隔離式半橋柵極驅動器可用于許多應用，從要求高功率密度和效率的隔離式DC-DC電源模塊，到高隔離電壓和長期可靠性至關重要的太陽能逆變器等等，不一而足。本文將詳細闡述這些設計理念，探索隔離式半橋柵極驅動器解決方案在提供高性能和小尺寸方面的卓越能力。

隔離式半橋驅動器的功能是驅動上橋臂和下橋臂N溝道MOSFET(或IGBT)的柵極，通過低輸出阻抗降低導通損耗，同時通過快速開關時間降低開關損耗。上橋臂和下橋臂驅動器需要高度匹配的時序特性，以實現精確高效開關操作。這減少了半橋關斷和開通之間的死區時間。實現隔離式半橋柵極驅動功能的典型方法是使用光耦合器進行隔離，后跟高壓柵極驅動器IC，如圖1所示。該電路的一個潛在問題是，僅有一個隔離輸入通道，而且依賴高壓驅動器來提供通道間所需的時序匹配以及應用所需的死區。另一問題是，高壓柵極驅動器并無電流隔離，而是依賴結隔離來分離同一IC中的上橋臂驅動電壓和下橋臂驅動電壓。在下橋臂開關事件中，電路中的寄生電感可能導致輸出電壓VS降至地電壓以下。發生這種情況時，上橋臂驅動器可能發生閂鎖，并永久性損壞。

圖1. 高壓半橋柵極驅動器

光耦合器柵極驅動器

另一種方法(如圖2所示)利用兩個光耦合器來實現輸出之間的電流隔離，從而避免了上橋臂-下橋臂交互作用的問題。柵極驅動器電路往往置于與光耦合器相同的封裝中，最常見的情況是，兩個獨立的光耦合器柵極驅動器IC構成完整的隔離式半橋，結果使解決方案尺寸變大。需要注意的是，光耦合器是作為分立式器件生產的，即使兩個光耦合器封裝在一起亦是如此，因此，它們的通道間匹配存在限制。這會增加關閉一個通道與打開另一個通道之間的死區，從而導致效率下降。光耦合器的響應速度同樣受到原邊發光二極管(LED)電容的限制，而且將輸出驅動至高達1 MHz的速度也會受到其傳播延遲(最大值為500 ns)以及較慢的上升和下降時間(最大值為100 ns)的限制。要使光耦合器達到最高速度，需要將LED電流增加至10 mA以上，這會消耗更多功率，縮短光耦合器的壽命并降低其可靠性，尤其是在太陽能逆變器和電源應用中常見的高溫環境下。

圖2. 光耦合器半橋柵極驅動器

脈沖變壓器柵極驅動器

接下來，我們將探討電流隔離器，由于它們具有更低的傳播延遲、更精確的時序，因此速度比光耦合器更高。脈沖變壓器是一種隔離變壓器，其工作速度可以達到半橋柵極驅動器應用通常所需的水平(最高1 MHz)。柵極驅動器IC可用于提供容性MOSFET柵極充電所需的高電流。圖3中的柵極驅動器以差分方式驅動脈沖變壓器的原邊，該變壓器副邊有兩個繞組，用于驅動半橋的各個柵極。使用脈沖變壓器的一個優勢是，它不需要用隔離電源來驅動副邊MOSFET。當感應線圈中有較大的瞬態柵極驅動電流流過時(會導致振鈴)，這種應用就可能出現問題。它有可能使柵極不合需要地開啟和關閉，從而損壞MOSFET。脈沖變壓器的另一個局限在于，它們在要求信號占空比在50%以上的應用中可能表現不佳。這是由于變壓器只能提供交流信號，因為鐵芯磁通量必須每半個周期復位一次以維持伏秒平衡。最后，脈沖變壓器的磁芯和隔離式繞組需要相對較大的封裝。再加上驅動器IC和其他分立式元件，最終建立的解決方案可能尺寸過大，無法適應許多高密度應用。

圖3. 脈沖變壓器半橋柵極驅動器

數字隔離器柵極驅動器

現在，我們來看看以數字隔離器來實現隔離式半橋柵極驅動器的方法。在圖4中，數字隔離器使用標準CMOS集成電路工藝，以金屬層形成變壓器線圈，并以聚酰亞胺絕緣材料來分離線圈。這種組合可以實現5 kV rms以上(1分鐘額定值)的隔離能力，可用于增強型隔離電源和逆變器應用。

圖4. 采用變壓器隔離的數字隔離器

圖5. 數字隔離器4 A柵極驅動器