栅极驱动器

ADI自动化、能源与传感器业务部门电机和电源控制团队(MPC)的高级系统应用工程师Dara O'Sullivan与大家探讨了3相逆变器系统中存在的系统设计问题，同时分析了与隔离式栅极驱动和电流/电压检测相关的设计挑战以及系统设计因素，如偏置电源和过流保护。另外还介绍了实际电路实施方案以及栅极驱动器时序等参数对电机控制系统性能影响的实验研究。

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<strong>概述</strong>

ADuM4121/ADuM4121-11是2 A隔离式单通道驱动器，采用ADI公司的iCoupler®技术提供精密隔离。ADuM4121/ADuM4121-1提供5 kV rms隔离，采用8引脚宽体SOIC封装。这些隔离器件将高速CMOS与单芯片变压器技术融为一体，相比于脉冲变压器和栅极驱动器等组合替代器件具有更出色的性能表现。

ADuM4121/ADuM4121-1工作时的输入电源电压范围在2.5 V到6.5 V之间，可与较低电压系统兼容。与采用高压电平转换方法的栅极驱动器相比，ADuM4121/ADuM4121-1的输入与输出之间具有真电流隔离优势。ADuM4121/ADuM4121-1内置米勒箝位功能，其在栅极驱动输出下降沿上的2 V处激活，为被驱动的栅极提供一个阻抗较低的路径，以降低米勒电容引发开启的可能性。

存在使能或禁用热关断的选项。因此，ADuM4121/ADuM4121-1能够可靠地控制广泛开关电压范围下的绝缘栅极双极性晶体管 (IGBT)/金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 配置的开关特性。

<font color="#FF8000">-提供下一代电源开关技术解决方案</font>

Analog Devices, Inc. (ADI)今天宣布推出小型隔离式栅极驱动器，这些产品专门针对SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）等电源开关技术所需的更高开关速度和系统尺寸限制而设计，同时仍然提供对IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）配置的开关特性的可靠控制。ADuM4120和ADuM4121系列利用ADI公司成熟的 i Coupler ® 隔离技术，结合高速CMOS和与单芯片变压器技术，可实现超低传播延迟，且不影响共模瞬变抗扰度(CMTI)性能。

光耦合器或脉冲变压器等传统技术很难提供短延迟并维持CMTI性能，而ADuM4120和ADuM4121专门设计支持新型逆变器架构的更高开关速度。在需要多个电源开关的系统中，这些采用SOIC封装的小型隔离式栅极驱动器可以最大程度地减小PCB布局空间，从而降低冷却要求。另外，这些栅极驱动器的外形尺寸很小，能够靠近电源开关放置，可减少驱动器和开关之间的寄生电感。ADuM4120和ADuM4121可在高温范围和高工作电压下工作，非常适合改进太阳能逆变器、电机控制器和工业逆变器应用的能源效率和时序性能稳定性。

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作者：Brian Kennedy，ADI公司数字隔离器部高级 应用工程师

<strong>内容提要</strong>

带同步整流功能的隔离式DC-DC转换器的传统设计方法是使用光耦合器或脉冲变压器进行隔离，并将其与一个栅极驱动器IC结合在一起。本文将说明光耦合器和脉冲变压器的局限性，并提出一种集成度更高的方法，其性能更高，解决方案尺寸和成本则低得多。

<strong>脉冲变压器</strong>

使用脉冲变压器可以耦合低电平信号、提供隔离并驱动功率开关，这种方法虽然具有一定优势，但也存在一些局限性。在栅极驱动应用中，脉冲变压器的一个优势是可以将3 V或5 V逻辑电平提升到15 V或更高的电压，以便驱动MOSFET的栅极。遗憾的是，为了驱动高电流同步整流器电路，可能需要一个单独的高电流栅极驱动器IC。还有一点需要考虑：脉冲变压器不能很好地处理占空比超过50%的信号，这是它在栅极驱动器应用中的一个主要缺点。原因在于变压器只能提供交流信号，因为铁芯磁通量必须每半个周期复位一次以维持伏秒平衡。

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本视频探讨3相逆变器系统中存在的系统设计问题。 分析了与隔离式栅极驱动和电流/电压检测相关的设计挑战以及系统设计因素，如偏置电源和过流保护。 另外介绍了实际电路实施方案以及栅极驱动器时序等参数对电机控制系统性能影响的实验研究。

