高功率电源中需要怎样的隔离驱动?-先进光半导体

　　在电源与充电桩等高功率应用中，通常需要专用驱动器来驱动最后一级的功率晶体管。这是因为大多数微控制器输出并没有针对功率晶体管的驱动进行优化，如足够的驱动电流和驱动保护功能等，而且直接用微控制器来驱动，会导致功耗过大等弊端。

　　首先，在功率晶体管开关过程中，栅极电容充放电会在输出端产生较高的电压与电流，高电压与高电流同时存在时，会造成相当大的开关损耗，降低电源效率。因此，在控制器和晶体管之间引入驱动器，可以有效放大控制器的驱动信号，从而更快地对功率管栅极电容进行充放电，来缩短功率管在栅极的上电时间，降低晶体管损耗，提高开关效率。其次，更大的电流可以提高开关频率，开关频率提高以后，可以使用更小的磁性器件，以降低成本，减小产品体积。

　　为什么要用隔离驱动？

　　给功率管增加驱动的方式有两种，一种是非隔离驱动，一种是隔离驱动。传统电路里面经常见到非隔离驱动，在高压应用中一般采用半桥非隔离驱动，该驱动有高低两个通道，低侧是一个简单的缓冲器，通常与控制输入有相同的接地点；高侧则除了缓冲器，还包含高电压电平转换器。

　　非隔离驱动有很多局限性。首先，非隔离驱动模块整体都在同一硅片上，因此耐压无法超出硅工艺极限，大多数非隔离驱动器的工作电压都不超过700伏。其次，当高侧功率管关闭而低侧功率管打开时，由于寄生电感效应，两管之间的电压可能会出现负压，而非隔离驱动耐负压能力较弱，所以如果采用非隔离驱动，应特别注意两管间电路设计。第三，非隔离驱动中需要用到高电压电平转换器，高电平转换到低电平时会带来噪声，为了滤除这些噪声，电平转换器中通常加入滤波器，这会增加传播延迟，而低侧驱动器就需要额外增加传输延迟，以匹配高侧驱动器，这就既增加了成本，又使得延迟很长。第四，非隔离驱动与控制芯片共地，不够灵活，无法满足现在许多复杂的拓扑电路要求，例如在三相PFC三电平拓扑中，要求多个输出能够转换至控制公共端电平以上或以下，所以这种场景无法使用非隔离驱动。

　　相比非隔离驱动，隔离驱动就有很多优势，这里以数字隔离驱动来做说明。在数字隔离驱动器内部，有两块或更多的硅片，硅片之间通过绝缘材料隔离，而控制信号通过电容型或电磁型方式穿过隔离层来传递，从而让输入与输出处于不同硅片上，这种隔离方式能绕过硅工艺极限，可以满足高耐压需求，隔离驱动可以承受10kV以上的浪涌电压。此外，两个输出驱动之间，也有绝缘材料建构的隔离带，所以与非隔离驱动要求与控制信号共地不同，隔离输出接地点选择更灵活，可以匹配不同电路拓扑需要。

　　光耦隔离是传统的隔离方式，但与数字隔离相比，光耦隔离在性能和面积上都不占优势。

　　首先，光耦隔离方案传输延迟较大，通常在百纳秒以上。在光耦隔离方案中，LED将栅极驱动信号转换为光信号，再通过光电二极管等光敏电路转换为待测电信号，根据结构设计的不同，常见的光耦传播延迟在几百纳秒甚至微秒级。高速光耦通过优化内部寄生参数、增加LED驱动强度等设计，可在几十纳秒时间内接通和断开，但成本会上升很多。

　　常规光耦方案的传播延迟甚至不如非隔离驱动。在半桥非隔离驱动中，因为增加添加了速度较慢的高电压电平转换器，以及去毛刺和滤波电路，常见延迟时间可达到100纳秒，因为低侧要与高侧匹配，所以要在低侧添加一个单独的延迟时钟，整个系统传播延迟在100纳秒左右。

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