無磁芯變壓器在高邊驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

在半橋結(jié)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)高邊開關(guān)必須要有信號(hào)從控制器傳送到浮動(dòng)高邊。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的性能和擁有不同種類電平位移的HV IC，信號(hào)互換需要用光電耦合器、脈沖變壓器或帶有電平位移的HV IC。光電耦合器可以提供安全隔離，但存在的問題是：光電耦合器的響應(yīng)速度相對(duì)MOSFET、IGBT等開關(guān)速度太低、性能也會(huì)逐漸變差;隔離變壓器盡管是很普遍的解決方案，但所帶來的問題是：驅(qū)動(dòng)電路會(huì)變得很復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比會(huì)受到限制(如50%以下)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形也會(huì)變差;帶有電平位移的HV IC價(jià)格是比較低廉的，但需要專用的驅(qū)動(dòng)IC。

2 半橋驅(qū)動(dòng)器的特性

為了能夠?qū)⒍喾N功能集成在IC中，本文分析討論了半橋驅(qū)動(dòng)器的潛在性能。

2.1 柵極驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件必須要引用控制器的PWM信號(hào)為發(fā)射極與柵極提供電壓?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)電壓不是很高，并且電壓變化率也很低，因此需要放大和電平調(diào)整。如果功率設(shè)備是在同樣的電壓下，柵極驅(qū)動(dòng)功能可以加以補(bǔ)充和豐富，但在許多情況下發(fā)射極與控制器的電壓是不同的。

圖1所示的半橋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)跟普通電力電子線路里的一樣，控制器和高邊發(fā)射極之間的電壓VE2不僅是不同的，而且在工作期間是變化的。將PWM信號(hào)從控制器傳送到高邊功率半導(dǎo)體，需要多種類型的信號(hào)傳送器。總而言之，柵極驅(qū)動(dòng)的最小功能是放大和電平位移。

圖1 半橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 電平位移

工業(yè)要求在功率級(jí)和頻率變換器控制板之間要有安全隔離。在很多低性能驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，往往是犧牲更多的效率來實(shí)現(xiàn)電路板和微控制器之間的隔離。

如果在控制器和功率級(jí)之間不加絕緣隔離，可以應(yīng)用如圖2所示的帶有單片集成電平位移的高壓IC。這種IC在600V及其以下的電壓時(shí)非常消耗效率。由于更高的電壓在輸入和輸出之間用硅實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)隔離使這種解決方案變得很昂貴。高電平驅(qū)動(dòng)通常需要在微控制器和功率級(jí)之間加隔離。在工作電壓達(dá)到890V的應(yīng)用中，這些驅(qū)動(dòng)的首選是現(xiàn)成可用的具有安全隔離的光電耦合器。所有采用光電耦合器的解決方案的主要缺陷在于相當(dāng)慢的傳輸時(shí)間和更差的變換時(shí)間。高電壓隔離也可以由脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)，離散脈沖變壓器的傳輸特性是不錯(cuò)的，但成本和物理大小迫使人們尋找新的解決方案。無磁芯變壓器技術(shù)即提供了一種新的解決方案。

圖2 具有準(zhǔn)隔離的電平位移電路

3 無磁芯變壓器技術(shù)

3.1 無磁芯變壓器原理

無磁芯變壓器技術(shù)使用半導(dǎo)體制造工藝來集成一個(gè)由金屬螺旋線和氧化硅絕緣材料組成的變壓器，其主要思想就是在IC內(nèi)集成變壓器的兩個(gè)繞組，如圖3所示。變壓器可以安置在接收器芯片上，也可以安置在傳輸芯片上，但功能是不變的。離散變壓器需要磁芯產(chǎn)生磁通量，繞組在IC內(nèi)需要放置的足夠緊密來保護(hù)磁芯。

圖3 無磁芯變壓器原理

由于繞組的設(shè)計(jì)和大小，耦合能力可能減小到很低，在輸入和輸出之間的總?cè)萘坑煽蚣艿拇笮】刂?。一個(gè)好的繞組設(shè)計(jì)可使它不受外界磁場(chǎng)的影響。根據(jù)EN50178，為保證工作電壓達(dá)到890V的應(yīng)用的安全隔離，繞組之間的隔離需要能承受6kV的電壓。

