雖然數(shù)字邏輯電路在太陽能收集設計中提供關鍵的監(jiān)控和控制功能，但功率晶體管為電力輸送提供了基礎。在這些數(shù)字和電源域之間，柵極驅(qū)動器提供關鍵接口功能，在太陽能解決方案中驅(qū)動高功率MOSFET和IGBT。設計人員可以使用ADI公司，飛兆半導體公司，凌力爾特公司，德州儀器公司等公司的柵極驅(qū)動器實現(xiàn)高效的全橋和半橋功率級。
通常由低功耗數(shù)字電路驅(qū)動，柵極驅(qū)動器產(chǎn)生驅(qū)動高功率MOSFET和IGBT所需的高電流。同樣重要的是，柵極驅(qū)動器可以響應來自數(shù)字控制邏輯的高頻開關信號，并為功率晶體管提供相應的高速，高電流驅(qū)動。在此過程中，柵極驅(qū)動器屏蔽低功耗數(shù)字控制電路，使其免受大型高速開關電流的影響，這些電流很容易降低數(shù)字電路的性能。
工程師可以選擇支持柵極驅(qū)動配置的IC，從全橋到半橋，同時具有非隔離和隔離選項。例如，德州儀器(TI)SM72295提供四個獨立的柵極驅(qū)動器，能夠以全橋配置為四個分立的N型MOSFET提供3 A的峰值電流(圖1)。
圖1：德州儀器(TI)SM72295集成了以全橋配置驅(qū)動四個外部N型MOSFET所需的功能(由德州儀器公司提供)。
SM72295適用于太陽能光伏應用，包括一對電流檢測放大器，可通過外部電阻實現(xiàn)可編程增益。該器件還提供電流檢測放大器的緩沖輸出，用于ADC，用于需要更復雜電源管理功能的設計。工程師可以通過將SM72295與TI SM72442相結(jié)合來創(chuàng)建完整的光伏電源，TI SM72442是一個可編程控制器，提供四個PWM驅(qū)動信號來控制SM72295。
除了TI SM72295等專用全橋設備外，工程師還可以選擇在一個器件上組合一對柵極驅(qū)動器的半橋柵極驅(qū)動器，以改善時序匹配。 TI SM72482通過一對輸出驅(qū)動器級擴展了這一概念，這些驅(qū)動器級(每個)組合MOS和雙極晶體管以實現(xiàn)高輸出驅(qū)動特性，同時減少由于電壓和溫度變化引起的輸出電流變化(圖2)。
圖2：德州儀器(TI)SM72482支持半橋配置，其中一對驅(qū)動器級結(jié)合了MOS和雙極晶體管(德州儀器公司提供)。
飛兆半導體FAN7384，德州儀器LM5102和凌力爾特公司LT1160/1162等器件適用于采用PWM控制驅(qū)動半橋輸出級的設計(圖3)。 FAN7384和LM5102均具有電平轉(zhuǎn)換功能，允許浮動高側(cè)驅(qū)動器在更高電壓下工作，并且均具有可編程定時控制功能，以確保周期之間有足夠的死區(qū)時間。飛兆半導體FAN7384允許工程師編程開啟延遲，而TI LM5102允許獨立編程高和低上升沿延遲。
圖3：凌力爾特公司LT1160/2等半橋柵極驅(qū)動器旨在支持基于PWM的功率級，用于各種應用，包括能量收集(由Linear Technology提供)。
Linear LT1160/2采用內(nèi)部邏輯，可防止輸入同時導通功率MOSFET。 Linear LT1336增強了LT1160/2的功能，支持使用內(nèi)部升壓穩(wěn)壓器進行直流操作。使用升壓功能僅需要一個電阻，小電感(200μH)，二極管和電容，但可將高電壓電壓從最高60 V(非升壓模式下的LT1160/2和LT1136)降低至40 V.最大電壓的降低源于需要避免達到內(nèi)部NPN開關的擊穿電壓。
太陽能逆變器等應用需要高隔離電壓和長期可靠性。因此，這些應用通常依賴于隔離的半橋柵極驅(qū)動器來確保隔離和性能。在典型的半橋驅(qū)動器中，光耦合器或數(shù)字隔離器為柵極驅(qū)動器提供隔離，驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)功率晶體管的柵極具有相反極性的信號(圖4)。
圖4：為了隔離高壓太陽能應用，工程師可以選擇單輸入(a)或雙輸入(b)柵極驅(qū)動器(由Analog Devices提供)。
在這些應用中，柵極驅(qū)動器需要結(jié)合高速開關性能，以降低開關損耗和低輸出阻抗特性，從而降低傳導損耗。此外，柵極驅(qū)動器需要緊密匹配的時序特性，以便在兩個開關交替接通時最小化死區(qū)時間。
使用單個隔離輸入(圖4a)意味著時序匹配和死區(qū)時間性能取決于高壓電路本身。在這種配置中，高壓電路不提供電流隔離，而是僅依靠晶體管的結(jié)隔離來將高側(cè)與低側(cè)驅(qū)動電壓分開。對高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動器使用單獨的隔離輸入通道可確保輸出之間的電流隔離(圖4b)。
制造商可以將隔離和柵極驅(qū)動器電路結(jié)合在同一個封裝中，通常在單個芯片上提供兩個獨立的通道，以提供改進的匹配特性(圖5)。 ADI公司采用這種方法在其ADuM1233和ADuM1234中提供獨立且隔離的高端和低端輸出，這些隔離式半橋器件提供0.1 A輸出，具有TTL(ADuM1233)或CMOS(ADuM1234)輸入。
這些器件基于ADI公司專有的iCoupler技術，該技術使用在同一芯片上制造的單片微變壓器，與光耦合器方法相比，有助于改善時序和可靠性。這些器件支持高達700 V的高低側(cè)差分電壓，并具有從輸入到輸出以及輸出之間超過75 kV/μs的共模瞬態(tài)抗擾度。 ADI公司的相關器件ADuM7234提供高達4 A的更高輸出電流，具有350 V差分電壓能力和》 25 kV/μs共模瞬變抗擾度。
圖5：制造商將兩組隔離和柵極驅(qū)動器組合在一起，提供隔離式半橋解決方案，如ADI公司ADuM1233/4(由Analog Devices提供) 。
結(jié)論
柵極驅(qū)動器提供了實現(xiàn)電源傳輸階段有效數(shù)字控制所需的關鍵接口。這些器件采用全橋和半橋配置，不僅可提供驅(qū)動MOSFET和IGBT所需的高電流和快速開關功能，還可保護敏感數(shù)字電路免受高速開關電流的影響。利用可用的柵極驅(qū)動器IC，工程師可以輕松創(chuàng)建能量收集設計所需的高效功率級。
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