利用隔离式栅极驱动器ADuM3220驱动H电桥作者.PDFVIP

iCoupler®技术揭秘：利用隔离式栅极驱动器ADuM3220 驱动H 电桥 作者：Nik Ledoux ，应用工程师 H 电桥电路用于许多存在高压和其它电气风险的电源应用，如逆变器和电机驱动器等。为提供安全保护，设计人 员可以利用两个双通道隔离式栅极驱动器将控制电路与 H 电桥隔离开来，例如 ADuM1233 、ADuM1234 或 ADuM7234 。这些器件非常适合驱动H 电桥，因为其高端输出可以参考比隔离接地参考更高的电压，而且其高端 输出与低端输出彼此隔离。 图1 给出了一个采用ADuM7234 的隔离式H 电桥驱动器电路示例。控制高端MOSFET 的输出在VSS1/VSS2 与 VSS1+15V/VSS2+15V 之间切换，控制低端MOSFET 的输出在隔离地与+15V 之间切换。ADuM7234 提供 1 kV rms 隔离和4 A 峰值输出驱动电流，开关频率最高可达1 MHz，具体取决于负载。如果隔离器驱动轻负载，则为了防 止响铃振荡，四个MOSFET 的栅极可能需要串联电阻。 图1. 采用ADuM7234 的隔离式H 电桥驱动器 图2 给出了一种更紧凑的解决方案，它采用两个2.5 kV 、4 A 隔离式双通道栅极驱动器ADuM3220 ，提供2.5 kV rms 隔离和3.3 V 逻辑电平或更低的栅极驱动器电平。虽然ADuM3220 主要用于低端切换应用，但它也可以用作高端 栅极驱动器，即让一个ADuM3220 驱动高端MOSFET ，让另一个ADuM3220 驱动两个低端MOSFET 。注意，在 图2 中，两个高端N 沟道MOSFET 用两个P 沟道MOSFET 取代。一个ADuM3220 驱动P 沟道器件，另一个则驱 动N 沟道器件。图中还显示了栅极串联的可选阻尼电阻。 高端ADuM3220 将P 沟道MOSFET 的栅极从Vbridge 切换到Vbridge – 5.1 V 。5.1 V 齐纳二极管的阳极是高端 ADuM3220 的接地参考。该节点通过0.1 µF 和10 µF 电容旁路到隔离地。RBIAS 为齐纳二极管提供偏置电流，其 大小取决于高端ADuM3220 吸取的最大电流和Vbridge 的值。最大电流取决于应用的开关频率和P 沟道MOSFET 的大小。齐纳二极管应根据以下条件进行选择：一是所需的栅极驱动电压，二是它在ADuM3220 从Vbridge 吸取 较低的电流水平，导致流入RBIAS 的大部分电流也会流经二极管时的功耗。 下面举一个例子来说明如何选择RBIAS ，假设Vbridge = 24 V 、5 V 栅极驱动电平（5.1 V 齐纳二极管）、1 MHz 开 关频率和20 nC 栅极电荷(Vgs = 5V) 。首先需要计算栅极电容。 C = Q/V = 20 nC/5V = 4 nF 其中，C = 栅极电容，Q = 栅极电荷，V = 最终Vgs 。 然后需要计算驱动这些栅极所需的电流，并将其与ADuM3220 的静态电流相加。这就是齐纳二极管的最小偏置 电流： I = CVF = 4 nF(5 V)(1 MHz) = 20 mA 其中，C = 栅极电容，V = Vgs ，F = 开关频率。 ADuM3220 的最大VDD2 静态电流为 10 mA。因此，齐纳二极管至少需要30 mA 的偏置电流。由于Vbridge 为24 V ，并且使用5.1 V 齐纳二极管，因此RBIAS 不应超过630 Ω。 RBIAS(max) = (Vbridge-VZener)/I = (24 V-5.1 V)/30 mA = 630 Ω 图2. 采用ADuM3220 的隔离式H 电桥驱动器 除了隔离额定值更高（2.5 kV rms 相对于1 kV rms）并且能够使用3.3 V 逻辑电平之外，图2 所示电路的输出电压 范围也比图1 所示电路宽：前者为4.5 V 至18 V，后者为12 V 为18 V。此外，更重要的也许是，由于用两个8 引脚SOIC 封装代替了两个窄体 16 引脚SOIC 封装，因此它只需要图 1 所示电路大约一半的电路板空间，这还不 包括因为电源复杂度降低所节省的空间。 有几点值得电路设计人员注意。第一点是它用P 沟道MOSFET 取代高端开关。对于某些应用，这可能不可行，因 为与N 沟道MOSFET 相比，其栅极电荷和导通电阻更高。另一点与ADuM3220 的默认低电平输出有关。