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隔离式栅极驱动器详解

变流技术 | 发布时间:2018-09-03 | 人气: | #评论# | 本文关键字:IGBT,MOSFET
摘要:为了操作MOSFET/IGBT,通常须将一个电压施加于栅极(相对于器件的源极/发射极而言)。使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。本文讨论栅极驱动器是什么,为何需要栅极驱

IGBT/功率 MOSFET是一种电压控制型器件,主要应用在电源电路、变流电路中作为开关器件。栅极是每个器件的电气隔离控制端。MOSFET的另外两端是源极和漏极,而对于IGBT,它们被称为集电极和发射极。为了操作MOSFET/IGBT,通常须将一个电压施加于栅极(相对于器件的源极/发射极而言)。使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。本文讨论栅极驱动器是什么,为何需要栅极驱动器,以及如何定义其基本参数,如时序、驱动强度和隔离度。

为什么需要栅极驱动器

IGBT/功率MOSFET的结构使得栅极形成一个非线性电容。给栅极电容充电会使功率器件导通,并允许电流在其漏极和源极引脚之间流动,而放电则会使器件关断,漏极和源极引脚上就可以阻断大电压。当栅极电容充电且器件刚好可以导通时的最小电压就是阈值电压(VTH)。为将IGBT/功率MOSFET用作开关,应在栅极和源极/发射极引脚之间施加一个充分大于VTH 的电压。

考虑一个具有微控制器的数字逻辑系统,其I/O引脚之一上可以输出一个0 V至5 V的PWM信号。这种PWM将不足以使电源系统中使用的功率器件完全导通,因为其过驱电压一般超过标准CMOS/TTL逻辑电压。因此,逻辑/控制电路和高功率器件之间需要一个接口。这可以通过驱动一个逻辑电平n沟道MOSFET,其进而驱动一个功率MOSFET来实现,如图1a所示。

用反相逻辑驱动功率MOSFET
图1. 用反相逻辑驱动功率MOSFET

如图1a所示,当IO1发出一个低电平信号时,VGSQ1<VTHQ1 ,因此MOSFET Q1保持关断。结果,一个正电压施加于功率MOSFET Q2的栅极。Q2的栅极电容(CGQ2)通过上拉电阻R1充电,栅极电压被拉至VDD的轨电压。 如果VDD > VTHQ2,则Q2 导通,可以传导电流。当IO1输出高电平时,Q1 导通,CGQ2通过Q1放电。VDSQ1 ~ 0 V,使得VGSQ2<VTHQ2,因此Q2关断。这种设置的一个问题是Q1导通状态下R1的功耗。

为了解决此问题,pMOSFET Q3可以作为上拉器件,其以与Q1互补的方式工作,如图1b所示。PMOS具有较低导通电阻和非常高的关断电阻,驱动电路中的功耗大大降低。为在栅极转换期间控制边沿速率,Q1 的漏极和Q2的栅极之间外加一个小电阻。使用MOSFET的另一个优点是其易于在裸片上制作,而制作电阻则相对较难。这种驱动功率开关栅极的独特接口可以单片IC的形式创建,该IC接受逻辑电平电压并产生更高的功率输出。此栅极驱动器IC几乎总是会有其他内部电路来实现更多功能,但它主要用作功率放大器和电平转换器。

栅极驱动器的关键参数

驱动强度

提供适当栅极电压的问题通过栅极驱动器来解决,栅极驱动器执行电平转换任务。不过,栅极电容无法瞬间改变其电压。因此,功率FET或IGBT具有非零的有限切换间隔时间。在切换期间,器件可能处于高电流和高电压状态,这会产生功耗并转化为热量。因此,从一个状态到另一个状态的转换需要很快,以尽可能缩短切换时间。为了实现这一点,需要高瞬变电流来使栅极电容快速充电和放电。

无栅极驱动器的MOSFET导通转换
图2.无栅极驱动器的MOSFET导通转换

能够在更长时间内提供/吸收更高栅极电流的驱动器,切换时间会更短,因而其驱动的晶体管内的开关功耗也更低。

微控制器I/O引脚的拉电流和灌电流额定值通常可达数十毫安,而栅极驱动器可以提供高得多的电流。图2中,当功率MOSFET由微控制器I/O引脚以最大额定拉电流驱动时,观察到切换时间间隔较长。如图3所示,采用ADuM4121隔离式栅极驱动器时,转换时间大大缩短;当驱动同一功率MOSFET时,该驱动器相比微控制器I/O引脚能够提供高得多的驱动电流。

