3 栅极驱动变压器的优势

使用栅极驱动变压器有一些优点。总的来说，栅极驱动变压器具有以下优势：

• 为栅极驱动电路提供电隔离
• 传输信号和电源，无需使用辅助电源
• 可以轻松实现负栅极偏置
• 可以启用短传播延迟
• 根据匝数比调节电压和电流
• 允许对极端或异常终端应用进行更多定制

在这些优势中，最值得一提的是栅极驱动变压器无需辅助电源。高电压半桥栅极驱动 IC 需要使用浮动电源为高侧驱动器供电。这通常是使用自举电路实现的。在隔离式栅极驱动 IC 中，有时需要使用单独的隔离式辅助电源来保持隔离栅。栅极驱动变压器可以将栅极电流从初级侧栅极驱动器传输到次级侧电源开关。电力是通过栅极驱动变压器传输的，因此次级侧不需要辅助电源。隔离式辅助电源会显著增加系统成本，因此基于栅极驱动变压器的方法可以降低系统成本。

栅极驱动变压器的另一个优势是推挽式拓扑提供的固有负偏置。图 2-1 中的 PNP 关断电路将双极栅极驱动信号从 ±V­_DD 整流为 +V­_DD。但是，省略 PNP 关断电路可以在关断期间实现 -V­_DD 偏置。在某些高功率系统中，对电源开关施加负偏置，以提高对米勒导通效应的抗扰度。当开关节点在高电平和低电平状态之间转换时，寄生电流通过 C_GD 电容（也称为米勒电容）注入。注入的电流会导致栅极电压升高，如果栅极电压超过电源开关的阈值电压，可能导致误导通。负偏置会增加栅极电压和阈值电压之间的电压差，并导致对米勒开通效应的抗扰度更高。许多 SiC FET 和 IGBT 数据表建议使用负偏置来减轻米勒导通效应。

栅极驱动变压器还可以实现低传播延迟。栅极驱动信号以光速在变压器中传播。就栅极驱动电路而言，可以将该延迟视为 0。

图 3-1 显示电路中驱动器 IC 和变压器传播延迟的示波器捕获

总延迟来自低侧驱动器 IC 的传播延迟和次级侧电路增加的上升或下降时间。在图 3-1 中，驱动器传播延迟出现在输入电压和初级电压之间。不过，一旦施加初级电压，次级电压就会立即开始上升。较低的固有传播延迟意味着，与其他选项相比，栅极驱动变压器电路可以实现非常低的传播延迟。其他隔离方法通常会使用开关键控等调制技术。任何调制和解调电路都可能会增加系统的传播延迟。ISO6521 等数字隔离器 IC 的传播延迟典型值低至 11ns。但是，在需要快速响应的应用中，基于栅极驱动变压器的电路仍可用于实现超低传播延迟系统。

栅极驱动变压器的最后一个主要优势是易于调节电压。变压器的匝数比会对电压产生倍增效应。虽然许多设计人员可以选择匝数比为 1:1 的变压器，但不同的匝数比可以提高系统设计的灵活性。例如，可以在初级侧使用匝数比为 1:3 的 5V 总线，以在次级侧产生 15V 栅极驱动电压。但是，当电压按比例增大时，电流会按比例减小。在这种情况下，初级电流可以大约比 1:1 变压器系统大三倍。总体而言，轻松调节电压的能力可以省去直流/直流转换器，并提高整体系统的效率和灵活性。