【導讀】在之前的技術文章中
，介紹了驅動芯片的概覽，PN結隔離(JI)技術，SOI驅動芯片技術等非隔離的驅動技術，本文會繼續介紹英飛淩的無磁芯變壓器(CT)隔離驅動芯片技術。

在(zai)隔(ge)離(li)器(qi)件(jian)的(de)技(ji)術(shu)上(shang)
，有(you)三(san)種(zhong)主(zhu)流(liu)的(de)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)，分(fen)別(bie)是(shi)光(guang)隔(ge)離(li)，電(dian)容(rong)隔(ge)離(li)和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)隔(ge)離(li)。顧(gu)名(ming)思(si)義(yi)，其(qi)隔(ge)離(li)的(de)介(jie)質(zhi)分(fen)別(bie)是(shi)光(guang)，電(dian)場(chang)信(xin)號(hao)和(he)磁(ci)信(xin)號(hao)，隔(ge)離(li)器(qi)件(jian)的(de)使(shi)用(yong)及(ji)其(qi)廣(guang)泛(fan)，從(cong)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)接(jie)口(kou)，通(tong)訊(xun)端(duan)口(kou)


，到(dao)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)等(deng)各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)。本(ben)文(wen)會(hui)聚(ju)焦(jiao)在(zai)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用(yong)上(shang)。

在(zai)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)上(shang)，光(guang)耦(ou)驅(qu)動(dong)器(qi)曆(li)史(shi)悠(you)久(jiu)，絕(jue)緣(yuan)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)經(jing)過(guo)長(chang)期(qi)的(de)驗(yan)證(zheng)。隨(sui)著(zhe)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)發(fa)展(zhan)向(xiang)著(zhe)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)高(gao)結(jie)溫(wen)的(de)方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)。光(guang)耦(ou)的(de)能(neng)力(li)越(yue)來(lai)越(yue)力(li)不(bu)從(cong)心(xin)，因(yin)為(wei)原(yuan)邊(bian)的(de)LED的光衰的問題
，滿足逆變器的長壽命設計時，驅動板的功耗會相當可觀；而且光耦的使用的環境溫度和結溫都偏低，對於高功率密度的設計帶來驅動板設計的瓶頸；再次，當光耦的開關頻率提升到高速時
，光耦的成本會急劇上升。從而在柵極驅動器的設計上，電容隔離和變壓器隔離登上了舞台。

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電路的電容結構中，采用雙電容結構
，電容間采用二氧化矽（SiO2）作為隔離層，采用OOK調製或者邊沿調製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
，隔離介質采用了聚酰亞胺（polyimide）或者二氧化矽（SiO2）絕緣，其傳輸編碼格式也類似容隔。

變壓器隔離柵極驅動器示意圖

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，在絕緣能力，傳輸速度，功耗上的表現都很優秀。

絕緣

聚酰亞胺是一種在光耦中長時間使用的絕緣材料，其絕緣特性經過長時間的驗證。二氧化矽也是一種適合在CMOS電(dian)路(lu)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)絕(jue)緣(yuan)材(cai)質(zhi)
，其(qi)介(jie)電(dian)強(qiang)度(du)比(bi)聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)要(yao)高(gao)。因(yin)為(wei)電(dian)磁(ci)傳(chuan)輸(shu)對(dui)於(yu)線(xian)圈(quan)間(jian)的(de)距(ju)離(li)可(ke)以(yi)比(bi)電(dian)容(rong)傳(chuan)輸(shu)的(de)之(zhi)間(jian)距(ju)離(li)更(geng)大(da)，從(cong)而(er)允(yun)許(xu)填(tian)充(chong)更(geng)厚(hou)的(de)聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)。所(suo)以(yi)兩(liang)種(zhong)材(cai)料(liao)的(de)絕(jue)緣(yuan)設(she)計(ji)都(dou)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)絕(jue)緣(yuan)要(yao)求(qiu)。

