由于大多數系統的電平轉換和驅動強度要求，為半橋配置的高側柵極供電起初似乎令人生畏。本文對允許設計人員實現這一目標的可用解決方案進行了調查。

介紹

半橋拓撲廣泛用于電源轉換器和電機驅動器。這主要是由于半橋能夠在總線電壓范圍內對脈寬調制（PWM）信號提供有效的同步控制。然而，在控制器和功率器件之間，柵極驅動器通常需要獲得更快的開關時間，并為安全和/或功能目的提供隔離。對于總線電壓高于最大功率開關柵極到源極電壓限值的系統，必須為柵極驅動器提供系統總線以外的電壓。

本文介紹了各種柵極驅動供電選項、基本設計約束和權衡，以幫助設計人員選擇使用哪種拓撲。其中包括隔離式柵極驅動變壓器，以及采用隔離式DC-DC饋送柵極驅動器的光耦合器或數字隔離器、自舉配置以及具有內部DC-DC電壓源的隔離式柵極驅動器。

對于更高功率的系統，電源開關器件是BOM成本的很大一部分，N型器件的導通電阻通常低于相同尺寸和成本的P型器件1.此外，通過在半橋設置的單支路中使用兩個相同的開關，可以簡化圍繞時序要求（如非重疊和死區時間）進行設計。由于這些原因，半橋配置通常由兩個N型器件組成，無論是NPN BJT、NMOS器件還是N型IGBT。為簡單起見，本文將介紹每支路使用兩個NMOS器件的半橋配置，但相同的原理也可以應用于IGBT。為了使用BJT器件，在設計中應考慮恒定的基極電流。

基本柵極驅動要求

考慮典型的半橋配置，如圖1所示。MOSFET以相互排斥的方式工作，因為如果兩者同時導通，就會發生擊穿。要使 MOSFET 導通，VGS > VT，其中 VGS 是源極電壓的柵極，VT 是特定 MOSFET 的閾值電壓。建議在工作時有足夠的MOSFET過驅動，因此在大多數應用中，實際柵極電壓為VGS>>VT。對于開關周期中低邊開關Q2導通，高端開關Q1關斷的部分。這意味著VG1S1>VT。對于許多系統，0 V的VG1S1足以保持高端開關關閉。在理想情況下，VOUT擺幅接近系統地。

圖1.半橋框圖。

忽略死區時間要求，開關周期的另一部分Q1導通，Q2關斷，這意味著VG2S2>VT。在此期間，VOUT擺幅接近總線電壓。請注意，高端開關的源極連接到VOUT，這意味著Q1的柵極在部分開關周期內高于總線電壓。

如果控制器IC直接連接到Q1的柵極，則需要大于VBUS + VT的電壓，這在許多情況下是不可行的。

柵極驅動器的主要用途之一是為電源開關提供快速開關時間，從而實現更快的上升和下降時間。這降低了與壓擺率相關的功率級損耗。過去，驅動強度是在峰值電流中測量的，或者更準確地說是在驅動器RDSON中測量的。需要注意的是，具有較高峰值電流（或較低RDSON）的柵極驅動器的功率要求不一定更高，因為切換柵極所需的功率主要由Q × V×FSW驅動，其中Q是柵極電荷，V是柵極電壓擺幅，FSW是系統的開關頻率2。

為了給高端開關上的柵極驅動器供電，電源必須能夠跟隨VOUT電壓，因為柵極以該電壓為基準。充分的去耦通常可以解決由于隔離電源接地基準的快速變化而出現的任何電壓尖峰。此外，每個不共享公共接地的柵極驅動器可能需要自己的隔離電源。考慮一個典型的三相系統，由三個半橋支路組成，如圖2所示。系統中有四個獨立的接地基準，因為低邊開關共用一個基準。根據是否需要安全或功能隔離，三相系統需要三個或四個專用電源。

圖2.三相框圖。

任何項目都要考慮的兩個要求是解決方案大小和總解決方案成本。在不同的選項中將探討權衡取舍。為柵極驅動器提供隔離電源的基本要求可概括為：

提供足夠的電壓擺幅。

在部分開關周期內高于總線值的電壓。

可以跟隨半橋中點電壓的浮動接地。

足夠的驅動強度。

緊湊的解決方案尺寸。

合理的成本。

柵極驅動變壓器

提供隔離柵極信號的最早解決方案之一是使用柵極驅動變壓器，如圖3所示的系統。在該系統中，能量通過變壓器傳輸，在次級側產生必要的柵極電壓。該系統的一個優點是，通過使一個次級輸出與另一個極性相反，相對容易實現保證互補操作。以這種方式，為了驅動高邊柵極導通，低邊柵極關斷，電流沿一個方向饋入變壓器初級，而相反方向的驅動電流將柵極驅動到相反的狀態。

圖3.柵極驅動變壓器示例。

由于柵極驅動變壓器充當柵極驅動的電源，因此在被驅動柵極附近可以節省解決方案尺寸。由于不需要專用隔離電源，因此器件數量也較低。變壓器的實際成本在中等到昂貴之間變化。

