英飛凌無磁芯變壓器（CT）隔離驅(qū)動芯片技術(shù)介紹

在之前的技術(shù)文章中，介紹了驅(qū)動芯片的概覽，PN結(jié)隔離（JI）技術(shù)，SOI驅(qū)動芯片技術(shù)等非隔離的驅(qū)動技術(shù)，本文會繼續(xù)介紹英飛凌的無磁芯變壓器（CT）隔離驅(qū)動芯片技術(shù)。

在隔離器件的技術(shù)上，有三種主流的隔離技術(shù)，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(zhì)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(qū)動器等各種應(yīng)用場合。本文會聚焦在柵極驅(qū)動器的隔離技術(shù)的應(yīng)用上。

在柵極驅(qū)動器的應(yīng)用上，光耦驅(qū)動器歷史悠久，絕緣的可靠性經(jīng)過長期的驗證。隨著電力電子發(fā)展向著高開關(guān)頻率，高功率密度，功率器件高結(jié)溫的方向發(fā)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(shè)計時，驅(qū)動板的功耗會相當可觀；而且光耦的使用的環(huán)境溫度和結(jié)溫都偏低，對于高功率密度的設(shè)計帶來驅(qū)動板設(shè)計的瓶頸；再次，當光耦的開關(guān)頻率提升到高速時，光耦的成本會急劇上升。從而在柵極驅(qū)動器的設(shè)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(jié)構(gòu)中，采用雙電容結(jié)構(gòu)，電容間采用二氧化硅（SiO2）作為隔離層，采用OOK調(diào)制或者邊沿調(diào)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(zhì)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(qū)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(shù)，在絕緣能力，傳輸速度，功耗上的表現(xiàn)都很優(yōu)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(jīng)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(zhì)，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?shù)闹g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(shè)計都可以滿足柵極驅(qū)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(qū)動器比較重要的指標，因為電力電子開關(guān)都采用PWM的調(diào)制方式，dv/dt形成的共模干擾會比較惡劣，電機驅(qū)動類應(yīng)用中的dv/dt典型值在5kV/us，而應(yīng)用于電源類應(yīng)用的IGBT的dv/dt會更高，新一代器件SiCMOS的開關(guān)dv/dt甚至可高達50kV/us.容隔器件的電容設(shè)計，在共模干擾時，會將干擾傳遞到副邊側(cè)，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(shè)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(jīng)達到200kV/μs（實際測試值更高），從而更加適配高速開關(guān)速度的應(yīng)用場合。

圖3：柵極驅(qū)動器共模干擾路徑圖

結(jié)合英飛凌豐富的功率器件的設(shè)計和應(yīng)用知識，英飛凌的柵極驅(qū)動器還具備一些獨特的設(shè)計特點。

精密時序控制

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

線性濾波

RC濾波

圖4：濾波的設(shè)計及濾波精度示意圖

精確的短路保護

在功率器件的發(fā)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(yīng)，就很關(guān)鍵。英飛凌采用兩種設(shè)計實現(xiàn)精確的短路保護：

1 ? 在所有帶desat檢測的驅(qū)動芯片中，采用了精密電流源的設(shè)計，電流源的精度達±10%（相對于其他廠家的驅(qū)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(yīng)的提升了消隱時間的精度。

2 ? 在1ED34x1Mc12M和1ED38x0Mc12M設(shè)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(shù)字通訊的方式設(shè)定消隱時間，從而獲得更短更精確的短路保護時間設(shè)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

在輸出MOS的設(shè)計上，英飛凌也采用自身獨特的MOS電路設(shè)計的經(jīng)驗，主要體現(xiàn)在三點：

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

2 ? MOS的設(shè)計考慮極短脈沖的設(shè)計，使得不論多窄的脈寬，都不會造成驅(qū)動MOS的過壓。

3 ? 獨特的PMOS設(shè)計，如圖5右圖所示，使得輸出電壓比較高的階段（對應(yīng)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(guān)損耗。

兩種設(shè)計的輸出電流差異可參考圖6，獨特的PMOS設(shè)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(guān)鍵階段），可以提供遠達于兩級推挽設(shè)計的電流，從而帶來更好的驅(qū)動性能。

兩級推挽設(shè)計，1ED Compact系列采用

獨特的PMOS設(shè)計，

X3和F3系列采用

圖6：柵極驅(qū)動器輸出MOS推挽電路設(shè)計

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

無磁芯變壓器是新一代的驅(qū)動技術(shù)，基于英飛凌領(lǐng)先的功率器件設(shè)計和應(yīng)用的經(jīng)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(yīng)用。