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DC/DC閘極驅動變壓器與完全整合隔離器的比較
 

【作者: Bob Bell】   2010年07月20日 星期二

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所有絕緣式直流/直流電源轉換器都包含了一組輸入端濾波器、一組輸出端濾波器、一組變壓器、多組主要側開關器、一組次要側整流器以及一組控制器。無論是主要的側開關或是次要的側整流器,都可以將控制器作為接地參考。圖一所示為一組絕緣式的半橋電源轉換器,該轉換器包含一組連結到主要側開關的控制器。總共有四種元件跨越在絕緣邊界上;分別是一組電源變壓器、一組回饋訊號以及兩組同步整流 MOSFET 控制訊號。由於回饋訊號是相對緩慢的類比訊號,因此通常會使用一組光耦合器來絕緣回饋訊號。不過大多數的光耦合器太過緩慢,因此無法用來同步 MOSFET 閘極驅動的絕緣。



《圖一 具有控制驅動同步整流器的半橋式電源轉換器》 - BigPic:576x417


利用閘極驅動變壓器提供同步整流訊號絕緣


一般來說,最常使用的方法是利用閘極驅動變壓器,提供同步整流閘極驅動訊號的絕緣效果。這些變壓器不僅能直接驅動MOSFET的閘極,也能對於應用在閘極驅動晶片次要側整流器的控制訊號提供絕緣的效果。由於變壓器無法通過直流訊號,因此必須使用一組具備固定大小的變壓器(只有某些特定的電壓值在某些時間能通過)跨越絕緣邊界。在每個特定時間之後,變壓器需要被重新啟動,會考量到其工作週期的限制,因此閘極驅動變壓器會有其挑戰與限制。近來許多供應商開始以完全整合式的解決方案取代傳統的閘極驅動變壓器。本文章將會檢視使用閘極驅動變壓器時所遇到的問題,並說明一些已經開始應用的新型解決方案。




《圖二 基本的變壓器絕緣閘極驅動的方案》




圖二所示為最基本的變壓器絕緣閘極驅動示意圖。經由此圖,可知輸入端是透過一組直流阻斷電容器來做耦合,利用一組10V、50%工作週期的驅動訊號,會使阻斷電容間產生一組5V的直流偏壓。偏壓電壓值大小為:驅動電壓值×工作週期。本實例中最終次要測驅動電壓值的範圍將會在+5V到-5V之間擺盪。其中的負「關閉偏壓」具有很強的抗雜訊能力,但會損失一半的「開啟偏壓」。由於峰值電壓大小會隨著工作週期的增加而減少,因此這個方案在工作週期高於50%時可能不太適用。



必須要特別注意在一些工作週期變化很快的應用裝置中,這可能會導致系統不穩定甚至損壞故障。當耦合電容器上的偏壓值改變時,電容器會與變壓器的激磁電感產生共振。此共振可能會造成MOSFET在某個不適當的時間內開啟。可以藉由較大的電容值、閘極電阻器或是減慢工作週期的變化率來改善這個問題,不過,如果選用過大的電容值,會使變壓器在暫態狀況下產生飽和現象。



直流還原閘極的驅動方式


圖三所示為另一組變壓器絕緣閘驅動方式,通常稱為直流還原閘極驅動方式。二極體與次要側電容器能幫助閘極驅動的直流電壓值還原,並且可以允許在較高的工作週期狀態下作業。此電路能避免前述範例中產生的共振,以及可能出現在基本方法中的變壓器飽和問題。但是,此電路在關閉時會有一些潛在的風險。在關閉狀態下,主要側電容器會無限期地進行導通,並產生主要側磁化電流,使變壓器達到飽和。當變壓器飽和時,變壓器的次要側電容會發生短路現象,使得次要側電容開啟MOSFET,因此可能會破壞到電源轉換器。可以透過選用較小耦合電容數值的電容器來改善這個現象,或是使用具有軟停機功能的控制器,來逐漸降低工作週期,而非瞬間停止。



