隔离式栅极驱动器输入级对电机驱动应用的影响

1.前言

在为电机驱动应用中的功率级选择隔离式栅极驱动器时，您有多种选择。栅极驱动器可以简单也可以复杂，具有集成米勒钳位、分离输出或绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 发射极的欠压 (UVLO) 锁定参考等功能。

输入级有两种选择：电压输入级或电流输入级。在本文中，我将介绍两种输入级选项，并提供一些在为您的应用选择带有输入级的栅极驱动器时应考虑的细节。

2.电压输入级

电压输入器件将互补金属氧化物半导体脉宽调制 (PWM) 信号直接接收到低压侧或初级侧的栅极驱动器中。图 1 显示了典型电压输入隔离式栅极驱动器的示例。输入引脚 IN+ 和 IN- 可通过大多数微控制器 (MCU) 提供的逻辑电平控制信号轻松驱动。尽管 IN+ 和 IN- 位于初级侧，但电压栅极驱动器只需要其中一个输入来接收信号即可工作。同时拥有 IN+ 和 IN- 允许您将 PWM 输入信号配置为反相或同相。

如果您需要更高的抗噪能力，您可以实现互补或反相逻辑 PWM 输入。如果您只为应用选择一个单输入引脚，您可以使用另一个引脚来启用或禁用功能.

图 1：具有电压输入级的单通道隔离式栅极驱动器

3.电流输入级

电流输入设备使用电流信号进入初级侧的栅极驱动器。图 2 显示了典型电流输入隔离式栅极驱动器的示例。这些设备也称为光电兼容设备，以匹配传统光耦合器。在传统光耦合器中，当您希望栅极驱动器开启时，电流信号会驱动器件内部的 LED 点亮。LED 发出的光被光电探测器接收。LED 和光电检测器在光耦合器内物理分离，从而在栅极驱动器的初级侧和次级侧形成电流隔离。

TI 驱动器使用仿真二极管 (e-diode)，有助于提高栅极驱动器使用寿命内的可靠性。TI 的光兼容栅极驱动器器件使用电容隔离与电子二极管配对，以实现引脚对引脚解决方案，该解决方案是对基于光的栅极驱动器的直接升级。电子二极管输入级不易受到会缩短光耦合器栅极驱动器寿命的影响，例如高温导致的退化或输入正向电流的压力，这两者都会降低 LED 的亮度。带有电子二极管的 TI 光电兼容解决方案有助于延长电机驱动应用中的系统寿命并在更宽的环境温度范围内运行。您可以在技术文章“更换老化的光耦合器栅极驱动器”中了解有关此主题的更多信息。

图 2：具有电流（光兼容）输入级的单通道隔离式栅极驱动器

电压和电流输入栅极驱动器之间存在系统级差异。基于电压的解决方案需要更少的外部组件，因此具有更小的总解决方案尺寸。MCU 可以直接驱动基于电压的驱动器，而基于电流的驱动器需要一个外部缓冲器来将来自 MCU 的电压信号转换为馈入栅极驱动器的电流。

图 3 比较了电压输入和电流输入栅极驱动器，以及驱动 IGBT 所需的外部组件。许多设计人员传统上使用电流输入设备来帮助提高栅极驱动器的抗噪能力。与电压信号相比，电流信号在较长距离内不易受到诸如电磁干扰之类的噪声的影响。向 IN+ 和 IN- 添加低通滤波器还有助于提高栅极驱动器的抗噪能力并保持信号完整性。

图 3：比较电压输入和电流输入栅极驱动器

互锁有助于防止电机驱动功率级中的直通，保护高侧和低侧配置中的电源开关。通过将高端驱动器的阳极连接到低端驱动器的阴极，可以实现与电流输入级栅极驱动器的互锁，反之亦然。对于单输入的电压输入级栅极驱动器，可以与外部逻辑元件实现互锁，或者如果栅极驱动器支持两者，则将高端驱动器的IN+连接到低端驱动器的IN-（反之亦然）输入+和输入-。图 4 显示了一个典型的带有电流输入栅极驱动器的互锁示例。

图 4：具有电流输入栅极驱动器的互锁示例