隔離式閘極驅動器的重要特性

作者 : ADI 現場應用工程師 Thomas Brand

在功率電子(例如驅動技術)中,IGBT經常用作高電壓和高電流切換開關。這些功率電晶體由電壓控制,其主要損耗產生於開關期間。為了最大程度減小切換開關損耗,要求具備較短的開關時間。然而,快速切換開關同時隱含著高壓瞬變的危險,這可能會影響、甚至損壞處理器邏輯。因此,為IGBT提供合適閘極訊號的閘極驅動器,並同時執行提供短路保護且影響開關速度的功能。然而,在選擇柵極驅動器時,某些特性至關重要。

圖1.隔離式閘極驅動器ADuM4135的簡化原理圖。

電流驅動能力

在切換開關期間,電晶體會處於同時施加了高電壓和高電流的狀態。根據歐姆定律,這將導致一定的損耗,具體則取決於這些狀態之持續時間(請參見圖2)。目標是要最大程度地減小這些時間段。此處的主要影響因素是電晶體的閘極電容,為實現開關必須對其進行充電/放電。較高的瞬態電流會加速此過程。

圖2.電晶體各個損耗分量的簡化表示。

因此,能夠在更長時間內提供更高閘極電流的驅動器,對開關損耗更能發揮積極的作用。例如,ADI 的 ADuM4135 可以提供高達4 A的電流。根據IGBT的不同,這可能會使切換開關時間處於很小的幾ns範圍內。

時序

切換開關時間最小化的決定性因素是輸出上升時間(tR)、下降時間(tF)和傳播延遲(tD)。傳播延遲定義為輸入緣到達輸出所需的時間,並取決於驅動器輸出電流和輸出負載。傳播延遲通常伴隨脈衝寬度失真(PWD),其為上升緣時延和下降緣時延之間的差值。:

238329-eq-01

因為驅動器通常具有多個輸出通道,儘管採用相同的輸入驅動,但仍會具有不同的回應時間,因此會產生小的附加偏置,即傳播延遲偏斜(tSKEW)。

圖3.具有多個輸出的閘極驅動器的時序行為。

圖4.具有多個輸出的閘極驅動器的簡單原理圖。

隔離耐受電壓

在電力電子中,出於功能和安全考慮需要進行隔離。由於採用了閘極驅動器(例如在驅動技術中採用半橋拓撲形式),因此會與高匯流排電壓和電流接觸,隔離不可避免。功能方面的原因是功率級的驅動通常發生在低壓電路中,因此無法驅動半橋拓撲的高端開關,因為低端開關同時打開時,它的電位較高。同時,隔離代表在發生故障時高壓部分與控制電路的可靠隔離,因此可以進行人為接觸。隔離式柵極驅動器的介電強度通常為5kV(rms)/min或更高。

抗擾度

惡劣的工業環境要求應用對干擾源具有最佳抗擾度或抗干擾性。例如,RF雜訊、共模瞬變和干擾磁場是關鍵性因素,因為它們可以耦合到閘極驅動器中,並且會激勵功率級,使其在不希望的時間內進行開關。隔離式柵極驅動器的共模瞬變抗擾度(CMTI)定義了抑制輸入和輸出之間共模瞬變的能力。例如,ADuM4121 具有出色的大於150 kV/μs的規格值。

本文提到的參數僅代表柵極驅動器規格的一部分,並不代表完整列表。其他決定性因素包括工作電壓、電源電壓、溫度範圍以及附加的整合功能(如米勒箝位和去飽和保護)。因此,可根據應用需求選擇大量不同的閘極驅動器。

Author

Thomas Brand

Thomas Brand

Thomas Brand began his career at Analog Devices in Munich in 2015 as part of his master's thesis. After graduating he was part of a trainee program at Analog Devices. In 2017, he became a field application engineer. Thomas supports large industrial customers in Central Europe and also specializes in the field of industrial Ethernet. He studied electrical engineering at the University of Cooperative Education in Mosbach before completing his postgraduate studies in international sales with a master's degree at the University of Applied Sciences in Constance.