《圖三 具有直流還原裝置的變壓器絕緣閘極驅動方案》


一般來說,經過謹慎設計與評估的變壓器絕緣閘極驅動可以在50%或50%以下的工作週期維持良好的運作狀態。舉例來說,圖一所示電源轉換器的同步整流器所需的工作週期相當高,高於50%的大小。對於這類型高工作週期的應用變壓器絕緣裝置來說,需要使用直流還原的技術,但還原技術仍然具有潛在問題,因此需要謹慎的設計與評估。高效能絕緣的直流/直流電源轉換器設計人員所追求的,是設計出更高效能與更小尺寸的產品。基於絕緣閘極驅動技術所設計的變壓器相對之下體積較為龐大,因為它不僅僅只有變壓器,同時也具有相關的重置元件。最近有許多供應商開始使用完全整合絕緣閘驅動的解決方案。這些解決方案分別採用不同的絕緣技術,包括微變壓器、與射頻調變耦合的電容器以及巨磁電阻(Giant Magneto-Resistive ,GMR)感測器。



整合絕緣閘驅動的不同絕緣技術


其中一種微晶片規模的變壓器,以隔絕數位訊號跨越接地絕緣邊界。在每一個輸入過渡端的每個邊緣都會進行編碼,例如兩組脈衝代表的是一個上升邊緣、一組脈衝代表的是一個下降邊緣。這些脈衝訊號會在微變壓器間進行耦合,並在次要側進行解碼。經由周期性不斷地產生新的主要側脈衝訊號,以確認直流的正確性。而在次要側安裝的監視計時器可用來追蹤新的脈衝訊號。



另一種絕緣裝置是使用高頻射頻模調變在接地絕緣邊界間做數位訊號的傳遞。若一組主要側700MHz的調變訊號「開啟」或「關閉」,代表輸入端處在「1」或「0」 的狀態。從主要側發射器所發出的訊號,在次要側可以偵測的到。解調器可藉由解讀射頻訊號的消失或出現來控制輸出端的狀態。製造商表示由於射頻訊號狀態資訊持續且快速的傳送與接收,因此這種射頻訊號開/關方法能提供最一流的抗雜訊效果。



還有一種方法是使用名為巨磁電阻感測的技術。這個方案中,當主要側輸入「1」 的直流電流到微型線圈或集中器時,能產生一股集中的磁場。在次要側裝有GMR 奈米技術元件,它是由一對鐵磁合金夾著一種超薄的非磁性導體中間層所組成。感測器都被安裝在一組惠司同電橋裝置中。當磁場存在時,感測器的電阻值變動量會影響到電橋的平衡。電橋的輸出端能透過次要側電路來作量測與調節。



上述這些完全整合絕緣器都非常有趣。這些完全整合式的絕緣器在絕緣邊界間傳遞閘極驅動訊號的能力非常可靠,而且體積比舊有的閘驅動絕緣器變壓器更小。對於任何一種採用絕緣技術的電源轉換器裝置都是很具有挑戰性。另一個需要注意的地方是dV/dt值的敏感度。這個方法可以在暫態期間以及之後,藉由快速的在接地與接地間電壓值來檢視絕緣器的輸出端是否處在不同的狀態。



另外,還需要考量到的是電磁敏感度的問題。當絕緣器放置於外加電磁場時必須處在某個合適的狀態。許多新裝置的作業溫度範圍都在攝氏85度以下,但這個溫度範圍對於某些電源轉換器而言似乎過低。多數的新技術都需要針對元件的主要側與次要側提供獨立的5V的偏壓。因此相對於舊有的絕緣轉換器,還需多安裝一些額外的支援元件。這些新元件的輸入端通常會有個TTL門檻值,上限在 5V。



近來市場上也發表了許多新的絕緣器技術。各種新型絕緣器中的實際內部運作方式都非常的不同;包括了微變壓器脈衝、射頻標記以及GMR。在採用任何一種新技術之前,必須在不同的技術之間仔細評估,衡量整體的電源轉換解決方案是否與採用最弱的元件一樣好。



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