帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
片上變壓器隔離門極驅動器的優勢
 

【作者: 安森美半導體】   2020年12月04日 星期五

瀏覽人次:【5353】
  

在許多應用中,電氣隔離是一項重要的要求,特別是在涉及高功率電路和低功率電路的地方,以及高邊和低邊接地需要分開的地方。 儘管隔離技術已經存在多年了,但已演變以滿足新應用的需求,如可再生能源的逆變器、工業自動化、儲能以及電動和混合動力汽車的逆變器和正溫係數(PTC)加熱器。


例如,在工業應用中,電機廣泛用於自動化領域。 電機設計的發展支援在更小的封裝中完成更多的工作,從而提高了功率密度。 施加這種機械力所需的電力需要更高的能效和控制。


通常使用基於IGBT技術的功率開關來實現這些應用的電源轉換電路。 功率開關將配置為複雜的半橋和全橋拓撲,必須使用具有高驅動電流的門極驅動器高效地開關。此處可以選擇分立門極驅動器電路,但通常內建驅動器的能效要高於分立門極驅動器電路。 特別是內置有片上電隔離的高驅動電流門極驅動器具有進一步的優勢,例如功率密度提高,傳播延遲更短,訊號完整性更好以及工作溫度範圍更寬。


隔離需求

在工業應用中進行隔離的主要原因在於,它為操作人員和系統的其他器件提供了安全性。 此外,隔離可以通過提供共模瞬變抗擾性(CMTI)來幫助提高系統性能。 隔離還通過為高邊開關提供電平轉換來?明系統設計。 在汽車應用中,隔離主要用於CMTI和電平轉換。


與電子產品的其他方面一樣,內建為改進提供了新的機會。 內建的隔離門極驅動器提供了一種更高性價比的方案,所需的電路板空間更少。 但是,與傳統的隔離技術如脈衝變壓器相比,將內建的門極驅動器擴展到大於5 KVrms的電壓存在挑戰,後者體積更大且價格昂貴。


與光耦相比,新一代的「數位」門極驅動器使用不同的方法跨隔離邊界進行通訊。 一些方法是電感/無芯變壓器耦合、電容耦合、甚至是RF通訊。


隔離的演變

由於隔離必須在高低壓域之間提供物理安全屏障,因此很難將其內建到門極驅動器中。 因此,在過去,隔離通常是使用額外分立器件來實現的。最廣泛使用的隔離方法之一涉及光耦。


使用光耦實現隔離至少需要兩個元件,即發射器和接收器。 發射器將電訊號轉換成光子,而接收器將光子轉換回電訊號。 發射器和接收器之間的物理間隙提供了隔離,並且可以將兩個器件內建到一個封裝中。 儘管光耦提供可靠的隔離,並且可以擴展到大於5 KVrms的高隔離電壓,但它們有一些缺點,包括可靠性和由於老化而引起的偏移特性。 光耦也相對複雜,為了實現隔離,封裝內部有多個器件。


最近,包括安森美半導體在內的公司已成功開發了基於無芯變壓器技術的隔離並將其內建到單個封裝中,從而取代了對光耦隔離的要求。 它採用電隔離,及閘極驅動電路一起完全內建到單個器件中。 微型電感器之間的磁耦合以穩定可靠且經濟高效的方式使訊號通過隔離邊界。


米勒平台的重要性

功率開關如IGBT或MOSFET會遇到被稱為米勒平台(Miller Plateau)的現象:傳輸曲線上的一個區域在導通或關斷事件期間發生。 隨著門的導通或關斷,集電極-發射極或漏極-源極之間的電壓開始下降或上升,並且當這種情況開始發生時,集電極或漏極及閘極之間的寄生電容即為米勒電容生效。 為了完成導通過程,驅動器必須給該米勒電容充電。 米勒電容的充電/放電時間稱為米勒平台區; 電流開始通過IGBT / MOSFET建立,而兩端的電壓仍在下降或上升。 由於米勒平台區,功率電晶體表現出的大多數開關損耗都在導通或關斷事件期間發生。


