原创 无磁芯变压器(CT)隔离驱动芯片技术优势及产品系列

【导读】在之前的技术文章中，介绍了驱动芯片的概览，PN结隔离(JI)技术，SOI驱动芯片技术等非隔离的驱动技术，本文会继续介绍英飞凌的无磁芯变压器(CT)隔离驱动芯片技术。

在隔离器件的技术上，有三种主流的隔离技术，分别是光隔离，电容隔离和变压器隔离。顾名思义，其隔离的介质分别是光，电场信号和磁信号，隔离器件的使用及其广泛，从输入输出接口，通讯端口，到功率器件的栅极驱动器等各种应用场合。本文会聚焦在栅极驱动器的隔离技术的应用上。

在栅极驱动器的应用上，光耦驱动器历史悠久，绝缘的可靠性经过长期的验证。随着电力电子发展向着高开关频率，高功率密度，功率器件高结温的方向发展。光耦的能力越来越力不从心，因为原边的LED的光衰的问题，满足逆变器的长寿命设计时，驱动板的功耗会相当可观；而且光耦的使用的环境温度和结温都偏低，对于高功率密度的设计带来驱动板设计的瓶颈；再次，当光耦的开关频率提升到高速时，光耦的成本会急剧上升。从而在栅极驱动器的设计上，电容隔离和变压器隔离登上了舞台。

电容隔离采用电容传递信号，典型的示意图如下图1所示，在CMOS电路的电容结构中，采用双电容结构，电容间采用二氧化硅（SiO2）作为隔离层，采用OOK调制或者边沿调制的编码的方式进行原副边的信号传递。

图1：电容隔离的原理图

无磁芯变压器隔离采用磁传递信号，其典型的示意图如下图所示，传递信号的路径变成了隔离变压器，隔离介质采用了聚酰亚胺（polyimide）或者二氧化硅（SiO2）绝缘，其传输编码格式也类似容隔。

变压器隔离栅极驱动器示意图

互绕的无磁芯变压器示意图

图2

电容隔离和变压器隔离都是新一代的隔离技术，在绝缘能力，传输速度，功耗上的表现都很优秀。

绝缘

聚酰亚胺是一种在光耦中长时间使用的绝缘材料，其绝缘特性经过长时间的验证。二氧化硅也是一种适合在CMOS电路中使用的绝缘材质，其介电强度比聚酰亚胺要高。因为电磁传输对于线圈间的距离可以比电容传输的之间距离更大，从而允许填充更厚的聚酰亚胺。所以两种材料的绝缘设计都可以满足栅极驱动器的绝缘要求。

共模瞬变抗扰度(CMTI)

共模瞬变抗扰度是栅极驱动器比较重要的指标，因为电力电子开关都采用PWM的调制方式，dv/dt形成的共模干扰会比较恶劣，电机驱动类应用中的dv/dt典型值在5kV/us，而应用于电源类应用的IGBT的dv/dt会更高，新一代器件SiCMOS的开关dv/dt甚至可高达50kV/us.容隔器件的电容设计，在共模干扰时，会将干扰传递到副边侧，需要采用OOK编码或者其他的编码方式来抑制共模干扰，其共模瞬变抗扰度能力可达100kV/us。而变压器隔离，以电流变化的方式传递信号，本身抗dv/dt的能力就强。叠加信号编码的抗共模设计，变压器隔离器件可以获得远大于容隔的共模瞬变抗扰能力，以英飞凌的1ED34x1Mc12M为例，手册中的CMTI的标定值已经达到200kV/µs（实际测试值更高），从而更加适配高速开关速度的应用场合。

图3：栅极驱动器共模干扰路径图

结合英飞凌丰富的功率器件的设计和应用知识，英飞凌的栅极驱动器还具备一些独特的设计特点。

精密时序控制

在英飞凌的栅极驱动器的输入电路的设计上，英飞凌采用线性滤波的设计，这样给应用上带来了若干好处。（1）外置的输入滤波器可以减小，甚至省去外置的RC滤波器。（2）同一颗器件脉冲上升沿和下降沿的传输几乎没有偏差，即使考虑温度变化和产品批次问题，偏差最大也不超过7ns，对于有些驱动并联的应用场合带来极大的帮助。另外对于高频的SiC等应用，目前的死区要求已经小于300ns，以提高逆变器的性能，采用这种技术的驱动IC可以提升死区时间的精度，从而减小死区时间的设定。

线性滤波 RC滤波

图4：滤波的设计及滤波精度示意图

精确的短路保护

在功率器件的发展上，短路时间一直在缩短，以IGBT为例，1200V的新一代IGBT相对于上一代IGBT，短路时间从10us缩短到了8us。以SiC为例，其短路时间只有2~3us。所以精确的短路保护，特别是消隐时间的响应，就很关键。英飞凌采用两种设计实现精确的短路保护：

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1. 在所有带desat检测的驱动芯片中，采用了精密电流源的设计，电流源的精度达±10%（相对于其他厂家的驱动IC，精度处于最高水平），从而保证对于Desat电容的充电时间的浮动可控，相应的提升了消隐时间的精度。

2. 在1ED34x1Mc12M和1ED38x0Mc12M设计中，可以直接省掉外接Desat电容，分别采用模拟电阻连接在IC管脚，或者数字通讯的方式设定消隐时间，从而获得更短更精确的短路保护时间设定。

1ED020I12-F2/B2的Desat保护原理图

1ED34x1Mc12M的Desat保护原理图

图4

图5：Desat用于短路保护时消隐时间的隐响

高电压并可靠的输出推挽MOS

在输出MOS的设计上，英飞凌也采用自身独特的MOS电路设计的经验，主要体现在三点：

1. 输出的MOS的耐压设计高达40V，从而在异常工况下，保护驱动电路不受异常的门级电压的隐响。

2. MOS的设计考虑极短脉冲的设计，使得不论多窄的脉宽，都不会造成驱动MOS的过压。

3. 独特的PMOS设计，如图5右图所示，使得输出电压比较高的阶段（对应IGBT的米勒平台阶段），仍能够保持足够的输出电流，从而减小功率器件的开关损耗。

两种设计的输出电流差异可参考图6，独特的PMOS设计在实际的功率器件门级电压在7.5V~15V的阶段（也就是功率器件开通的关键阶段），可以提供远达于两级推挽设计的电流，从而带来更好的驱动性能。

两级推挽设计，1ED Compact系列采用

独特的PMOS设计，X3和F3系列采用

图6：栅极驱动器输出MOS推挽电路设计

图7：两种驱动器内部输出电路设计的输出电流,独特的PMOS设计在功率器件门级电压在7.5V~15V的阶段，提供更大的驱动电流

无磁芯变压器是新一代的驱动技术，基于英飞凌领先的功率器件设计和应用的经验，具有高共模瞬变抗扰度、精密时序控制、精确的短路保护、高电压并可靠的输出推挽MOS等一系列特点，完美匹配功率器件的应用。