柵極驅(qū)動(dòng)器在太陽(yáng)能收集設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

 雖然數(shù)字邏輯電路在太陽(yáng)能收集設(shè)計(jì)中提供關(guān)鍵的監(jiān)控和控制功能，但功率晶體管為電力輸送提供了基礎(chǔ)。在這些數(shù)字和電源域之間，柵極驅(qū)動(dòng)器提供關(guān)鍵接口功能，在太陽(yáng)能解決方案中驅(qū)動(dòng)高功率MOSFET和IGBT。設(shè)計(jì)人員可以使用ADI公司，飛兆半導(dǎo)體公司，凌力爾特公司，德州儀器公司等公司的柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)高效的全橋和半橋功率級(jí)。

通常由低功耗數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)，柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)高功率MOSFET和IGBT所需的高電流。同樣重要的是，柵極驅(qū)動(dòng)器可以響應(yīng)來(lái)自數(shù)字控制邏輯的高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)，并為功率晶體管提供相應(yīng)的高速，高電流驅(qū)動(dòng)。在此過(guò)程中，柵極驅(qū)動(dòng)器屏蔽低功耗數(shù)字控制電路，使其免受大型高速開(kāi)關(guān)電流的影響，這些電流很容易降低數(shù)字電路的性能。

工程師可以選擇支持柵極驅(qū)動(dòng)配置的IC，從全橋到半橋，同時(shí)具有非隔離和隔離選項(xiàng)。例如，德州儀器(TI)SM72295提供四個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠以全橋配置為四個(gè)分立的N型MOSFET提供3 A的峰值電流(圖1)。

圖1：德州儀器(TI)SM72295集成了以全橋配置驅(qū)動(dòng)四個(gè)外部N型MOSFET所需的功能(由德州儀器公司提供)。

SM72295適用于太陽(yáng)能光伏應(yīng)用，包括一對(duì)電流檢測(cè)放大器，可通過(guò)外部電阻實(shí)現(xiàn)可編程增益。該器件還提供電流檢測(cè)放大器的緩沖輸出，用于ADC，用于需要更復(fù)雜電源管理功能的設(shè)計(jì)。工程師可以通過(guò)將SM72295與TI SM72442相結(jié)合來(lái)創(chuàng)建完整的光伏電源，TI SM72442是一個(gè)可編程控制器，提供四個(gè)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制SM72295。

除了TI SM72295等專(zhuān)用全橋設(shè)備外，工程師還可以選擇在一個(gè)器件上組合一對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，以改善時(shí)序匹配。 TI SM72482通過(guò)一對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)擴(kuò)展了這一概念，這些驅(qū)動(dòng)器級(jí)(每個(gè))組合MOS和雙極晶體管以實(shí)現(xiàn)高輸出驅(qū)動(dòng)特性，同時(shí)減少由于電壓和溫度變化引起的輸出電流變化(圖2)。

圖2：德州儀器(TI)SM72482支持半橋配置，其中一對(duì)驅(qū)動(dòng)器級(jí)結(jié)合了MOS和雙極晶體管(德州儀器公司提供)。

飛兆半導(dǎo)體FAN7384，德州儀器LM5102和凌力爾特公司LT1160/1162等器件適用于采用PWM控制驅(qū)動(dòng)半橋輸出級(jí)的設(shè)計(jì)(圖3)。 FAN7384和LM5102均具有電平轉(zhuǎn)換功能，允許浮動(dòng)高側(cè)驅(qū)動(dòng)器在更高電壓下工作，并且均具有可編程定時(shí)控制功能，以確保周期之間有足夠的死區(qū)時(shí)間。飛兆半導(dǎo)體FAN7384允許工程師編程開(kāi)啟延遲，而TI LM5102允許獨(dú)立編程高和低上升沿延遲。

圖3：凌力爾特公司LT1160/2等半橋柵極驅(qū)動(dòng)器旨在支持基于PWM的功率級(jí)，用于各種應(yīng)用，包括能量收集(由Linear Technology提供)。