當電晶體移至米勒平台時,增加驅動電流可以加速過渡。 大多數門極驅動器都不會這樣做,但是考慮到米勒平台設計的驅動器可以有效克服這一限制。


NCD57000 / 1是基於全內建的無芯變壓器技術的內部隔離式高壓IGBT門極驅動器。 NCD57000 / 1的輸出級設計為內置一個緩衝級,可提高驅動電流。 具體而言,緩衝器隨著門極電壓升高而增加輸出驅動,並且驅動器輸出及閘極電壓之間的壓差減小。 內部緩衝器的增加使形成門極驅動器輸出級的MOSFET更難驅動,從而幫助IGBT門極更快地通過米勒平台過渡。



圖一 :  NCD57000 / 1的輸出級設計為內置一個緩衝級,可提高驅動電流。
圖一 : NCD57000 / 1的輸出級設計為內置一個緩衝級,可提高驅動電流。

比較隔離型門極驅動器

應用無芯變壓器技術來創新內建的、隔離型門極驅動器,現在正獲得市場動力。 作為對光耦隔離驅動器的實際改進,它有許多優點。 但是,與所有事物一樣,工程師在做出設計決定之前應該考慮一些品質因數。


下圖表概述了要考慮的關鍵品質因數。 特別要注意源電流和汲電流。 在這方面,電流越大越好。 特別是數位隔離驅動器可以封裝更多的驅動電流,因為與光耦驅動器中使用的光學隔離相比,數位隔離佔用的矽空間更少,因此數位隔離驅動器可以在給定的封裝尺寸內實現更強的驅動級。 與設計品質有關的另一個關鍵指標是傳播延遲。 在這種情況下,越短越好。


實際上,從圖表中的數位可以看出,在所有關鍵參數中,數位隔離門極驅動器技術可提供優於光耦隔離技術的性能。 這在延遲失真和共模瞬變抗擾度(CMTI)中可能最為明顯。



圖二 : 比較NCD57000/1與光隔離技術和主要競爭對手的品質因數
圖二 : 比較NCD57000/1與光隔離技術和主要競爭對手的品質因數

總結

現在需要更高電壓的應用數量正在增加。 隔離可以通過多種方式實現,但是對較小方案的壓倒性需求意味著採用內建方法可以帶來更多好處。 使用無芯變壓器技術的內建數位隔離為工程師提供了解決此設計問題的便捷方案,但是底層技術更為複雜,這意味著半導體公司必須投入自己的設計精力來開發最佳方案。 安森美半導體的NCD57000 / 1可以實現隔離級別,同時提供高驅動電流和出色的開關性能。


相關文章
多功能感知方案賦能工業成像應用
深究Subaru汽車Eyesight駕駛輔助平台之開發
AlwaysON DFS:利用DFS通道的智慧機制
打造更美好的人工智慧晶片
選擇最佳化振動感測器 增進風力發電機狀態監測
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
mbed
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Arduino
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Raspberry Pi
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
  相關新聞
» 【東西講座:最後召集!!】讓5G天線更高效B>
» TrendForce:蘋果Mini LED iPad Pro出貨量預估達500萬台
» 瞄準智慧家用與燈控 笙泉MCU產品佈局與藍牙應用緊密結合
» 微軟佈局亞洲資料中心 四年要創10萬就業機會與100億美元產值
» 助開發海洋與氣候變遷解方 ADI聯手WHOI成立創新加速器
  相關產品
» 支援大功率應用小型化 ROHM研發出10W額定功率低阻值電阻
» 英飛凌推出AEC-Q103認證MEMS麥克風 滿足車內外語音應用
» 大聯大最新主動降噪藍牙耳機方案 支援高通Adaptive aptX編解碼
» Xilinx推全新自調適系統模組系列 首發產品聚焦AI視覺工業應用
» Microchip首推車用大型觸控螢幕SoC 支援OLED超寬尺寸
  相關資源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2021 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw