敲黑板：片上變壓器隔離門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)你get了嗎？

在許多應(yīng)用中，電氣隔離是一項(xiàng)重要的要求，特別是在涉及高功率電路和低功率電路的地方，以及高邊和低邊接地需要分開(kāi)的地方。盡管隔離技術(shù)已經(jīng)存在多年了，但已演變以滿(mǎn)足新應(yīng)用的需求，如可再生能源的逆變器、工業(yè)自動(dòng)化、儲(chǔ)能以及電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)的逆變器和正溫系數(shù)(PTC)加熱器。

例如，在工業(yè)應(yīng)用中，電機(jī)廣泛用于自動(dòng)化領(lǐng)域。 電機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展支持在更小的封裝中完成更多的工作，從而提高了功率密度。施加這種機(jī)械力所需的電力需要更高的能效和控制。

通常使用基于IGBT技術(shù)的功率開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換電路。功率開(kāi)關(guān)將配置為復(fù)雜的半橋和全橋拓?fù)?，必須使用具有高?qū)動(dòng)電流的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器高效地開(kāi)關(guān)。此處可以選擇分立門(mén)極驅(qū)動(dòng)器電路，但通常集成驅(qū)動(dòng)器的能效要高于分立門(mén)極驅(qū)動(dòng)器電路。特別是內(nèi)置有片上電隔離的高驅(qū)動(dòng)電流門(mén)極驅(qū)動(dòng)器具有進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)，例如功率密度提高，傳播延遲更短，信號(hào)完整性更好以及工作溫度范圍更寬。

隔離需求

在工業(yè)應(yīng)用中進(jìn)行隔離的主要原因在于，它為操作人員和系統(tǒng)的其他器件提供了安全性。此外，隔離可以通過(guò)提供共模瞬變抗擾性(CMTI)來(lái)幫助提高系統(tǒng)性能。隔離還通過(guò)為高邊開(kāi)關(guān)提供電平轉(zhuǎn)換來(lái)幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在汽車(chē)應(yīng)用中，隔離主要用于CMTI和電平轉(zhuǎn)換。

與電子產(chǎn)品的其他方面一樣，集成為改進(jìn)提供了新的機(jī)會(huì)。集成的隔離門(mén)極驅(qū)動(dòng)器提供了一種更高性?xún)r(jià)比的方案，所需的電路板空間更少。但是，與傳統(tǒng)的隔離技術(shù)如脈沖變壓器相比，將集成的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展到大于5 KVrms的電壓存在挑戰(zhàn)，后者體積更大且價(jià)格昂貴。

與光耦相比，新一代的“數(shù)字”門(mén)極驅(qū)動(dòng)器使用不同的方法跨隔離邊界進(jìn)行通信。一些方法是電感/無(wú)芯變壓器耦合、電容耦合、甚至是RF通信。

隔離的演變

由于隔離必須在高低壓域之間提供物理安全屏障，因此很難將其集成到門(mén)極驅(qū)動(dòng)器中。因此，在過(guò)去，隔離通常是使用額外分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最廣泛使用的隔離方法之一涉及光耦。

使用光耦實(shí)現(xiàn)隔離至少需要兩個(gè)元件，即發(fā)射器和接收器。發(fā)射器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光子，而接收器將光子轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。發(fā)射器和接收器之間的物理間隙提供了隔離，并且可以將兩個(gè)器件集成到一個(gè)封裝中。盡管光耦提供可靠的隔離，并且可以擴(kuò)展到大于5 KVrms的高隔離電壓，但它們有一些缺點(diǎn)，包括可靠性和由于老化而引起的偏移特性。光耦也相對(duì)復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)隔離，封裝內(nèi)部有多個(gè)器件。

最近，包括安森美半導(dǎo)體在內(nèi)的公司已成功開(kāi)發(fā)了基于無(wú)芯變壓器技術(shù)的隔離并將其集成到單個(gè)封裝中，從而取代了對(duì)光耦隔離的要求。 它采用電隔離，與門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路一起完全集成到單個(gè)器件中。微型電感器之間的磁耦合以穩(wěn)定可靠且經(jīng)濟(jì)高效的方式使信號(hào)通過(guò)隔離邊界。