Linear LT1160/2采用內(nèi)部邏輯，可防止輸入同時(shí)導(dǎo)通功率MOSFET。 Linear LT1336增強(qiáng)了LT1160/2的功能，支持使用內(nèi)部升壓穩(wěn)壓器進(jìn)行直流操作。使用升壓功能僅需要一個(gè)電阻，小電感(200μH)，二極管和電容，但可將高電壓電壓從最高60 V(非升壓模式下的LT1160/2和LT1136)降低至40 V.最大電壓的降低源于需要避免達(dá)到內(nèi)部NPN開(kāi)關(guān)的擊穿電壓。

太陽(yáng)能逆變器等應(yīng)用需要高隔離電壓和長(zhǎng)期可靠性。因此，這些應(yīng)用通常依賴于隔離的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)確保隔離和性能。在典型的半橋驅(qū)動(dòng)器中，光耦合器或數(shù)字隔離器為柵極驅(qū)動(dòng)器提供隔離，驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)功率晶體管的柵極具有相反極性的信號(hào)(圖4)。

圖4：為了隔離高壓太陽(yáng)能應(yīng)用，工程師可以選擇單輸入(a)或雙輸入(b)柵極驅(qū)動(dòng)器(由Analog Devices提供)。

在這些應(yīng)用中，柵極驅(qū)動(dòng)器需要結(jié)合高速開(kāi)關(guān)性能，以降低開(kāi)關(guān)損耗和低輸出阻抗特性，從而降低傳導(dǎo)損耗。此外，柵極驅(qū)動(dòng)器需要緊密匹配的時(shí)序特性，以便在兩個(gè)開(kāi)關(guān)交替接通時(shí)最小化死區(qū)時(shí)間。

使用單個(gè)隔離輸入(圖4a)意味著時(shí)序匹配和死區(qū)時(shí)間性能取決于高壓電路本身。在這種配置中，高壓電路不提供電流隔離，而是僅依靠晶體管的結(jié)隔離來(lái)將高側(cè)與低側(cè)驅(qū)動(dòng)電壓分開(kāi)。對(duì)高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動(dòng)器使用單獨(dú)的隔離輸入通道可確保輸出之間的電流隔離(圖4b)。

制造商可以將隔離和柵極驅(qū)動(dòng)器電路結(jié)合在同一個(gè)封裝中，通常在單個(gè)芯片上提供兩個(gè)獨(dú)立的通道，以提供改進(jìn)的匹配特性(圖5)。 ADI公司采用這種方法在其ADuM1233和ADuM1234中提供獨(dú)立且隔離的高端和低端輸出，這些隔離式半橋器件提供0.1 A輸出，具有TTL(ADuM1233)或CMOS(ADuM1234)輸入。

這些器件基于ADI公司專(zhuān)有的iCoupler技術(shù)，該技術(shù)使用在同一芯片上制造的單片微變壓器，與光耦合器方法相比，有助于改善時(shí)序和可靠性。這些器件支持高達(dá)700 V的高低側(cè)差分電壓，并具有從輸入到輸出以及輸出之間超過(guò)75 kV/μs的共模瞬態(tài)抗擾度。 ADI公司的相關(guān)器件ADuM7234提供高達(dá)4 A的更高輸出電流，具有350 V差分電壓能力和》 25 kV/μs共模瞬變抗擾度。

圖5：制造商將兩組隔離和柵極驅(qū)動(dòng)器組合在一起，提供隔離式半橋解決方案，如ADI公司ADuM1233/4(由Analog Devices提供) 。

結(jié)論

柵極驅(qū)動(dòng)器提供了實(shí)現(xiàn)電源傳輸階段有效數(shù)字控制所需的關(guān)鍵接口。這些器件采用全橋和半橋配置，不僅可提供驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT所需的高電流和快速開(kāi)關(guān)功能，還可保護(hù)敏感數(shù)字電路免受高速開(kāi)關(guān)電流的影響。利用可用的柵極驅(qū)動(dòng)器IC，工程師可以輕松創(chuàng)建能量收集設(shè)計(jì)所需的高效功率級(jí)。