共模瞬變抗擾度(CMTI)

共模瞬變抗擾度是柵極驅動器比較重要的指標，因為電力電子開關都采用PWM的調製方式，dv/dt形成的共模幹擾會比較惡劣，電機驅動類應用中的dv/dt典型值在5kV/us，而應用於電源類應用的IGBT的dv/dt會更高
，新一代器件SiCMOS的開關dv/dt甚至可高達50kV/us.容隔器件的電容設計，在共模幹擾時，會將幹擾傳遞到副邊側，需要采用OOK編碼或者其他的編碼方式來抑製共模幹擾，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計，變壓器隔離器件可以獲得遠大於容隔的共模瞬變抗擾能力，以英飛淩的1ED34x1Mc12M為例，手冊中的CMTI的標定值已經達到200kV/µs（實際測試值更高）
，從而更加適配高速開關速度的應用場合。

圖3：柵極驅動器共模幹擾路徑圖

結合英飛淩豐富的功率器件的設計和應用知識
，英飛淩的柵極驅動器還具備一些獨特的設計特點。

精密時序控製

在英飛淩的柵極驅動器的輸入電路的設計上，英飛淩采用線性濾波的設計

，這樣給應用上帶來了若幹好處。（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）同一顆器件脈衝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品批次問題，偏差最大也不超過7ns，對於有些驅動並聯的應用場合帶來極大的幫助。另外對於高頻的SiC等應用
，目前的死區要求已經小於300ns
，以提高逆變器的性能，采用這種技術的驅動IC可以提升死區時間的精度，從而減小死區時間的設定。

線性濾波                 RC濾波

圖4：濾波的設計及濾波精度示意圖

精確的短路保護

在功率器件的發展上
，短路時間一直在縮短
，以IGBT為例
，1200V的新一代IGBT相對於上一代IGBT，短路時間從10us縮短到了8us。以SiC為例，其短路時間隻有2~3us。所以精確的短路保護，特別是消隱時間的響應


，就很關鍵。英飛淩采用兩種設計實現精確的短路保護：

1. 在所有帶desat檢測的驅動芯片中
，采用了精密電流源的設計

，電流源的精度達±10%（相對於其他廠家的驅動IC，精度處於最高水平）
，從而保證對於Desat電容的充電時間的浮動可控
，相應的提升了消隱時間的精度。

2. 在1ED34x1Mc12M和1ED38x0Mc12M設計中，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，或者數字通訊的方式設定消隱時間，從而獲得更短更精確的短路保護時間設定。

1ED020I12-F2/B2的Desat保護原理圖

1ED34x1Mc12M的Desat保護原理圖

圖4

圖5：Desat用於短路保護時消隱時間的隱響

高電壓並可靠的輸出推挽MOS

在輸出MOS的設計上
，英飛淩也采用自身獨特的MOS電路設計的經驗，主要體現在三點：

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

2. MOS的設計考慮極短脈衝的設計

，使得不論多窄的脈寬
，都不會造成驅動MOS的過壓。

3. 獨特的PMOS設計，如圖5右圖所示，使得輸出電壓比較高的階段（對應IGBT的米勒平台階段），仍能夠保持足夠的輸出電流，從而減小功率器件的開關損耗。

兩種設計的輸出電流差異可參考圖6
，獨特的PMOS設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鍵階段），可以提供遠達於兩級推挽設計的電流
，從而帶來更好的驅動性能。

兩級推挽設計
，1ED Compact係列采用

獨特的PMOS設計，X3和F3係列采用

圖6：柵極驅動器輸出MOS推挽電路設計

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

無磁芯變壓器是新一代的驅動技術
，基於英飛淩領先的功率器件設計和應用的經驗，具有高共模瞬變抗擾度、精密時序控製
、精確的短路保護
、高電壓並可靠的輸出推挽MOS等一係列特點，完美匹配功率器件的應用。

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