有栅极驱动器的MOSFET导通转换
图3.有栅极驱动器的MOSFET导通转换

很多情况下,由于数字电路可能会透支电流,直接用微控制器驱动较大功率MOSFET/IGBT可能会使控制器过热,进而受损。栅极驱动器具有更高驱动能力,支持快速切换,上升和下降时间只有几纳秒。这可以减少开关功率损耗,提高系统效率。因此,驱动电流通常被认为是选择栅极驱动器的重要指标。

与驱动电流额定值相对应的是栅极驱动器的漏源导通电阻(RDS(ON))。理想情况下,MOSFET完全导通时的RDS(ON)值应为零,但由于其物理结构,该阻值一般在几欧姆范围内。这考虑了从漏极到源极的电流路径中的总串联电阻。

RDS(ON)是栅极驱动器最大驱动强度额定值的真正基础,因为它限制了驱动器可以提供的栅极电流。内部开关的RDS(ON) 决定灌电流和拉电流,但外部串联电阻用于降低驱动电流,因此会影响边沿速率。如图4所示,高端导通电阻和外部串联电阻EXT 构成充电路径中的栅极电阻,低端导通电阻和 REXT 构成放电路径中的栅极电阻。

具有MOSFET输出级和功率器件作为电容的栅极驱动器的RC电路模型
图4.具有MOSFET输出级和功率器件作为电容的栅极驱动器的RC电路模型

RDS(ON) 也会直接影响驱动器内部的功耗。对于特定驱动电流,RDS(ON)值越低,则可以使用的REXT值越高。功耗分布在REXT和RDS(ON)上,因此REXT值越高,意味着驱动器外部的功耗越多。所以,对于给定芯片面积和尺寸的IC,为了提高系统效率并放宽驱动器内的热调节要求,RDS(ON) 值越低越好。

时 序

栅极驱动器时序参数对评估其性能至关重要。包括ADuM4120在内的所有栅极驱动器的一个常见时序规格(如图5所示)是驱动器的传播延迟(tD) ,其定义为输入边沿传播到输出所需的时间。如图5所示,上升传播延迟(tDHL)可以定义为输入边沿升至输入高阈值(VIH)以上到输出升至最终值10%以上的时间。类似地,下降传播延迟(tDHL)可以表述为从输入边沿降至输入低阈值VIL以下到输出降至其高电平90%以下的时间。输出转换的传播延迟对于上升沿和下降沿可能不同。

ADuM4120栅极驱动器和时序波形
图5.ADuM4120栅极驱动器和时序波形

图5还显示了信号的上升和下降时间。这些边沿速率受到器件可提供的驱动电流的影响,但它们也取决于所驱动的负载,这在传播延迟计算中并未考虑。另一个时序参数是脉宽失真,其为同一器件的上升和下降传播延迟之差。因此,脉宽失真(PWD) = |tDLH – tDHL|。

由于不同器件内的晶体管不匹配,两个器件的传播延迟不会完全相同。这会导致传播延迟偏斜(tSKEW),其定义为两个不同器件在相同工作条件下对同一输入作出响应时,输出转换之间的时间差。如图5所示,传播延迟偏斜被定义为器件间偏差。对于具有多个输出通道的器件,此规格的表述方式相同,但被称为通道间偏斜。传播延迟偏斜通常不能在控制电路中予以补偿。

图6显示了ADuM4121栅极驱动器的典型设置,其结合功率MOSFET使用,采用半桥配置,适合电源和电机驱动应用。在这种设置中,如果Q1 和 Q2同时导通,有可能因为电源和接地引脚短路而发生直通。这可能会永久损坏开关甚至驱动电路。为避免直通,必须在系统中插入一个死区时间,从而大大降低两个开关同时导通的可能性。在死区时间间隔内,两个开关的栅极信号为低电平,因此理想情况下,开关处于关断状态。如果传播延迟偏斜较低,则所需的死区时间较短,控制变得更加可预测。偏斜越低且死区时间越短,系统运行会更平稳、更高效。

