【導讀】德州儀器UCC27531單通道柵極驅動器可以非常靠近電源開關柵極放置。相比在一塊單IC中組合高側/低側柵極驅動器，它的靈活度更高，可幫助最小化驅動器和電源開關之間的電感，并讓設計人員能夠更好地控制開關柵極。
典型電源管理結構
高功率電平帶來更高的系統電壓，因此轉換器內所用各種組件的切斷電壓也更高。為了降低400V以上電壓的功率損耗，大多數電路設計人員更喜歡使用絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)，或者最新的碳化硅(SiC)FET。這些器件的切斷電壓可高達1200V，并且相比等效Si MOSFET擁有更低的“導通”電阻。這些復雜的電源系統通常由一個數字信號處理器、一個微控制器或者一個專用數字電源控制器來管理。因此，它們常常會要求同時將電和信號都隔離于功率級的高噪聲開關環境。即使在穩態開關周期內，電路的電壓和電流也會劇烈變化，形成明顯的接地跳動。
圖1： 風力發電機到電網的簡化電力傳輸流程圖
圖2表明，即使是一個單相DC到AC逆變器，也需要許多柵極驅動器，以正確地在功率級中對IGBT進行開關操作。本文講述的電源開關的驅動是基于德州儀器單通道柵極驅動器UCC27531。作為一種單通道柵極驅動器，只要具有必需的信號和偏壓隔離， UCC27531就可以驅動開關橋的任何開關。利用一個光耦合器或者數字隔離器，實現信號隔離。對于偏壓隔離，設計人員可以使用一種帶二極管和電容器的自舉電路，或者一個隔離式偏壓電源。另一種方法是，與控制器一樣，連接同一個隔離端上的柵極驅動器，然后通過柵極驅動器后面的一個柵極變壓器驅動開關。這種方法允許通過控制端上一個非隔離式電源，對驅動器進行偏置。
圖2：單相逆變器基本結構
可再生能源的柵極驅動器
作為一種小型、非隔離式柵極驅動器，單通道UCC27531可以很好地工作在前述環境下。它的IC輸入信號通過一個光耦合器或者數字隔離器提供。它的高電源/輸出驅動電壓范圍為10到35V，讓其成為12V Si MOSFET應用和IGBT/SiC FET應用的理想選擇。這里，正柵極驅動通常更高，并且關斷時負電壓下拉，目的是防止電源開關受到錯誤導通的損害。一般而言，SiC FET由一個相對于電源的+20/-5V柵極驅動器驅動。同樣，就IGBT而言，系統設計人員可能會使用一個+18/-13V柵極驅動，如圖3所示。
利用FET/IGBT單柵極驅動器驅動電源開關
由于UCC27531是一種軌到軌驅動器，因此相對于發射極，OUTH上拉電源開關柵極至其18V VDD。相對于發射極，OUTL下拉柵極至驅動器的–13 V GND。驅動器有效地從+18到-13V，或者從相對于其自有GND的VDD到31V。另外，35V額定電壓提供了一定的余量，可防止噪聲和振鈴產生的IC過電壓故障。
OUTH和OUTL的分離輸出，允許用戶單獨控制導通(灌)電流和關斷(拉)電流。它幫助最大化效率，并保持開關時間控制，從而滿足噪聲和電磁干擾要求。另外，即使是分離輸出，單柵極驅動器也在輸出級保持最小電感，防止出現過多振鈴和過沖。利用一種非對稱驅動(2.5A導通，5A關斷)，UCC27531經過了優化，適用于高功率可再生能源應用的平均開關時序。再者，利用低下拉阻抗，這種驅動器通過確保柵極不遭受電壓尖峰來增加可靠性。由于IGBT的集電極和柵極之間以及FET的漏極和柵極之間的寄生米勒效應電容，這些電壓尖峰可能會導致出現錯誤導通。開關導通期間集電極/漏極電壓迅速上升，這時在柵極上拉升電壓，這種內部電容便以此來引導柵極超出導通閾值電壓。
UCC27531的輸入級也為可再生能源等高可靠性系統而設計。它擁有一個所謂的TTL/CMOS輸入，其與電源電壓無關，從而實現了與標準TTL級信號的兼容。相比典型TTL中的常見0.5V磁滯，它擁有約1V的高磁滯。如果輸入信號因故丟失變得不穩定，則拉低輸出。另外，驅動器IC的GND電壓較大變化時，如果在開關沿期間GND跳動較高，則輸入信號可能表現為負。由于能夠連續對這些事件期間輸入(IN)或激活(EN)端上-5V電壓進行處理，因此驅動器成功地解決了這個問題。
UCC27531使用3 x 3mm的工業標準SOT-23封裝，相比使用離散式電平位移器、沒有負輸入能力或者缺少保護的離散式雙晶體管解決方案，它擁有非常大的競爭力。除節省大量空間以外，把UCC27531的各種功能集成到一塊單IC封裝中還提高了系統的整體可靠性。
這種單通道驅動器是一種引人注目的解決方案，因為它可以非常靠近電源開關柵極放置。相比在一塊單IC中組合高側/低側柵極驅動器，它的靈活度更高。這種靈活性可幫助最小化驅動器和電源開關之間的電感，并讓設計人員能夠更好地控制開關柵極。圖2說明了許多高功率開關如何集成到一個DC到AC級單相中。對于一個完整的多轉換(DC和AC之間往復轉換)三相系統而言，甚至一些應用中還需要DC到DC轉換增壓級，需要許多的柵極驅動器。每一個驅動器的放置都必須在PCB上安排好，以確保獲得正確的設計。
雖然表面看起來，電源開關的柵極驅動器只是總系統控制和電力生產流程中一個小小的部件，但它們對整體設計性能卻十分的重要。
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