栅极驱动变压器与高低侧驱动器详细实现

一般的逆变器、开关电源、电机驱动等应用中都需要2个以上mosfet或者IGBT构成桥式连接，其中靠近电源端的（比如图中红色部分）通常被称为高压侧或上臂、靠近地端的通常被称为低压侧或下臂（比如图中蓝色部分），高低只是针对两者所处位置不同，电压值不一样来区分的。

如果用驱动单个mosfet的方法去驱动高压侧的功率管，当需要关断下臂的时候，那么基本上臂是无法导通的，所以上臂和下臂的驱动电压值是不一样的，上臂要略高于下臂。

传统的方法一般是多路电源驱动或者搭建自举升压电路。但是都存在器件过多，可靠性低的问题，而且器件多了以后在高频应用中分布参数、布线、电磁干扰都是问题。

就像我之前讨论了典型电源系统中的隔离要求和两种流行的栅极驱动器实现方法：栅极驱动变压器和高/低侧栅极驱动器，高边/低边驱动器。

例如 600V UCC27714，可以节省超过 50% 的 PCB 布局面积和更多的元件体积。

在这篇文章中，我将讨论这两种方法的实际实现的更多细节，包括它们的优缺点。

图 1 显示了用于半桥 MOSFET 配置的栅极驱动变压器的实际实现。半桥拓扑广泛用于电源转换器和电机驱动器中。这在很大程度上是因为半桥可通过总线电压，为脉宽调制(PWM)信号提供高效同步控制。然而，在控制器和功率器件之间通常需要使用栅极驱动器，以获得更短的开关时间并出于安全性和/或功能性目的提供隔离。对于总线电压高于功率开关的栅极到源极电压最大限值的系统，必须采用不同于系统总线的电压驱动栅极。

对于功率较高的系统而言，功率开关器件占了BOM成本的很大一部分，且N型器件的导通电阻一般比尺寸和成本都相同的P型器件更低1。此外，若在半桥配置的单个引脚上使用两个相同的开关，则围绕时序要求而展开的设计(比如非交叠和死区时间)便可得到简化。由于这些原因，半桥配置通常由两个N型器件组成，这两个器件可以是NPNBJT、NMOS器件或N型IGBT。为简便起见，本文中的半桥配置采用两个NMOS器件，每引脚使用一个器件；这一概念同样适用于IGBT。为了使用BJT器件，设计时必须考虑到恒定的基极电流。

为了在 MOSFET 上获得干净、稳定的栅极驱动信号，需要额外的组件，这些附加组件是：

· C B：用于防止栅极驱动变压器饱和的隔直电容。

· D 1，D 2：防止对称负电压偏压，节省栅极驱动损耗。

· Q 1 , Q 2 : 低压 P-MOS 或 PNP 晶体管，以提高栅极驱动关断性能。

· Z 1 , Z 2：齐纳二极管，有助于保护功率 MOSFET 的栅极/源极免受过压。

图 1：考虑寄生效应的栅极驱动变压器的实际实现

显然，额外的组件肯定会增加栅极驱动变压器设计的复杂性。漏感也会损害栅极驱动变压器的性能，包括降低峰值栅极驱动电流和较大的过冲（由漏感和 MOSFET 结电容引起）。实际上，增加峰值驱动电流需要增加磁芯尺寸和绕组线厚度以促进更高的驱动速度；然而，相应的影响将是更高的过冲，因为漏感存储了更高的能量。栅极驱动变压器的双线绕组有助于减少漏感；然而，代价是增加了初级到次级绕组的耦合漏电容 C IO。首先是限制共模瞬态抗扰度 (CMTI) 性能的主要寄生参数之一（有关解释，请参阅我的博客文章“ 48V 系统：有效且稳健地驱动功率 MOSFET ”）。综上所述，考虑到上述因素，确实很难做出更好的权衡。

图 2 显示了带数字隔离器的高侧和低侧栅极驱动器解决方案的实际实现。与我上一篇文章中的图 2b相比，我只添加了几个主要组件：R Boot和一个 5V LDO，用于在 10 至 20V 的 V Bias和需要 3 至 5V 的隔离器次级侧之间提供电源接口低电压/电源。

因为与栅极驱动变压器相比，没有与变压器漏感相关的问题，您可以在栅极驱动电流、过冲、CMTI 等之间实现更好的权衡。

图 2：高边和低边栅极驱动器的实际实现

表 1 比较了这两种方法。从辅助元件更少、寄生电感/C IO小、过冲和 PCB 尺寸更小以及灵活的峰值栅极驱动电流的角度来看，高/低侧栅极驱动器确实“胜出” 。关于隔离偏置电源，正如我之前提到的，高端/低端栅极驱动器可以利用现有的离线隔离电源子系统。

表 1：栅极驱动变压器与高端/低端栅极驱动器的比较