时序特性很重要,因为它们会影响功率开关的操作速度。理解这些参数可以使控制电路设计更加简单和准确。

隔 离

隔离是指系统中各种功能电路之间的电气分离,使得它们之间不存在直接导通路径。这样,不同电路可以拥有不同的地电位。利用电感、电容或光学方法,仍可让信号和/或电源在隔离电路之间通过。对于采用栅极驱动器的系统,隔离对功能的执行可能是必要的,并且也可能是安全要求。图6中,VBUS可能有几百伏,在给定时间可能有数十安培的电流通过Q1 或 Q2。万一此系统出现故障时,如果损坏仅限于电子元件,则安全隔离可能是不必要的,但如果控制侧涉及到人的活动,那么高功率侧和低电压控制电路之间需要电流隔离。它能防范高压侧的任何故障,因为尽管有元件损坏或失效,隔离栅仍会阻止电力到达用户。

采用ADuM4121隔离式栅极驱动器的半桥设置中的隔离栅
图6.采用ADuM4121隔离式栅极驱动器的半桥设置中的隔离栅

为防止触电危险,隔离是监管机构和安全认证机构的强制要求。它还能保护低压电子器件免受高功率侧故障引起的任何损害的影响。有多种方法可以描述安全隔离,但在基本层面上,它们都与隔离栅的击穿电压有关。此电压额定值一般针对驱动器的使用寿命以及特定期间和情况的电压瞬变而给出。这些电压电平还与驱动器IC的物理尺寸以及隔离栅上引脚之间的最小距离有关。

除安全原因外,隔离对于系统正常运行也可能是必不可少的。图6显示了电机驱动电路中常用的半桥拓扑结构,给定时间只有一个开关导通。在高功率侧,低端晶体管Q2 的源极接地。Q2 的栅源电压(VGSQ2)因此直接以地为基准,驱动电路的设计相对简单。高端晶体管Q1的情况则不同,因为其源极是开关节点,取决于哪个开关导通,开关节点将被拉至总线电压或地。要使Q1导通,应施加一个超过其阈值电压的正栅源电压(VGSQ1)。因此,当源极连接到VBUS ,Q1处于导通状态时,其栅极电压将高于VBUS 。如果驱动电路没有用于接地参考的隔离,则将需要大于VBUS 的电压来驱动Q1。这是一个繁琐的解决方案,对于高效系统来说并不实用。因此,人们需要经过电平转换并以高端晶体管源极为基准的控制信号。这被称为功能隔离,可以利用隔离式栅极驱动器(如ADuM4223)来实现。

抗扰度

栅极驱动器用在有大量噪声源的工业环境中。噪声会破坏数据,使系统不可靠,导致性能下降。因此,栅极驱动器必须具有良好的抗噪声能力,以确保数据的完整性。抗扰度与驱动器抑制电磁干扰(EMI)或RF噪声及共模瞬变的程度有关。

EMI是指任何破坏电子器件预期操作的电气噪声或磁干扰。EMI(其会影响栅极驱动器)是高频开关电路的结果,主要由大型工业电机的磁场造成。EMI可以辐射或传导,并且可能耦合到附近的其他电路中。因此,EMI或RF抗扰度是衡量栅极驱动器抑制电磁干扰并保持稳健运行而无差错的能力的指标。若具有高抗扰度,驱动器便可在大型电机附近使用,而不会引起数据传输故障。

如图6所示,隔离栅预期可在不同电位的接地点提供高电压隔离。但是,高频切换导致次级端电压转换的边沿较短。由于隔离边界之间的寄生电容,这些快速瞬变而从一侧耦合到另一侧,这可能导致数据损坏。其表现可能是在栅极驱动信号中引入抖动,或者将信号完全反转,导致效率低下,甚至在某些情况下发生直通。因此,栅极驱动器的一个决定性指标是共模瞬变抗扰度(CMTI),其定量描述隔离式栅极驱动器抑制输入和输出间大共模瞬变的能力。如果系统中的压摆率很高,则驱动器需要有很高的抗扰度。因此,当在高频和大总线电压下工作时,CMTI数值特别重要。

结 语

本文旨在简单介绍栅极驱动器,因此,到目前为止讨论的参数并未全面详尽地反映隔离式栅极驱动器特性。驱动器还有其他指标,如电源电压、容许温度、引脚排列等,这些是每个电子器件的共同考虑因素。一些驱动器,如 ADuM4135 和 ADuM4136,也包含保护功能或先进的检测或控制机制。市场上的隔离式栅极驱动器种类众多,系统设计人员必须了解所有这些规格和特性,以便在相关应用中就使用适当的驱动器作出明智的决定。


责任编辑:隔离式栅极驱动器

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