huì)觸發(fā)故障條件并將FLT引腳拉低。一旦所有故障都清除，經(jīng)過(guò)100 μs的延遲后，F(xiàn)LT引腳將被外部電阻拉高。

表1列舉了LTC706x系列中的其他產(chǎn)品，它們具有與LTC7063類(lèi)似的特性。

結(jié)論

LTC7063是一款高壓N溝道半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，屬于LTC706x產(chǎn)品系列。其專(zhuān)業(yè)的雙浮地架構(gòu)能夠?yàn)榻拥仄坪瓦h(yuǎn)端負(fù)載應(yīng)用提供高效的驅(qū)動(dòng)器輸出，且兼具優(yōu)異的抗噪能力。自適應(yīng)擊穿保護(hù)和可編程死區(qū)時(shí)間特性可消除任何潛在的擊穿電流，而強(qiáng)大的MOSFET驅(qū)動(dòng)器則可實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)，并幫助高電壓、大電流DC-DC應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高效率，從而盡可能降低功率損耗。