米勒平臺(tái)(Miller Plateau)的重要性

功率開(kāi)關(guān)如IGBT或MOSFET會(huì)遇到被稱(chēng)為米勒平臺(tái)的現(xiàn)象：傳輸曲線(xiàn)上的一個(gè)區(qū)域在導(dǎo)通或關(guān)斷事件期間發(fā)生。隨著門(mén)的導(dǎo)通或關(guān)斷，集電極-發(fā)射極或漏極-源極之間的電壓開(kāi)始下降或上升，并且當(dāng)這種情況開(kāi)始發(fā)生時(shí)，集電極或漏極與門(mén)極之間的寄生電容即為米勒電容生效。

為了完成導(dǎo)通過(guò)程，驅(qū)動(dòng)器必須給該米勒電容充電。米勒電容的充電/放電時(shí)間稱(chēng)為米勒平臺(tái)區(qū);電流開(kāi)始通過(guò)IGBT / MOSFET建立，而兩端的電壓仍在下降或上升。由于米勒平臺(tái)區(qū)，功率晶體管表現(xiàn)出的大多數(shù)開(kāi)關(guān)損耗都在導(dǎo)通或關(guān)斷事件期間發(fā)生。

當(dāng)晶體管移至米勒平臺(tái)時(shí)，增加驅(qū)動(dòng)電流可以加速過(guò)渡。大多數(shù)門(mén)極驅(qū)動(dòng)器都不會(huì)這樣做，但是考慮到米勒平臺(tái)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器可以有效克服這一限制。

NCD57000 / 1是基于全集成的無(wú)芯變壓器技術(shù)的內(nèi)部隔離式高壓IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)器。NCD57000 / 1的輸出級(jí)設(shè)計(jì)為內(nèi)置一個(gè)緩沖級(jí)，可提高驅(qū)動(dòng)電流。具體而言，緩沖器隨著門(mén)極電壓升高而增加輸出驅(qū)動(dòng)，并且驅(qū)動(dòng)器輸出與門(mén)極電壓之間的壓差減小。內(nèi)部緩沖器的增加使形成門(mén)極驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的MOSFET更難驅(qū)動(dòng)，從而幫助IGBT門(mén)極更快地通過(guò)米勒平臺(tái)過(guò)渡。

比較隔離型門(mén)極驅(qū)動(dòng)器

應(yīng)用無(wú)芯變壓器技術(shù)來(lái)創(chuàng)建集成的、隔離型門(mén)極驅(qū)動(dòng)器，現(xiàn)在正獲得市場(chǎng)動(dòng)力。 作為對(duì)光耦隔離驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際改進(jìn)，它有許多優(yōu)點(diǎn)。但是，與所有事物一樣，工程師在做出設(shè)計(jì)決定之前應(yīng)該考慮一些品質(zhì)因數(shù)。

下表概述了要考慮的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)。特別要注意源電流和汲電流。在這方面，電流越大越好。特別是數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)器可以封裝更多的驅(qū)動(dòng)電流，因?yàn)榕c光耦驅(qū)動(dòng)器中使用的光學(xué)隔離相比，數(shù)字隔離占用的硅空間更少，因此數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)器可以在給定的封裝尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)級(jí)。與設(shè)計(jì)質(zhì)量有關(guān)的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是傳播延遲。在這種情況下，越短越好。

實(shí)際上，從表中的數(shù)字可以看出，在所有關(guān)鍵參數(shù)中，數(shù)字隔離門(mén)極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)可提供優(yōu)于光耦隔離技術(shù)的性能。這在延遲失真和共模瞬變抗擾度(CMTI)中可能最為明顯。

表：比較NCD57000/1與光隔離技術(shù)和主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的品質(zhì)因數(shù)

總結(jié)

現(xiàn)在需要更高電壓的應(yīng)用數(shù)量正在增加。隔離可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)較小方案的壓倒性需求意味著采用集成方法可以帶來(lái)更多好處。使用無(wú)芯變壓器技術(shù)的集成數(shù)字隔離為工程師提供了解決此設(shè)計(jì)問(wèn)題的便捷方案，但是底層技術(shù)更為復(fù)雜，這意味著半導(dǎo)體公司必須投入自己的設(shè)計(jì)精力來(lái)開(kāi)發(fā)最佳方案。安森美半導(dǎo)體的NCD57000 / 1代表了可以實(shí)現(xiàn)的隔離級(jí)別的重大進(jìn)步，同時(shí)提供高驅(qū)動(dòng)電流和出色的開(kāi)關(guān)性能。