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隔离式栅极驱动器输入级对电机驱动应用的影响

2023-11-15

介绍

在电机驱动应用中为功率级选择隔离式栅极驱动器时，您有多种选择。栅极驱动器可简单可复杂，具有集成米勒箝位、分离输出或绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 发射极的欠压 （UVLO） 锁定参考等功能。

输入级有两个选项：电压输入级或电流输入级。在本文中，我将介绍这两种输入级选项，并提供在为应用选择带输入级的栅极驱动器时应考虑的一些细节。

电压输入级

电压输入器件接受互补金属氧化物半导体脉宽调制（PWM）信号，直接进入低压侧或初级侧的栅极驱动器。图1所示为典型电压输入隔离式栅极驱动器的示例。输入引脚IN+和IN-可通过大多数微控制器（MCU）提供的逻辑电平控制信号轻松驱动。虽然IN+和IN-位于初级侧，但电压栅极驱动器只需要其中一个输入来接收信号即可工作。同时具有IN+和IN-允许您将PWM输入信号配置为反相或同相。

如果需要更高的抗噪性，可以实现互补或反相逻辑PWM输入。如果仅为应用选择一个单输入引脚，则可以使用另一个引脚启用或禁用功能。

 

图 1：带电压输入级的单通道隔离式栅极驱动器

电流输入级

电流输入器件使用电流信号进入初级侧的栅极驱动器。图2所示为典型电流输入隔离式栅极驱动器的示例。这些器件也称为光兼容器件，以匹配传统光耦合器。在传统光耦合器中，电流信号驱动器件内部的LED在您希望栅极驱动器导通时亮起。LED发出的光由光电探测器接收。LED和光电探测器在光耦合器内部物理分离，从而在栅极驱动器的初级侧和次级侧之间实现电流隔离。

TI 驱动器使用仿真二极管（e-二极管），有助于提高栅极驱动器使用寿命期间的可靠性。TI 的光兼容栅极驱动器器件使用电容隔离与 e 二极管配对，以实现引脚对引脚解决方案，这是对基于光学的栅极驱动器的直接升级。e二极管输入级不易受会缩短光耦合器栅极驱动器寿命的影响，例如高温导致的性能下降或输入正向电流的应力，这两者都会降低LED的亮度。采用 e-二极管的 TI 光兼容解决方案有助于延长电机驱动应用中的系统寿命，并在更宽的环境温度范围内工作。

 

图 2：具有电流（光兼容）输入级的单通道隔离式栅极驱动器

电压和电流输入栅极驱动器之间存在系统级差异。基于电压的解决方案需要较少的外部元件，因此具有较小的总解决方案尺寸。MCU可以直接驱动基于电压的驱动器，而基于电流的驱动器需要一个外部缓冲器，将来自MCU的电压信号转换为馈入栅极驱动器的电流。

图3比较了电压输入和电流输入栅极驱动器，以及驱动IGBT所需的外部元件。传统上，许多设计人员使用电流输入器件来帮助提高栅极驱动器的抗扰度。与电压信号相比，电流信号不太容易受到噪声的影响，例如长距离的电磁干扰。在IN+和IN-中添加低通滤波器还有助于提高栅极驱动器的抗扰度并保持信号完整性。

 

图 3：比较电压输入和电流输入栅极驱动器

联锁有助于防止电机驱动功率级的击穿，保护高侧和低侧配置中的电源开关。通过将高端驱动器的阳极连接到低边驱动器的阴极，可以实现与电流输入级栅极驱动器的互锁，反之亦然。对于具有单个输入的电压输入级栅极驱动器，如果栅极驱动器同时支持 IN+ 和 IN-，则可以实现与外部逻辑元件的互锁，或者将高端驱动器的 IN+ 连接到低端驱动器的 IN-（反之亦然）。图4显示了一个具有电流输入栅极驱动器的典型联锁示例。

 

图 4：带电流输入栅极驱动器的联锁示例

TI 为电压或电流输入选项提供栅极驱动器，下表 1 对此进行了比较。

TI 栅极驱动器系列

输入类型

米勒夹具

拆分输出

以发射器为参考的 UVLO

简单的单路输出

UCC23514

当前

UCC23514M

UCC23514S

UCC23514E

UCC23514V

UCC5310

UCC5320

UCC5350

UCC5390

电压

UCC5310MC， UCC5350MC

UCC5320SC， UCC5350SB， UCC5390SC

UCC5320EC， UCC5390EC

–

表 1：具有替代引脚排列选项的简单隔离式栅极驱动器

结论

栅极驱动器的输入级对您的电机驱动应用有多种影响，系统要求决定了您的选择。无论您是需要减小整体解决方案尺寸、最大限度地提高抗噪性还是实施击穿保护，都提供多种选项来帮助您设计下一个电机驱动功率级。

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