以光耦合器和其他分立式解决方案为参照，了解基于iCoupler®数字隔离器技术的ADuM3223和ADuM4223隔离式栅极驱动器如何简化强大的半桥MOSFET驱动器的设计。

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三个ADuM3223栅极驱动器可将控制信号与连接至经整流交流市电输入的电源级隔离。 六个PWM控制信号来自Blackfin EZ套件，可驱动六个IGBT栅极，控制一个三相变速感应电机。

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隔离式半桥栅极驱动器可用于许多应用，从要求高功率密度和效率的隔离式DC-DC电源模块，到高隔离电压和长期可靠性至关重要的太阳能逆变器等等，不一而足。本文将详细阐述这些设计理念，探索隔离式半桥栅极驱动器解决方案在提供高性能和小尺寸方面的卓越能力。

隔离式半桥驱动器的功能是驱动上桥臂和下桥臂N沟道MOSFET(或IGBT)的栅极，通过低输出阻抗降低导通损耗，同时通过快速开关时间降低开关损耗。上桥臂和下桥臂驱动器需要高度匹配的时序特性，以实现精确高效开关操作。这减少了半桥关断和开通之间的死区时间。实现隔离式半桥栅极驱动功能的典型方法是使用光耦合器进行隔离，后跟高压栅极驱动器IC，如图1所示。该电路的一个潜在问题是，仅有一个隔离输入通道，而且依赖高压驱动器来提供通道间所需的时序匹配以及应用所需的死区。另一问题是，高压栅极驱动器并无电流隔离，而是依赖结隔离来分离同一IC中的上桥臂驱动电压和下桥臂驱动电压。在下桥臂开关事件中，电路中的寄生电感可能导致输出电压VS降至地电压以下。发生这种情况时，上桥臂驱动器可能发生闩锁，并永久性损坏。

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<strong>应用</strong>

* MOSFET/IGBT栅极驱动器
* 光伏逆变器
* 电机驱动
* 电源

<strong>概述</strong>

ADuM4135是一款单通道栅极驱动器，专门针对驱动绝缘栅双极性晶体管(IGBT)进行了优化。ADI公司的iCoupler®技术在输入信号与输出栅极驱动器之间实现隔离。

ADuM4135提供米勒箝位，以便栅极电压低于2 V时实现稳健的IGBT单轨电源关断。输出侧可以由单电源或双电源供电，是否使能米勒箝位功能也可以进行配置。ADI公司芯片级变压器还提供芯片高压侧与低压侧之间的控制信息隔离通信。芯片状态信息可从专用的管脚读取。当器件副边出现故障时，可以在原边对复位操作进行控制。去饱和检测电路集成在ADuM4135上，提供高压下IGBT的短路工作保护。去饱和保护包含降低噪声干扰的功能，比如在开关动作之后提供300 ns的屏蔽时间，用来屏蔽初始导通时产生的电压尖峰。内部500 µA电流源有助于降低整体器件数量，但如需提高抗噪水平，内部消隐开关也支持使用外部电流源。

副边UVLO设置为IGBT通用的11 V阈值水平。

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ADuM4135是一款单通道栅极驱动器，专门针对驱动IGBT进行了优化。 ADI的iCoupler® 技术支持在输入信号与输出栅极驱动器之间实现隔离。

ADuM4135提供米勒箝位，以便栅极电压低于2 V时实现稳健的IGBT单轨电源关断。可采用带有或不带有米勒箝位的单极性或双极性副电源工作。

ADI芯片级变压器还提供芯片高压域与低压域之间的控制信息隔离通信。 芯片状态信息可从专用输出回读。 当器件原边出现副电源故障后，对器件复位进行控制。

去饱和检测电路集成在ADuM4135上，提供高压短路IGBT工作保护。 去饱和保护包含降噪特性，比如因初始启动切换事件以屏蔽电压尖峰后，屏蔽时间为300 ns。 内部500 µA电流源可确保很少的器件数量，但如需提高抗噪水平，内部消隐开关也支持增加外部电流源。

<strong>应用</strong>

* MOSFET/IGBT栅极驱动器
* 光伏逆变器
* 电机驱动
* 电源

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