氧化硅絕緣材料是IC中常用的隔離材料，只要使用適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)技術(shù)就可以做到足夠的厚度。另外，可以采用具有較強(qiáng)集成邏輯能力的技術(shù)來支持無磁芯變壓器的應(yīng)用。當(dāng)變壓器傳送脈沖信號(hào)，還需要接收電路。接收電路也可以像繞組一樣很容易的集成在同一個(gè)芯片內(nèi)。接收電路連接在次級(jí)繞組上，它的作用是把變壓器發(fā)出的信號(hào)解碼。這些信號(hào)由位于不同芯片上的激勵(lì)電路產(chǎn)生。激勵(lì)電路由兩根導(dǎo)線連接到變壓器的初級(jí)繞組上。

3.2 信號(hào)傳輸

脈沖變壓器通常要求允許快速和穩(wěn)定通信的信號(hào)協(xié)議。無磁芯變壓器初級(jí)與次級(jí)繞組的脈沖延遲需少于10ns。建立較好的基本速度，特別是延遲不會(huì)隨時(shí)間或溫度的變化而降級(jí)。由于繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)并且瞬間達(dá)到50kV/μs，因此不會(huì)對(duì)傳輸產(chǎn)生影響。為了不產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)，使用串聯(lián)模式能很容易的實(shí)現(xiàn)接收電路的共模抑制濾波。類似地智能錯(cuò)誤檢測(cè)也可集成在激勵(lì)電路內(nèi)，在檢測(cè)到錯(cuò)誤的情況下能糾正信號(hào)。帶有編碼，解碼和濾波的無磁芯變壓器的總延遲時(shí)間大約為50ns(如圖4所示)。

圖4 無磁芯變壓器模型的測(cè)試曲線

由于無磁芯變壓器技術(shù)的轉(zhuǎn)換率高達(dá)100兆赫，因此不僅適用柵極驅(qū)動(dòng)，而且還可以作為基本技術(shù)應(yīng)用在要求(安全)絕緣隔離和高數(shù)據(jù)速率的各種各樣的產(chǎn)品中。

3.3 無磁芯變壓器技術(shù)與電平位移技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)

由于電平位移技術(shù)不能提供電流隔離，所以在一些應(yīng)用中不能直接加強(qiáng)隔離。如果半導(dǎo)體技術(shù)不能通過使用介電隔離或通過將電路分離在兩個(gè)芯片上提供保護(hù)，那么流過襯底的電流可能會(huì)導(dǎo)致某個(gè)特殊點(diǎn)上的IC故障。更重要的是，一旦當(dāng)高邊柵極驅(qū)動(dòng)芯片，其可方便、可*的應(yīng)用到中等功率的應(yīng)用場(chǎng)合中。驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

具有隔離功能的半橋驅(qū)動(dòng)器2EID020I12-F可實(shí)現(xiàn)高邊驅(qū)動(dòng)和+1A/-2A的輸出電流。低邊驅(qū)動(dòng)和輸入連同一個(gè)通用比較器和一個(gè)通用運(yùn)算放大器一起集成在同一個(gè)芯片里，標(biāo)準(zhǔn)邏輯功能如高低邊的欠壓鎖定也集成在芯片里。

圖5 2ED020I12-F內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

本文表明放大作用和電平位移是柵極驅(qū)動(dòng)的主要任務(wù)，討論了多種實(shí)現(xiàn)電平位移的技術(shù)。介紹了一種新型的高邊驅(qū)動(dòng)解決方案，用無磁芯變壓器技術(shù)設(shè)計(jì)具有電隔離的高邊驅(qū)動(dòng)。最后介紹了一款合并了無磁芯變壓器技術(shù)的產(chǎn)品2ED020I12-F，體現(xiàn)了無磁芯變壓器技術(shù)的優(yōu)越性。