變壓器不能通過直流，因此在最基本的拓撲中，柵極看到零伏秒平衡，這意味著隨著占空比的增加，峰值正電壓降低3.這限制了工作占空比，并使調整死區時間具有挑戰性。占空比的快速變化也會導致磁芯飽和平衡問題。有直流恢復拓撲，但必須小心關斷，否則很容易發生擊穿，使得柵極驅動變壓器不太適合需要快速關斷的應用，例如檢測到系統故障時。

柵極驅動變壓器的磁芯必須復位，否則將面臨飽和風險，從而進一步限制開關時序的設計。由于上述原因，柵極驅動變壓器在很大程度上已經不再青睞更高可靠性、高性能的系統。

專用隔離電源

隔離柵極驅動的另一種方法是使用隔離器傳輸時序信息。光耦合器利用光將時序數據穿過隔離柵傳輸到光電晶體管或光電二極管。內部二極管的光輸出隨老化和/或溫度而下降，導致時序偏移，因此需要更大的死區時間裕量4.作為光耦合器的替代方案，數字隔離器通常通過電感或電容耦合傳輸時序信息，因此與光耦合器相比，實際上不會因老化而發生時序偏移，并且由于溫度引起的偏移也顯著減少。在光耦合器和數字隔離器中，傳輸信號的輸出緩沖器將最終驅動強度傳送到柵極。該緩沖器可以存在于隔離器封裝內部或外部。高壓電平轉換器通過使用可能需要數百伏的上拉結構將定時數據傳輸到高壓側。如果半橋電壓為負，高壓電平轉換器很容易發生閂鎖，這是數字和光耦合器隔離器中沒有的問題。

為緩沖器供電的最直接方法是為半橋的每個浮動區域提供一個專用的隔離式DC-DC轉換器。對于多橋臂系統，只要電流輸出足夠，低側柵極驅動器就可以共享一個電壓源，如圖2中的示例系統所示。

專用隔離電源設置沒有占空比或最小開關頻率要求，隔離式柵極驅動器的輸入可以獨立控制，從而實現死區時間調諧。這是以更大的解決方案尺寸和由于額外的組件而產生的成本為代價的。隔離電源可以通過包含變壓器的反激式或正激式轉換器等拓撲在系統級創建。還有單片模塊，例如Recom提供的模塊，這些模塊專門設計用于允許高隔離電壓5.

半橋自舉程序配置

在靜態電流之外，隔離式柵極驅動器的輸出側在將柵極驅動至高電平時主要從電源軌獲取電流。一旦IGBT或MOSFET的柵極電壓達到電源軌，功耗最小，因為柵極本質上是一個電容器。對于高端驅動器，該電流消耗與高端MOSFET導通時半橋電壓被拉至總線電壓的時間一致。這也意味著在最高電流消耗之前，高壓側接地通過低側電源開關連接到低側接地。通過使用單個二極管和在高端電源軌上適當大的電容，可以提供臨時電壓源，如圖3223中的ADuM4所示。圖中顯示了一個與自舉二極管串聯的電阻，以控制峰值充電電流6.

圖4.半橋自舉示例。

自舉電容在低邊開關導通期間充電，并快速放電以填滿柵極電容，但在高端開關的導通期間由于高端驅動器的靜態電流而緩慢放電。這導致系統占空比和開關頻率受到限制7.只要有足夠的時間為自舉電容充電，并且高端開關的導通時間不會超過電容可以支持的時間，該解決方案在成本和解決方案尺寸指標方面表現出色，尤其是在多相系統中。此外，通過在啟動期間同時打開低邊開關，可以同時為多個自舉電容充電。

集成電源和柵極驅動器

向更小解決方案尺寸的自然發展是創建具有隔離電源和柵極驅動器功能的單個IC。傳輸隔離電源的最有效方法是通過電感耦合。光耦合器和容性耦合器需要太大的面積，速度太慢，并且能量損失太大，無法支持這樣的系統。對于使用全包式隔離電源和柵極驅動器拓撲的電路，可以在IC內采用小型芯片級電感器。使用ADuM5230的一個這樣的系統如圖5所示。該解決方案包含用于傳輸定時信息的變壓器線圈以及用于將功率傳輸到高端驅動器的線圈，無需在高端使用額外的外部隔離電源8.外部緩沖器增加了峰值電流輸出，允許驅動更大的柵極電容。由于效率限制，最大功率耗散以及開關頻率和/或最大柵極電荷負載受到限制。隨著技術的進步，滿足更高系統要求的單片解決方案將開始出現。

圖5.內部隔離電源示例。

在功率限制之外，集成的隔離式電源和柵極驅動器系統提供了出色的解決方案尺寸，并消除了占空比和開關頻率的最小值。

總結

為半橋配置的隔離側供電會帶來一些獨特的挑戰，但設計人員存在許多拓撲結構。柵極驅動變壓器在零件數量方面表現出色，但受到驅動信號復雜性和磁芯動力學限制的限制。專用隔離電源可以消除占空比和頻率要求，但缺點是成本和解決方案尺寸。如果可以限制占空比和開關頻率，則半橋自舉配置價格低廉，可以大大減少器件數量和解決方案成本。存在一些高度集成的解決方案，通過內部變壓器進行功率傳輸，從而節省解決方案尺寸和零件數量。通過顯示的多種拓撲結構，設計人員擁有創建穩健的半橋解決方案的工具。

審核編輯：郭婷