無磁芯變壓器(CT)隔離驅(qū)動(dòng)芯片技術(shù)優(yōu)勢(shì)及產(chǎn)品系列

【導(dǎo)讀】在之前的技術(shù)文章中，介紹了驅(qū)動(dòng)芯片的概覽，PN結(jié)隔離(JI)技術(shù)，SOI驅(qū)動(dòng)芯片技術(shù)等非隔離的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，本文會(huì)繼續(xù)介紹英飛凌的無磁芯變壓器(CT)隔離驅(qū)動(dòng)芯片技術(shù)。

在隔離器件的技術(shù)上，有三種主流的隔離技術(shù)，分別是光隔離，電容隔離和變壓器隔離。顧名思義，其隔離的介質(zhì)分別是光，電場(chǎng)信號(hào)和磁信號(hào)，隔離器件的使用及其廣泛，從輸入輸出接口，通訊端口，到功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)器等各種應(yīng)用場(chǎng)合。本文會(huì)聚焦在柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離技術(shù)的應(yīng)用上。

在柵極驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用上，光耦驅(qū)動(dòng)器歷史悠久，絕緣的可靠性經(jīng)過長期的驗(yàn)證。隨著電力電子發(fā)展向著高開關(guān)頻率，高功率密度，功率器件高結(jié)溫的方向發(fā)展。光耦的能力越來越力不從心，因?yàn)樵叺?a target="_blank">LED的光衰的問題，滿足逆變器的長壽命設(shè)計(jì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)板的功耗會(huì)相當(dāng)可觀；而且光耦的使用的環(huán)境溫度和結(jié)溫都偏低，對(duì)于高功率密度的設(shè)計(jì)帶來驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)的瓶頸；再次，當(dāng)光耦的開關(guān)頻率提升到高速時(shí)，光耦的成本會(huì)急劇上升。從而在柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)上，電容隔離和變壓器隔離登上了舞臺(tái)。

電容隔離采用電容傳遞信號(hào)，典型的示意圖如下圖1所示，在CMOS電路的電容結(jié)構(gòu)中，采用雙電容結(jié)構(gòu)，電容間采用二氧化硅（SiO2）作為隔離層，采用OOK調(diào)制或者邊沿調(diào)制的編碼的方式進(jìn)行原副邊的信號(hào)傳遞。

圖1：電容隔離的原理圖

無磁芯變壓器隔離采用磁傳遞信號(hào)，其典型的示意圖如下圖所示，傳遞信號(hào)的路徑變成了隔離變壓器，隔離介質(zhì)采用了聚酰亞胺（polyimide）或者二氧化硅（SiO2）絕緣，其傳輸編碼格式也類似容隔。

變壓器隔離柵極驅(qū)動(dòng)器示意圖

互繞的無磁芯變壓器示意圖

圖2

電容隔離和變壓器隔離都是新一代的隔離技術(shù)，在絕緣能力，傳輸速度，功耗上的表現(xiàn)都很優(yōu)秀。

絕緣

聚酰亞胺是一種在光耦中長時(shí)間使用的絕緣材料，其絕緣特性經(jīng)過長時(shí)間的驗(yàn)證。二氧化硅也是一種適合在CMOS電路中使用的絕緣材質(zhì)，其介電強(qiáng)度比聚酰亞胺要高。因?yàn)殡姶艂鬏攲?duì)于線圈間的距離可以比電容傳輸?shù)闹g距離更大，從而允許填充更厚的聚酰亞胺。所以兩種材料的絕緣設(shè)計(jì)都可以滿足柵極驅(qū)動(dòng)器的絕緣要求。

共模瞬變抗擾度(CMTI)

共模瞬變抗擾度是柵極驅(qū)動(dòng)器比較重要的指標(biāo)，因?yàn)殡娏﹄娮娱_關(guān)都采用PWM的調(diào)制方式，dv/dt形成的共模干擾會(huì)比較惡劣，電機(jī)驅(qū)動(dòng)類應(yīng)用中的dv/dt典型值在5kV/us，而應(yīng)用于電源類應(yīng)用的IGBT的dv/dt會(huì)更高，新一代器件SiCMOS的開關(guān)dv/dt甚至可高達(dá)50kV/us.容隔器件的電容設(shè)計(jì)，在共模干擾時(shí)，會(huì)將干擾傳遞到副邊側(cè)，需要采用OOK編碼或者其他的編碼方式來抑制共模干擾，其共模瞬變抗擾度能力可達(dá)100kV/us。而變壓器隔離，以電流變化的方式傳遞信號(hào)，本身抗dv/dt的能力就強(qiáng)。疊加信號(hào)編碼的抗共模設(shè)計(jì)，變壓器隔離器件可以獲得遠(yuǎn)大于容隔的共模瞬變抗擾能力，以英飛凌的1ED34x1Mc12M為例，手冊(cè)中的CMTI的標(biāo)定值已經(jīng)達(dá)到200kV/μs（實(shí)際測(cè)試值更高），從而更加適配高速開關(guān)速度的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖3：柵極驅(qū)動(dòng)器共模干擾路徑圖

