栅极驱动变压器和全集成隔离器在隔离直流/直流电源转换器中的应用对比

所有的隔离直流/直流电源转换器都包括输入滤波器、输出滤波器、变压器、初级开关、次级整流和一个控制器。控制器既可以参考初级地，也可以参考次级地。图1 显示了一种隔离半桥电源转换器，其控制器以初级边地作为参考地。隔离边界上总共有4个交叉点：电源变压器、反馈信号，还有2个同步整流MOSFET控制信号。因为反馈信号是相对较慢的模拟信号，通常使用一个光耦来进行隔离反馈信号。大多数光耦在用于同步MOSFET栅极驱动隔离时都太慢。现在也有适用的快速光耦，不过这会导致成本大幅提高。



过去，大多数常规方案使用栅极驱动变压器隔离同步整流栅极驱动信号。这些变压器可用于直接驱动MOSFET栅极，或者仅仅隔离次级栅极驱动集成电路的控制信号。变压器不能传输直流信号。确定尺寸的变压器只能通过隔离边界传输有限的电压和时间乘积。每次导通后变压器都需要重新启动，这影响了占空比限制。栅极驱动变压器也存在一些难题和限制。一些生产商最近已开始提供全集成器件替代传统的栅极驱动变压器。

图2显示了最基本的变压器隔离栅极驱动。输入通过一个隔直电容耦合。一个10V、50%占空比的驱动信号通过隔直电容后变成一个5V 直流偏置信号。偏置电压为：V(驱动)×占空比这个例子中最终次级侧驱动信号振幅从+5V 到-5V。负截止区具有良好的噪声抗扰性能，但是半峰值导通区又会减小噪声抗扰性。对于占空比大于50%的情况，这个设计不实用，峰值幅度随着占空比的增加而不断减小。



对占空比变化很快的应用必须保持谨慎，如瞬态响应会导致工作紊乱或损坏器件。当偏置通过耦合电容后改变(由于占空比的改变)时，电容可能由于变压器励磁电感导致产生振荡。这种振荡会在计划外的时间间隔中打开MOSFET。大电容值、栅极电阻或者降低占空比变化速度对减少振荡都有帮助。但是选择太大的电容会导致变压器在瞬态期间饱和。

图3显示了另外一种变压器隔离栅极驱动，这种驱动通常称为直流恢复型栅极驱动。二极管和次级侧电容恢复了栅极驱动的直流电压，可用于更大的占空比情况。这个电路和基本型电路同样存在振荡和可能的变压器瞬态问题。这个电路在断开期间还存在其他危险[1]。在断开期间，初级电容无限期直接接在初级线圈两边。初级磁化电流不断加强，使变压器饱和。当变压器饱和后，变压器次级变成短路，允许次级电容打开 MOSFET，这可能损坏电源转换器。小容量耦合电容有助于减少这一影响。软停止控制器也可提供帮助，这种控制器能够逐渐减小而不是突然停止占空比[2]。



一般而言，通过谨慎的设计和评估，变压器隔离栅极驱动在50%或更低占空比下都呈现相当出色的性能。对于图1所示的电源转换器应用，需要同步整流器提供足够高的占空比(远大于50%)。对于这种高占空比应用，变压器隔离需要直流恢复技术，这可能带来更多意想不到的困难，而且需要在设计和评估中非常谨慎。高性能隔离直流/直流电源转换器的设计人员通常会尽力提高效率并减小尺寸。而基于变压器的隔离栅极驱动相对较大，不仅仅需要变压器，还需要相关的复位器件。最近，部分厂家开始提供全集成隔离栅极驱动解决方案。这些解决方案采用了多种不同的隔离技术，包括微型变压器、射频调制电容耦合以及巨磁阻传感器。

目前已有一类应用广泛的隔离器件系列在使用微芯片级变压器来隔离穿过地隔离边界的数字信号[3]。对于每一次输入转换，在编码边沿时用两个脉冲表示一个上升沿，用一个脉冲表示一个下降沿。脉冲通过微变压器耦合，并在次级解码。初级侧会周期发送一个刷新脉冲检测直流正确性。次级侧有一个看门狗定时器用于检查刷新脉冲。

另一个系列的隔离器件采用高频射频调制来发送穿过地隔离边界的数字信号[4]。在初级侧，一个700MHz调制信号以键值"开"或"断"代表输入的"1"或"0"。次级侧接收器从初级侧发射器接收这个信号。解调器解码RF信号，通过RF信号的有无状态控制输出状态。生产商称RF开/关键控方案提供了同类最佳的抗干扰度，因为所需状态信息始终在以非常快的速度发送和接收。

还有另外一种方案采用了GMR(巨磁阻传感器)感应技术[5]。使用这种方法时，当初级侧输入为"1"，直流电流进入一个微型线圈和一个集中器，产生一个聚焦磁场。在次级侧有一个巨磁阻传感器纳米器件，它由采用超薄非导磁中间层的铁磁体合金制成。传感器按照惠斯通电桥配置排列。在磁场中，传感器阻抗改变，从而改变电桥的平衡。次级侧电路测量并调节电桥的输出。厂家宣称目前市场上所有高速数字隔离器件中，因为这种技术采用了巨磁阻传感器，因此拥有最低的EMC噪声特性。

所有这些新开发的全集成隔离器都非常实用。在通过隔离边界发送栅极驱动信息时，它们承诺比基于变压器的传统栅极驱动隔离器具有更好的可靠性，同时尺寸也更小。对于任何隔离方案，电源转换器应用都可能相当困难。另外一个必须谨慎对待的问题是dV/dt灵敏度。我们需要从一个地到另一个地快速转换电势，了解在瞬态中和瞬态后隔离器差分输出是否保持状态。

电磁灵敏度是另一个需要关心的问题。当遇到外部磁场时，隔离器必须保持在一个合适的状态中。许多新型器件的工作温度都限制在85℃以下，这个温度在某些电源转换器的应用中可能太低。大多数此类新技术都要求在器件的初级侧和次级侧分别提供一个独立的5V偏置。和传统的隔离变压器相比，这可能需要增加支持器件。这些新器件的输入通常针对TTL阈值进行配置，最高支持到5V。一些新型控制器(例如NS的LM5035C)提供0~5V的控制输出，以便直接兼容这种新型隔离器[6]。

最近还有许多颇有前景的隔离器技术问世。这些新隔离器技术的内部实际工作原理截然不同，包括隔离器采用的微变压器脉冲、RF键控和巨磁阻传感器也非常不同。因此在采用任何新技术前都必须进行认真的评估，电源变换器的总体性能必然取决于设计方案中最薄弱的器件。

参考文献：

　　[1]Ridley Ray.栅极驱动设计指南[J].欧洲电力系统设计，2006.1
　　[2]美国国家半导体LM5035A数据表[D]
　　[3]模拟器件应用注释AN-825.iCoupler隔离产品中的电源注意事项[R].
　　[4]芯科美国Si8420数据表[D]
　　[5]NVE公司.巨磁阻传感器的工作原理[R]
　　[6]美国国家半导体LM5035C数据表[D]

作者：Bob Bell　美国国家半导体   时间：2010-06-18