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无磁芯变压器(CT)隔离驱动芯片技术优势及产品系列 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。 【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： 买电子元器件现货上唯样商城 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。

MOSFET以及IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件的源极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过，因而低频的表态驱动功率接近于零。但是栅极和源极之间构成了一个栅极电容Cgs，因而在高频率的交替开通和需要关断时需要一定的动态驱动功率。小功率MOSFET的Cgs一般在10-100pF之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由于栅极电容Cgs较大。一般在1-100nF之间，因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容Cdg，栅极驱动功率往往是不可忽视的。 因IGBT具有电流拖尾效应，在关断时要求更好的抗干扰性，需要负压驱动。MOSFET速度比较快，关断时可以没有负压，但在干扰较重时，负压关断对于提高可靠性有很大好处。 隔离驱动技术情况 为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了许多优秀的驱动集成电路。 1、光电耦合器隔离的驱动器 光电耦合器的优点是体积小巧，缺点是：A、反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于300ns);B、光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。 2、无源变压器驱动 用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。无源方法就是用变压器次级的输出直流驱动绝缘栅器件，这种方法很简单也不需要单独的驱动电源。缺点是输出波型失真较大，因为绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大。减小失真的办法是将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积，但在大功率下，一般仍不令人满意。另一缺点是当占空比变化较大时，输出驱动脉冲的正负幅值变化太大，可能导致工作不正常，因此只适用于占空比变化不大的场合。 3、有源变压器驱动 有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形较好，但是需要另外提供单独的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。 4、调制型自给电源的变压器隔离驱动器 采用自给电源技术，只用一个变压器，既省却了辅助电源，又能得到较快的速度，当然是不错的方法。目前自给电源的产生有调制和从分时两种方法。 调制技术是比较经典的方法，即对PWM驱动信号进行高频(几个MHZ以上)调制，并将调制信号加在隔离脉冲变压器初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法并不简单。调制式的另一缺点是PWM的解调要增加信号的延时，调制方式适于传递较低频率的PWM信号。 5、分时型自给电源的变压器隔离驱动器 分时技术是一种较新的技术，其原理是，将信号和能量的传送采取分别进行的方法，即在变压器输入PWM信号的上升和下降沿传递信息，在输入信号的平顶阶段传递驱动所需要的能量。由于在PWM信号的上升和下降沿只传递信号，基本没有能量传输，因而输出的PWM脉冲的延时和畸变都很小，能获得陡峭的驱动输出脉冲。分时型自给电源驱动器的不足是用于低频时变压器的体积较大，此外由于自给能量的限制，驱动超过300A/1200V的IGBT比较困难。

MOSFET以及IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件的源极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过，因而低频的表态驱动功率接近于零。但是栅极和源极之间构成了一个栅极电容Cgs，因而在高频率的交替开通和需要关断时需要一定的动态驱动功率。小功率MOSFET的Cgs一般在10-100pF之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由于栅极电容Cgs较大。一般在1-100nF之间，因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容Cdg，栅极驱动功率往往是不可忽视的。 因IGBT具有电流拖尾效应，在关断时要求更好的抗干扰性，需要负压驱动。MOSFET速度比较快，关断时可以没有负压，但在干扰较重时，负压关断对于提高可靠性有很大好处。 隔离驱动技术情况 为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了许多优秀的驱动集成电路。 1、光电耦合器隔离的驱动器 光电耦合器的优点是体积小巧，缺点是：A、反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于300ns);B、光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。 2、无源变压器驱动 用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。无源方法就是用变压器次级的输出直流驱动绝缘栅器件，这种方法很简单也不需要单独的驱动电源。缺点是输出波型失真较大，因为绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大。减小失真的办法是将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积，但在大功率下，一般仍不令人满意。另一缺点是当占空比变化较大时，输出驱动脉冲的正负幅值变化太大，可能导致工作不正常，因此只适用于占空比变化不大的场合。 3、有源变压器驱动 有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形较好，但是需要另外提供单独的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。 4、调制型自给电源的变压器隔离驱动器 采用自给电源技术，只用一个变压器，既省却了辅助电源，又能得到较快的速度，当然是不错的方法。目前自给电源的产生有调制和从分时两种方法。 调制技术是比较经典的方法，即对PWM驱动信号进行高频(几个MHZ以上)调制，并将调制信号加在隔离脉冲变压器初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法并不简单。调制式的另一缺点是PWM的解调要增加信号的延时，调制方式适于传递较低频率的PWM信号。 5、分时型自给电源的变压器隔离驱动器 分时技术是一种较新的技术，其原理是，将信号和能量的传送采取分别进行的方法，即在变压器输入PWM信号的上升和下降沿传递信息，在输入信号的平顶阶段传递驱动所需要的能量。由于在PWM信号的上升和下降沿只传递信号，基本没有能量传输，因而输出的PWM脉冲的延时和畸变都很小，能获得陡峭的驱动输出脉冲。分时型自给电源驱动器的不足是用于低频时变压器的体积较大，此外由于自给能量的限制，驱动超过300A/1200V的IGBT比较困难。