結(jié)合英飛凌豐富的功率器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)，英飛凌的柵極驅(qū)動(dòng)器還具備一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

精密時(shí)序控制

在英飛凌的柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入電路的設(shè)計(jì)上，英飛凌采用線性濾波的設(shè)計(jì)，這樣給應(yīng)用上帶來了若干好處。（1）外置的輸入濾波器可以減小，甚至省去外置的RC濾波器。（2）同一顆器件脈沖上升沿和下降沿的傳輸幾乎沒有偏差，即使考慮溫度變化和產(chǎn)品批次問題，偏差最大也不超過7ns，對(duì)于有些驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)合帶來極大的幫助。另外對(duì)于高頻的SiC等應(yīng)用，目前的死區(qū)要求已經(jīng)小于300ns，以提高逆變器的性能，采用這種技術(shù)的驅(qū)動(dòng)IC可以提升死區(qū)時(shí)間的精度，從而減小死區(qū)時(shí)間的設(shè)定。

線性濾波 RC濾波

圖4：濾波的設(shè)計(jì)及濾波精度示意圖

精確的短路保護(hù)

在功率器件的發(fā)展上，短路時(shí)間一直在縮短，以IGBT為例，1200V的新一代IGBT相對(duì)于上一代IGBT，短路時(shí)間從10us縮短到了8us。以SiC為例，其短路時(shí)間只有2~3us。所以精確的短路保護(hù)，特別是消隱時(shí)間的響應(yīng)，就很關(guān)鍵。英飛凌采用兩種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精確的短路保護(hù)：

1. 在所有帶desat檢測(cè)的驅(qū)動(dòng)芯片中，采用了精密電流源的設(shè)計(jì)，電流源的精度達(dá)±10%（相對(duì)于其他廠家的驅(qū)動(dòng)IC，精度處于最高水平），從而保證對(duì)于Desat電容的充電時(shí)間的浮動(dòng)可控，相應(yīng)的提升了消隱時(shí)間的精度。

2. 在1ED34x1Mc12M和1ED38x0Mc12M設(shè)計(jì)中，可以直接省掉外接Desat電容，分別采用模擬電阻連接在IC管腳，或者數(shù)字通訊的方式設(shè)定消隱時(shí)間，從而獲得更短更精確的短路保護(hù)時(shí)間設(shè)定。

1ED020I12-F2/B2的Desat保護(hù)原理圖

1ED34x1Mc12M的Desat保護(hù)原理圖

圖4

圖5：Desat用于短路保護(hù)時(shí)消隱時(shí)間的隱響

高電壓并可靠的輸出推挽MOS

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在輸出MOS的設(shè)計(jì)上，英飛凌也采用自身獨(dú)特的MOS電路設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，主要體現(xiàn)在三點(diǎn)：

1. 輸出的MOS的耐壓設(shè)計(jì)高達(dá)40V，從而在異常工況下，保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路不受異常的門級(jí)電壓的隱響。

2. MOS的設(shè)計(jì)考慮極短脈沖的設(shè)計(jì)，使得不論多窄的脈寬，都不會(huì)造成驅(qū)動(dòng)MOS的過壓。

3. 獨(dú)特的PMOS設(shè)計(jì)，如圖5右圖所示，使得輸出電壓比較高的階段（對(duì)應(yīng)IGBT的米勒平臺(tái)階段），仍能夠保持足夠的輸出電流，從而減小功率器件的開關(guān)損耗。

兩種設(shè)計(jì)的輸出電流差異可參考圖6，獨(dú)特的PMOS設(shè)計(jì)在實(shí)際的功率器件門級(jí)電壓在7.5V~15V的階段（也就是功率器件開通的關(guān)鍵階段），可以提供遠(yuǎn)達(dá)于兩級(jí)推挽設(shè)計(jì)的電流，從而帶來更好的驅(qū)動(dòng)性能。

兩級(jí)推挽設(shè)計(jì)，1ED Compact系列采用

獨(dú)特的PMOS設(shè)計(jì)，X3和F3系列采用

圖6：柵極驅(qū)動(dòng)器輸出MOS推挽電路設(shè)計(jì)

圖7：兩種驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部輸出電路設(shè)計(jì)的輸出電流,獨(dú)特的PMOS設(shè)計(jì)在功率器件門級(jí)電壓在7.5V~15V的階段，提供更大的驅(qū)動(dòng)電流

無磁芯變壓器是新一代的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，基于英飛凌領(lǐng)先的功率器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，具有高共模瞬變抗擾度、精密時(shí)序控制、精確的短路保護(hù)、高電壓并可靠的輸出推挽MOS等一系列特點(diǎn)，完美匹配功率器件的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