栅极驱动变压器与高低侧驱动器：电源设计的方向是什么？

在典型的闭环电力电子系统中，栅极驱动器是控制系统（通常为 12V 等低压）和主功率级（通常为 400V DC等高压）之间的关键接口。栅极驱动器的目的是以干净、稳健和及时的方式将输入低压控制脉冲信号转换到功率晶体管（MOSFET、IGBT）。

在本文中，我将介绍两种驱动高压晶体管的方法：栅极驱动变压器和高压驱动 IC，并说明每种方法的优缺点。

定义栅极驱动器性能的关键规格是：

· 静态特性：功能电压（V CC/DD，自举函数）、峰值源/灌电流和 UVLO。

· 动态特性：传播延迟、延迟匹配、脉宽失真、共模瞬态抗扰度 (dv/dt) 和上升/下降时间。

我们还需要考虑安全标准和合规性——保护操作人员免受高于 42.4V pk AC 或 60V DC的危险电压/电流的影响。例如，在手机充电器中，低压直流输出与通用交流输入（85~265V AC）绝缘，在这种情况下，需要双重或加强绝缘，以消除对接地金属外壳和接地电源插头的需求。表 1 显示了 II 类过电压高达 300V 的主电路中固体绝缘的测试电压要求（IEC 61010-1 ed. 3.0）。

表 1：过电压类别 II 主电路中固体绝缘的试验电压

图 1 是一个简化的电路图，控制器位于次级侧（次级侧控制）。主功率级绝缘基于传统的电源变压器。我们可以使用两种主要类型的栅极驱动器来传输栅极驱动信号，并在次级侧和初级侧栅极驱动器中的反馈控制之间进行绝缘：

· 通过磁耦合实现绝缘的栅极驱动变压器（见图 2[a]）。

· 具有信号隔离器接口的高侧和低侧栅极驱动器（参见图 2[b]）。信号隔离器接口可以是光耦合器（光耦合）或数字隔离器（磁耦合或电容耦合）。

图 1：具有次级侧控制的简化电路图

栅极驱动变压器可以提供逻辑栅极驱动信号和所需的栅极驱动器所需的峰值电流/功率能力。

高侧和低侧栅极驱动器使用信号隔离器接口来提供所需的绝缘，并使用栅极驱动器 IC 来提供足够的栅极驱动功率/电流能力。

图 2：简化电路图 (a) 栅极驱动变压器 (b) 高端和低端驱动器 + 隔离器

表 2 列出了每个实施所需的关键组件。栅极驱动变压器使用UCC27324作为具有两通道 I pk =±4A 能力的低侧驱动器来驱动来自 Coilcraft 的栅极驱动变压器和具有增强绝缘的 GA3550。高侧和低侧栅极驱动器加隔离器使用ISO7520C双通道数字隔离器提供增强型隔离，UCC27714作为高侧和低侧栅极驱动器，Vishay MURS360 作为自举二极管。

UCC2732x 和 UCC3732x 系列高速双 MOSFET 驱动器提供 4A 拉电流和 4A 灌峰值电流，可有效驱动米勒高原地区最需要的 MOSFET。独特的 BiPolar 和 MOSFET 混合输出级并联还允许在低电源电压下进行有效的电流源和吸收。提供三种标准逻辑选项——双反相、双同相驱动器以及单反相和单同相驱动器。输入阈值基于 TTL 和 CMOS，独立于电源电压，具有宽输入迟滞，可提供出色的抗噪能力。UCC2732x 和 UCC3732x 系列采用标准 SOIC-8 (D) 或 PDIP-8 (P) 封装以及耐热增强型 -8 引脚 PowerPAD MSOP 封装 (DGN)，可大幅降低热阻以提高长期可靠性。

UCC27714 是一款 600V 高侧/低侧栅极驱动器，具有 4A 拉/灌电流能力，专用于驱动功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。 该器件包含一个接地基准通道 (LO) 和一个悬空通道 (HO)，后者专用于自举电源操作。 该器件具有出色的稳定性和抗扰度，能够在 HS 引脚上的负电压高达 –8VDC 的条件下（VDD = 12V 时）维持逻辑正常运行。

看一下表 2 中所需的总 PCB 最小面积：Type II（高侧和低侧驱动器加上隔离器）仅占用 215mm 2 ，将比 Type I 节省超过 50% 的 PCB 空间。而且体积考虑到增强绝缘栅极驱动变压器的笨拙高度，节省的费用将更为显着。

此外，此计算仅计算主要组件。在考虑信号调理电路时，Type II 比 Type I 的节省会增加。