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。