為半橋配置的高端柵極供電起初似乎是一項棘手的任務，因為大部分系統都有較高的電平轉換和驅動強度要求。本文論述讓設計人員能夠實現這一目標的可行解決方案。

簡介

半橋拓撲廣泛用于電源轉換器和電機驅動器中。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動器，以獲得更短的開關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的柵極到源極電壓最大限值的系統，必須采用不同于系統總線的電壓驅動柵極。

本文討論多種柵極驅動供電選項和基本設計制約因素，以及設計時的權衡取舍，幫助設計人員選擇適當的拓撲。這些選項包括采用隔離式柵極驅動變壓器、利用隔離式DC-DC饋送柵極驅動器為光電二極管或數字隔離器供電、自舉配置，以及內置DC-DC電壓源的隔離式柵極驅動器。對于功率較高的系統而言，功率開關器件占了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，則圍繞時序要求而展開的設計(比如非交疊和死區時間)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NPN BJT、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，設計時必須考慮到恒定的基極電流。

基本柵極驅動要求考慮圖1中的典型半橋配置。兩個MOSFET以互斥方式運行，因為如果兩個MOSFET同時導通，則將產生直通。若要使MOSFET導通，則需VGS > VT，其中VGS是柵極到源極電壓，而VT是特定MOSFET的閾值電壓。工作時，建議MOSFET具有足夠的過驅能力，因此在大部分應用中，實際柵極電壓為VGS >> VT。在部分開關周期中，低端開關Q2導通而高端開關Q1斷開。這表示VG1S1 > VT。在很多系統中，VG1S1等于0 V就足以保持高端開關斷開。理想情況下，VOUT擺動到靠近系統地的位置。

忽略死區時間要求，則開關周期的其他部分為Q1導通而Q2斷開，這意味著VG2S2 > VT。在這段時間內，VOUT擺動至靠近總線電壓的位置。注意，高端開關的源極連接至VOUT，表示柵極Q1在部分開關周期中，數值高于總線電壓。

如果控制器IC直接連接至柵極Q1，則IC要求電壓高于VBUS +VT，這在很多情況下都不現實。

柵極驅動器的一個主要作用是為功率開關提供快速開關時間，從而具備更快的上升和下降時間。這樣可以降低功率級中與壓擺率有關的損耗。過去，通過測量峰值電流來衡量驅動強度，或者更準確地說，是測量驅動器的RDSON。記住以下這點很重要：對于具備更高峰值電流(或更低RDSON)的柵極驅動器，其功率要求并不一定更高，因為開關柵極的功率通常由Q × V × FSW驅動，其中Q表示柵極電荷，V表示柵極電壓擺幅，FSW表示系統的開關頻率2。

若要為高端開關的柵極驅動器供電，電源必須要能跟隨VOUT電壓，因為柵極以該電壓為參考。適當去耦通常能解決隔離電源接地參考的快速變化而導致的任何電壓尖峰問題。此外，每個不共享接地的柵極驅動器都可能需要自己的隔離電源。假設有一個典型的三相系統由三個半橋引腳組成，如圖2所示。系統中有四個獨立的接地參考，因為低端開關共享公共參考。取決于是否需要安全隔離或功能隔離，三相系統可以采用三個或四個專用電源。

任何項目需考慮的兩個因素是解決方案的尺寸以及方案總成本。本文將通過不同的選項探討權衡取舍。為柵極驅動器提供隔離電源的基本要求可以總結如下：

1) 提供足夠的電壓擺幅。
2) 部分開關周期的電壓值高于總線電壓。
3) 可跟隨半橋中點電壓的浮動接地。
4) 足夠的驅動強度。
5) 緊湊的解決方案。
6) 合理的價格。

柵極驅動變壓器

最早有一種提供隔離式柵極信號的解決方案使用柵極驅動變壓器，比如圖3中的系統。在該系統中，電能通過變壓器傳輸，在副邊形成所需的柵極電壓。該系統的優勢之一是其保證互補操作相對較為容易實現，方法是使其中一路副邊輸出極性與另一路相反。采用這種方式，若要驅動高端柵極至導通狀態并驅動低端柵極至斷開狀態，可將電流以一個方向饋送至變壓器的原邊，相反方向的驅動電流則驅動柵極至相反狀態。

由于在柵極驅動中，柵極驅動變壓器用作電源，因此在靠近所驅動的柵極處，該解決方案的尺寸較小。器件數也較低，因為無需使用專用隔離式電源。變壓器實際成本介于中等和昂貴之間。

變壓器無法傳輸直流信號，因此在最基本的拓撲中，柵極在零點處達到伏秒平衡，這表示隨著占空比上升，峰值正電壓將下降3。這會對工作占空比造成限制，同時增加死區時間調諧的難度。占空比的快速變化還會產生磁芯飽和平衡問題。采用直流恢復拓撲時，需注意關斷時很容易產生直通，因此柵極驅動變壓器不太適合要求快速關斷的應用，比如檢測到系統故障時。必須復位柵極驅動變壓器的磁芯，否則磁芯可能飽和，從而增加開關時序的設計難度。由于以上這些原因，目前在較高穩定性的高性能系統中很少采用柵極驅動變壓器。