CMOS隔离栅极驱动器(ISOdrivers)强化供电系统

CMOS隔离栅极驱动器(ISOdrivers)强化供电系统

 作者:Rudye McGlothlin,Silicon Labs电源产品营销总监

完全集成的隔离栅极驱动器相比传统解决方案能够显著提升开关模式供电系统的效率、性能和可靠性。

 

 

内容

  • 简介

  • 隔离电源转换器详解

  • 栅极驱动器解决方案选项

  • 最优隔离栅极驱动器解决方案

  • 最大化系统效率

  • 双ISOdriver

  • 总结

 


简介

绿色标准为电源设计者交付更为节能、经济、小型且更具稳定性的电源系统带来了挑战。直流-交流电源和隔离直流-直流电源中的一个重要环节便是隔离栅极驱动器。这些趋势推动了对更高电源效率和更深入的隔离设备集成的需求。

基于光耦合器的解决方案和栅极驱动变压器多年来一直是开关模式电源(SMPS)系统的主体,然而,基于RF技术与主流CMOS的、完全集成的隔离栅极驱动器产品可提供更可靠、小型、节能的解决方案。

传统光电耦合器和栅极驱动变压器正在迅速被完全集成的、基于CMOS的隔离栅极驱动器所取代,因其可提供更小型、更节能且更具稳定性的产品包。

隔离电源转换器详解

隔离电源转换器需要功率级和信号隔离,以符合安全标准。图1显示了典型的直流-交流500 W至5 kW电源系统转换器(例如用于高效数据中心电源)示例。

从高层次来看,这种两级系统具有功率因数校正(PFC)电路,可强制电力系统交流线路电流消耗为正弦且与交流线路电压同相;因此对线路显示为用于更大输入功率效率的纯电阻负载。

1:基于全桥拓扑结构的交流 / 直流转换器

图1中的高侧开关驱动器输入被引用到主侧接地,并且其输出被引用到高侧MOSFET的源引脚。高侧驱动器必须能够承受高侧驱动器中存在于源引脚的400 VDC共模电压,传统上,由高电压驱动器(HVIC)满足该需要。

相应的低侧驱动器从低电压电源(例如18 V)进行操作,并引用至主侧接地。在桥的低侧脚处,两个交流电流传感器监视各脚的电流,以在使用电压模式控制时促进磁通平衡。

提供隔离屏障,以确保主侧和次侧接地之间没有电流流过;因此,同步MOSFET Q5和Q6的驱动器必须被隔离。

出于相同原因,次侧反馈路径也必须被隔离。

栅极驱动器解决方案选项

光电耦合器

虽然光电耦合器经常被用于反馈隔离,但其传播时延性能不够快,不能实现同步MOSFET栅极驱动隔离电路的全部益处。

可以使用更快时延规格的光电耦合器,但往往较为昂贵,且仍显示出在成本较低的光电耦合器中所发现的一些相同的性能和可靠性问题。这包括由具有高内部耦合电容的单端体系结构引起的在过温、老化时的不稳定操作特性和高的共模瞬态电流(CMTI)。此外,光电耦合器中常见的基于砷化镓的工艺技术带来了一种内在的耗损机制(“光输出”或LOP),导致LED随着时间会有光衰。

栅极驱动变压器

考虑到以上因素,栅极驱动变压器成为一种更受欢迎的提供隔离栅极驱动的方法。栅极驱动变压器是一种优于光电耦合器的微型环形变压器,具有更短的时延。

它比光电耦合器快,但不能传播直流电平或低频率交流信号。

它仅能使有限电压-时间产品跨越隔离边界,从而限制开启时间(tON)和占空比范围。

同时,在每个开启周期之后,必须将这些变压器复位,以防止内核饱和,因此需要外部电路。最后,基于变压器的设计较为低效,具有较高的EMI,并占据过多的电路板空间。

最优隔离栅极驱动器解决方案

基于CMOS的隔离栅极驱动器

幸运的是,现在已有相对栅极驱动变压器和光电耦合器更好的备选方案。基于CMOS的隔离技术的进步使得可提供卓越性能、电源效率、集成和可靠性的隔离栅极驱动解决方案成为可能。

例如Silicon Labs的Si823x ISOdriver隔离栅极驱动器产品系列结合了隔离技术与栅极驱动电路,可为MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的应用提供集成、低延时的隔离驱动器解决方案。

ISOdriver隔离栅极驱动器解决方案

Si823x ISOdriver产品具有三种基本配置(参见图2),如下:

1)每个输出均有单独控制输入的高侧和低侧隔离驱动器;

2)具有单PWM输入的高侧和低侧隔离驱动器;

3)双隔离驱动器。

Si823x ISOdriver产品系列支持0.5 A和4.0 A的峰值输出驱动器选项,并具有1 kV、2.5 kV和5 kV的额定隔离。高侧/低侧版本具有内置的重叠保护和可调节的死区时间发生器(双ISOdriver版本不包含重叠保护或死区时间发生器)。因此,双ISOdriver可作为双低侧、双高侧或高侧/低侧隔离驱动器使用。

