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片上变压器隔离门极驱动器的优势
 

【作者: 安森美半導體】2020年12月04日 星期五

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在许多应用中,电气隔离是一项重要的要求,特别是在涉及高功率电路和低功率电路的地方,以及高边和低边接地需要分开的地方。 尽管隔离技术已经存在多年了,但已演变以满足新应用的需求,如可再生能源的逆变器、工业自动化、储能以及电动和混合动力汽车的逆变器和正温系数(PTC)加热器。


例如,在工业应用中,电机广泛用於自动化领域。 电机设计的发展支援在更小的封装中完成更多的工作,从而提高了功率密度。 施加这种机械力所需的电力需要更高的能效和控制。


通常使用基於IGBT技术的功率开关来实现这些应用的电源转换电路。 功率开关将配置为复杂的半桥和全桥拓扑,必须使用具有高驱动电流的门极驱动器高效地开关。此处可以选择分立门极驱动器电路,但通常内建驱动器的能效要高於分立门极驱动器电路。 特别是内置有片上电隔离的高驱动电流门极驱动器具有进一步的优势,例如功率密度提高,传播延迟更短,讯号完整性更好以及工作温度范围更宽。


隔离需求

在工业应用中进行隔离的主要原因在於,它为操作人员和系统的其他器件提供了安全性。 此外,隔离可以通过提供共模瞬变抗扰性(CMTI)来帮助提高系统性能。 隔离还通过为高边开关提供电平转换来?明系统设计。 在汽车应用中,隔离主要用於CMTI和电平转换。


与电子产品的其他方面一样,内建为改进提供了新的机会。 内建的隔离门极驱动器提供了一种更高性价比的方案,所需的电路板空间更少。 但是,与传统的隔离技术如脉冲变压器相比,将内建的门极驱动器扩展到大於5 KVrms的电压存在挑战,後者体积更大且价格昂贵。


与光耦相比,新一代的「数位」门极驱动器使用不同的方法跨隔离边界进行通讯。 一些方法是电感/无芯变压器耦合、电容耦合、甚至是RF通讯。


隔离的演变

由於隔离必须在高低压域之间提供物理安全屏障,因此很难将其内建到门极驱动器中。 因此,在过去,隔离通常是使用额外分立器件来实现的。最广泛使用的隔离方法之一涉及光耦。


使用光耦实现隔离至少需要两个元件,即发射器和接收器。 发射器将电讯号转换成光子,而接收器将光子转换回电讯号。 发射器和接收器之间的物理间隙提供了隔离,并且可以将两个器件内建到一个封装中。 尽管光耦提供可靠的隔离,并且可以扩展到大於5 KVrms的高隔离电压,但它们有一些缺点,包括可靠性和由於老化而引起的偏移特性。 光耦也相对复杂,为了实现隔离,封装内部有多个器件。


最近,包括安森美半导体在内的公司已成功开发了基於无芯变压器技术的隔离并将其内建到单个封装中,从而取代了对光耦隔离的要求。 它采用电隔离,及闸极驱动电路一起完全内建到单个器件中。 微型电感器之间的磁耦合以稳定可靠且经济高效的方式使讯号通过隔离边界。


米勒平台的重要性

功率开关如IGBT或MOSFET会遇到被称为米勒平台(Miller Plateau)的现象:传输曲线上的一个区域在导通或关断事件期间发生。 随着门的导通或关断,集电极-发射极或漏极-源极之间的电压开始下降或上升,并且当这种情况开始发生时,集电极或漏极及闸极之间的寄生电容即为米勒电容生效。 为了完成导通过程,驱动器必须给该米勒电容充电。 米勒电容的充电/放电时间称为米勒平台区; 电流开始通过IGBT / MOSFET建立,而两端的电压仍在下降或上升。 由於米勒平台区,功率电晶体表现出的大多数开关损耗都在导通或关断事件期间发生。


当电晶体移至米勒平台时,增加驱动电流可以加速过渡。 大多数门极驱动器都不会这样做,但是考虑到米勒平台设计的驱动器可以有效克服这一限制。


NCD57000 / 1是基於全内建的无芯变压器技术的内部隔离式高压IGBT门极驱动器。 NCD57000 / 1的输出级设计为内置一个缓冲级,可提高驱动电流。 具体而言,缓冲器随着门极电压升高而增加输出驱动,并且驱动器输出及闸极电压之间的压差减小。 内部缓冲器的增加使形成门极驱动器输出级的MOSFET更难驱动,从而帮助IGBT门极更快地通过米勒平台过渡。



图一 :  NCD57000 / 1的输出级设计为内置一个缓冲级,可提高驱动电流。
图一 : NCD57000 / 1的输出级设计为内置一个缓冲级,可提高驱动电流。

比较隔离型门极驱动器

应用无芯变压器技术来创新内建的、隔离型门极驱动器,现在正获得市场动力。 作为对光耦隔离驱动器的实际改进,它有许多优点。 但是,与所有事物一样,工程师在做出设计决定之前应该考虑一些品质因数。


下图表概述了要考虑的关键品质因数。 特别要注意源电流和汲电流。 在这方面,电流越大越好。 特别是数位隔离驱动器可以封装更多的驱动电流,因为与光耦驱动器中使用的光学隔离相比,数位隔离占用的矽空间更少,因此数位隔离驱动器可以在给定的封装尺寸内实现更强的驱动级。 与设计品质有关的另一个关键指标是传播延迟。 在这种情况下,越短越好。


实际上,从图表中的数位可以看出,在所有关键叁数中,数位隔离门极驱动器技术可提供优於光耦隔离技术的性能。 这在延迟失真和共模瞬变抗扰度(CMTI)中可能最为明显。



图二 : 比较NCD57000/1与光隔离技术和主要竞争对手的品质因数
图二 : 比较NCD57000/1与光隔离技术和主要竞争对手的品质因数

总结

现在需要更高电压的应用数量正在增加。 隔离可以通过多种方式实现,但是对较小方案的压倒性需求意味着采用内建方法可以带来更多好处。 使用无芯变压器技术的内建数位隔离为工程师提供了解决此设计问题的便捷方案,但是底层技术更为复杂,这意味着半导体公司必须投入自己的设计精力来开发最隹方案。 安森美半导体的NCD57000 / 1可以实现隔离级别,同时提供高驱动电流和出色的开关性能。


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