無磁芯變壓器(CT)隔離驅動芯片技術優勢及產品系列

【導讀】在之前的技術文章中，介紹了驅動芯片的概覽，PN結隔離(JI)技術，SOI驅動芯片技術等非隔離的驅動技術，本文會繼續介紹英飛凌的無磁芯變壓器(CT)隔離驅動芯片技術。

在隔離器件的技術上，有三種主流的隔離技術，分別是光隔離，電容隔離和變壓器隔離。顧名思義，其隔離的介質分別是光，電場信號和磁信號，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動器等各種應用場合。本文會聚焦在柵極驅動器的隔離技術的應用上。

在柵極驅動器的應用上，光耦驅動器歷史悠久，絕緣的可靠性經過長期的驗證。隨著電力電子發展向著高開關頻率，高功率密度，功率器件高結溫的方向發展。光耦的能力越來越力不從心，因為原邊的LED的光衰的問題，滿足逆變器的長壽命設計時，驅動板的功耗會相當可觀；而且光耦的使用的環境溫度和結溫都偏低，對于高功率密度的設計帶來驅動板設計的瓶頸；再次，當光耦的開關頻率提升到高速時，光耦的成本會急劇上升。從而在柵極驅動器的設計上，電容隔離和變壓器隔離登上了舞臺。

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

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

變壓器隔離柵極驅動器示意圖

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，在絕緣能力，傳輸速度，功耗上的表現都很優秀。

絕緣

聚酰亞胺是一種在光耦中長時間使用的絕緣材料，其絕緣特性經過長時間的驗證。二氧化硅也是一種適合在CMOS電路中使用的絕緣材質，其介電強度比聚酰亞胺要高。因為電磁傳輸對于線圈間的距離可以比電容傳輸的之間距離更大，從而允許填充更厚的聚酰亞胺。所以兩種材料的絕緣設計都可以滿足柵極驅動器的絕緣要求。

共模瞬變抗擾度(CMTI)

共模瞬變抗擾度是柵極驅動器比較重要的指標，因為電力電子開關都采用PWM的調制方式，dv/dt形成的共模干擾會比較惡劣，電機驅動類應用中的dv/dt典型值在5kV/us，而應用于電源類應用的IGBT的dv/dt會更高，新一代器件SiCMOS的開關dv/dt甚至可高達50kV/us.容隔器件的電容設計，在共模干擾時，會將干擾傳遞到副邊側，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100kV/us。而變壓器隔離，以電流變化的方式傳遞信號，本身抗dv/dt的能力就強。疊加信號編碼的抗共模設計，變壓器隔離器件可以獲得遠大于容隔的共模瞬變抗擾能力，以英飛凌的1ED34x1Mc12M為例，手冊中的CMTI的標定值已經達到200kV/μs（實際測試值更高），從而更加適配高速開關速度的應用場合。

圖3：柵極驅動器共模干擾路徑圖

結合英飛凌豐富的功率器件的設計和應用知識，英飛凌的柵極驅動器還具備一些獨特的設計特點。

精密時序控制

在英飛凌的柵極驅動器的輸入電路的設計上，英飛凌采用線性濾波的設計，這樣給應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品批次問題，偏差最大也不超過7ns，對于有些驅動并聯的應用場合帶來極大的幫助。另外對于高頻的SiC等應用，目前的死區要求已經小于300ns，以提高逆變器的性能，采用這種技術的驅動IC可以提升死區時間的精度，從而減小死區時間的設定。

線性濾波 RC濾波

圖4：濾波的設計及濾波精度示意圖

精確的短路保護

在功率器件的發展上，短路時間一直在縮短，以IGBT為例，1200V的新一代IGBT相對于上一代IGBT，短路時間從10us縮短到了8us。以SiC為例，其短路時間只有2~3us。所以精確的短路保護，特別是消隱時間的響應，就很關鍵。英飛凌采用兩種設計實現精確的短路保護：

1. 在所有帶desat檢測的驅動芯片中，采用了精密電流源的設計，電流源的精度達±10%（相對于其他廠家的驅動IC，精度處于最高水平），從而保證對于Desat電容的充電時間的浮動可控，相應的提升了消隱時間的精度。

2. 在1ED34x1Mc12M和1ED38x0Mc12M設計中，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，或者數字通訊的方式設定消隱時間，從而獲得更短更精確的短路保護時間設定。

1ED020I12-F2/B2的Desat保護原理圖

1ED34x1Mc12M的Desat保護原理圖

圖4

圖5：Desat用于短路保護時消隱時間的隱響

高電壓并可靠的輸出推挽MOS

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在輸出MOS的設計上，英飛凌也采用自身獨特的MOS電路設計的經驗，主要體現在三點：

1. 輸出的MOS的耐壓設計高達40V，從而在異常工況下，保護驅動電路不受異常的門級電壓的隱響。

2. MOS的設計考慮極短脈沖的設計，使得不論多窄的脈寬，都不會造成驅動MOS的過壓。

3. 獨特的PMOS設計，如圖5右圖所示，使得輸出電壓比較高的階段（對應IGBT的米勒平臺階段），仍能夠保持足夠的輸出電流，從而減小功率器件的開關損耗。

兩種設計的輸出電流差異可參考圖6，獨特的PMOS設計在實際的功率器件門級電壓在7.5V~15V的階段（也就是功率器件開通的關鍵階段），可以提供遠達于兩級推挽設計的電流，從而帶來更好的驅動性能。

兩級推挽設計，1ED Compact系列采用

獨特的PMOS設計，X3和F3系列采用

圖6：柵極驅動器輸出MOS推挽電路設計

圖7：兩種驅動器內部輸出電路設計的輸出電流,獨特的PMOS設計在功率器件門級電壓在7.5V~15V的階段，提供更大的驅動電流

無磁芯變壓器是新一代的驅動技術，基于英飛凌領先的功率器件設計和應用的經驗，具有高共模瞬變抗擾度、精密時序控制、精確的短路保護、高電壓并可靠的輸出推挽MOS等一系列特點，完美匹配功率器件的應用。

審核編輯：湯梓紅