这些芯片具有三个独立晶片(参见图 3),可使每个驱动器通道均与其他通道以及输入侧隔离。这将允许高侧和低侧通道的极性反转,且不出现闩锁或其他损害。

2ISOdriver产品系列

例如,高侧驱动器(GNDA)可能在100 V共模电压上运行,而相邻驱动器(GNDB)可能在200 V共模电压上运行。这两种共模电压可以在不造成损害或扰乱驱动器的情况下反转(即GNDA=200 V,GNDB=100 V)。该功能使得ISOdriver在具有快速变换共模电压的系统中,或当输入为双极电源时十分有用。

3:解封装的三晶片ISOdriver

最大化系统效率

高侧/低侧驱动应用中的开关模式必须是“先断后合”,以避免两个MOSFET同时开启引起的效率损失(即“直通电流”)。其中,开关跃迁之间两个开关都关断的这段时间被称为“死区时间”(图4)。

 

4:死区时间

虽然最佳长度的死区时间可提高系统效率,但死区时间过长也会降低效率。如图4所示,当Q2开启时,功耗仅为0.5 W,但当体二极管导通而Q2关断时则增加到7 W。因此,加入到电路时序的死区时间长度必须刚好足够大到防止直通电流。

4显示,当Q2开启时,功耗仅为0.5W,但Q2关断时则增加到7 W

关断=死区时间。微调失效时间是节能设计的关键。

高侧/低侧Si823x ISOdriver具有集成的死区时间发生器,可通过外部电阻从0.4 ns调整至2μs,以允许用户优化死区时间。

5ISOdriver死区时间行为

高侧/低侧Si823x ISOdriver也包含重叠保护,可使输出VOA和VOB在VIA和VIB同时变高时无条件变低,如上图所示。

ISOdriver

死区时间优化可将效率最多提升4%,通过平行布置MOSFET或提升栅极驱动器强度至单个更大的MOSFET还可获得额外的效率提升。

在这两种情况下,双ISOdriver均有助于提供额外的驱动能力。这是双ISOdriver产品系列的另一个优势,因为每个ISOdriver都具有无限制的内置的重叠保护或死区时间设置。

只要向设备供电,每个驱动器输出的状态将无条件跟随其输入。两个驱动器的输出电路彼此隔离且与输入隔离,允许一个驱动器的共模电压相对于另一个进行极性逆转,而不造成损伤(即闩锁)或输出错误。

图6显示了共模电压反转,其中两个驱动器的极性反转而没有引起损坏或扰乱,这对双极性输入电源系统可能有所帮助。

6: 共模电压反转

在很多电源应用中(如UPS系统和逆变器),开关必须与系统提供额定功率时保持高效率并行设计。这些开关的组合电容性负载要求峰值电流更高的驱动器,或者在多个栅极驱动器集成电路中分配开关这种不太理想的方法。

图7中的电路显示,每个Si823x 双ISOdriver输出并行驱动几个共同接地开关。当以这种方式连接时,双ISOdriver可以提供8 A的等效峰值驱动电流,而60 ns的最大传播延迟时间可确保所有开关同时被关断和开启。

7:增大的峰值输出电流的并行输出

高压系统中(如工业电动机控制)的电源电路具有分离接地系统,以将高低电压隔离。很多情况下,通过为每个稳压器使用专用控制器来构建本地电源稳压器。在其他情况下,稳压器可以使用变压器耦合多输出设计,利用反激式或其他变压器耦合拓扑结构。

图8显示了使用双ISOdriver Si8232/5/6的双输出隔离降压稳压器。单个双回路控制器与ISOdriver共同使用,以产生两个降压输出电压。ISOdriver作为隔离双高侧驱动器运行,每个输出与相邻输出和主侧均隔离。

8使用Si8232/5/6ISOdriver的双隔离降压稳压器

虽然这种电路使用低成本肖特基续流二极管,但是还可加入另一个双ISOdriver,以控制输出同步整流器,从而获得更高的效率。

总结

以Silicon Labs的ISOdriver产品系列为代表的基于CMOS的隔离栅极驱动技术,相比传统隔离技术,如光电耦合器和栅极驱动变压器,可提供显著的性能、可靠性、集成和每通道成本优势。

Si823x ISOdriver是单芯片隔离栅极驱动器,具有超快的60 ns最大传播时延,以增加时序余量。它还提供可编程死区时间控制,以获得更高的系统效率、随温度和时间的稳定运行、更低的BOM成本和更小的PCB占板面积。

ISOdriver产品系列设计可提供业界领先的性能、高集成度和卓越的价值,并可为广泛的电力传输系统提供最佳隔离栅极驱动解决方案。

ISOdriver产品最大可隔离5 kV,非常适合于要求较高最大持续工作电压的注重安全的应用。ISOdriver支持最高24 V输出电源和0.5 A或4.0 A峰值输出电流,可以高效率地驱动用于高性能的隔离开关电源中的MOSFET和IGBT。