栅极驱动器在太阳能收集设计中的应用

 虽然数字逻辑电路在太阳能收集设计中提供关键的监控和控制功能，但功率晶体管为电力输送提供了基础。在这些数字和电源域之间，栅极驱动器提供关键接口功能，在太阳能解决方案中驱动高功率MOSFET和IGBT。设计人员可以使用ADI公司，飞兆半导体公司，凌力尔特公司，德州仪器公司等公司的栅极驱动器实现高效的全桥和半桥功率级。

通常由低功耗数字电路驱动，栅极驱动器产生驱动高功率MOSFET和IGBT所需的高电流。同样重要的是，栅极驱动器可以响应来自数字控制逻辑的高频开关信号，并为功率晶体管提供相应的高速，高电流驱动。在此过程中，栅极驱动器屏蔽低功耗数字控制电路，使其免受大型高速开关电流的影响，这些电流很容易降低数字电路的性能。

工程师可以选择支持栅极驱动配置的IC，从全桥到半桥，同时具有非隔离和隔离选项。例如，德州仪器(TI)SM72295提供四个独立的栅极驱动器，能够以全桥配置为四个分立的N型MOSFET提供3 A的峰值电流(图1)。

图1：德州仪器(TI)SM72295集成了以全桥配置驱动四个外部N型MOSFET所需的功能(由德州仪器公司提供)。

SM72295适用于太阳能光伏应用，包括一对电流检测放大器，可通过外部电阻实现可编程增益。该器件还提供电流检测放大器的缓冲输出，用于ADC，用于需要更复杂电源管理功能的设计。工程师可以通过将SM72295与TI SM72442相结合来创建完整的光伏电源，TI SM72442是一个可编程控制器，提供四个PWM驱动信号来控制SM72295。

除了TI SM72295等专用全桥设备外，工程师还可以选择在一个器件上组合一对栅极驱动器的半桥栅极驱动器，以改善时序匹配。 TI SM72482通过一对输出驱动器级扩展了这一概念，这些驱动器级(每个)组合MOS和双极晶体管以实现高输出驱动特性，同时减少由于电压和温度变化引起的输出电流变化(图2)。

图2：德州仪器(TI)SM72482支持半桥配置，其中一对驱动器级结合了MOS和双极晶体管(德州仪器公司提供)。

飞兆半导体FAN7384，德州仪器LM5102和凌力尔特公司LT1160/1162等器件适用于采用PWM控制驱动半桥输出级的设计(图3)。 FAN7384和LM5102均具有电平转换功能，允许浮动高侧驱动器在更高电压下工作，并且均具有可编程定时控制功能，以确保周期之间有足够的死区时间。飞兆半导体FAN7384允许工程师编程开启延迟，而TI LM5102允许独立编程高和低上升沿延迟。

图3：凌力尔特公司LT1160/2等半桥栅极驱动器旨在支持基于PWM的功率级，用于各种应用，包括能量收集(由Linear Technology提供)。

Linear LT1160/2采用内部逻辑，可防止输入同时导通功率MOSFET。 Linear LT1336增强了LT1160/2的功能，支持使用内部升压稳压器进行直流操作。使用升压功能仅需要一个电阻，小电感(200μH)，二极管和电容，但可将高电压电压从最高60 V(非升压模式下的LT1160/2和LT1136)降低至40 V.最大电压的降低源于需要避免达到内部NPN开关的击穿电压。

太阳能逆变器等应用需要高隔离电压和长期可靠性。因此，这些应用通常依赖于隔离的半桥栅极驱动器来确保隔离和性能。在典型的半桥驱动器中，光耦合器或数字隔离器为栅极驱动器提供隔离，驱动高侧和低侧功率晶体管的栅极具有相反极性的信号(图4)。

图4：为了隔离高压太阳能应用，工程师可以选择单输入(a)或双输入(b)栅极驱动器(由Analog Devices提供)。

在这些应用中，栅极驱动器需要结合高速开关性能，以降低开关损耗和低输出阻抗特性，从而降低传导损耗。此外，栅极驱动器需要紧密匹配的时序特性，以便在两个开关交替接通时最小化死区时间。

使用单个隔离输入(图4a)意味着时序匹配和死区时间性能取决于高压电路本身。在这种配置中，高压电路不提供电流隔离，而是仅依靠晶体管的结隔离来将高侧与低侧驱动电压分开。对高侧和低侧驱动器使用单独的隔离输入通道可确保输出之间的电流隔离(图4b)。

制造商可以将隔离和栅极驱动器电路结合在同一个封装中，通常在单个芯片上提供两个独立的通道，以提供改进的匹配特性(图5)。 ADI公司采用这种方法在其ADuM1233和ADuM1234中提供独立且隔离的高端和低端输出，这些隔离式半桥器件提供0.1 A输出，具有TTL(ADuM1233)或CMOS(ADuM1234)输入。

这些器件基于ADI公司专有的iCoupler技术，该技术使用在同一芯片上制造的单片微变压器，与光耦合器方法相比，有助于改善时序和可靠性。这些器件支持高达700 V的高低侧差分电压，并具有从输入到输出以及输出之间超过75 kV/μs的共模瞬态抗扰度。 ADI公司的相关器件ADuM7234提供高达4 A的更高输出电流，具有350 V差分电压能力和》 25 kV/μs共模瞬变抗扰度。

图5：制造商将两组隔离和栅极驱动器组合在一起，提供隔离式半桥解决方案，如ADI公司ADuM1233/4(由Analog Devices提供) 。

结论

栅极驱动器提供了实现电源传输阶段有效数字控制所需的关键接口。这些器件采用全桥和半桥配置，不仅可提供驱动MOSFET和IGBT所需的高电流和快速开关功能，还可保护敏感数字电路免受高速开关电流的影响。利用可用的栅极驱动器IC，工程师可以轻松创建能量收集设计所需的高效功率级。