无磁芯变压器(CT)隔离驱动芯片技术优势及产品系列

品慧电子讯在之前的技术文章中，介绍了驱动芯片的概览，PN结隔离(JI)技术，SOI驱动芯片技术等非隔离的驱动技术，本文会继续介绍英飞凌的无磁芯变压器(CT)隔离驱动芯片技术。

在隔离器件的技术上，有三种主流的隔离技术，分别是光隔离，电容隔离和变压器隔离。顾名思义，其隔离的介质分别是光，电场信号和磁信号，隔离器件的使用及其广泛，从输入输出接口，通讯端口，到功率器件的栅极驱动器等各种应用场合。本文会聚焦在栅极驱动器的隔离技术的应用上。

在栅极驱动器的应用上，光耦驱动器历史悠久，绝缘的可靠性经过长期的验证。随着电力电子发展向着高开关频率，高功率密度，功率器件高结温的方向发展。光耦的能力越来越力不从心，因为原边的LED的光衰的问题，满足逆变器的长寿命设计时，驱动板的功耗会相当可观；而且光耦的使用的环境温度和结温都偏低，对于高功率密度的设计带来驱动板设计的瓶颈；再次，当光耦的开关频率提升到高速时，光耦的成本会急剧上升。从而在栅极驱动器的设计上，电容隔离和变压器隔离登上了舞台。

电容隔离采用电容传递信号，典型的示意图如下图1所示，在CMOS电路的电容结构中，采用双电容结构，电容间采用二氧化硅（SiO2）作为隔离层，采用OOK调制或者边沿调制的编码的方式进行原副边的信号传递。

图1：电容隔离的原理图

无磁芯变压器隔离采用磁传递信号，其典型的示意图如下图所示，传递信号的路径变成了隔离变压器，隔离介质采用了聚酰亚胺（polyimide）或者二氧化硅（SiO2）绝缘，其传输编码格式也类似容隔。

变压器隔离栅极驱动器示意图

互绕的无磁芯变压器示意图

图2

电容隔离和变压器隔离都是新一代的隔离技术，在绝缘能力，传输速度，功耗上的表现都很优秀。

绝缘

聚酰亚胺是一种在光耦中长时间使用的绝缘材料，其绝缘特性经过长时间的验证。二氧化硅也是一种适合在CMOS电路中使用的绝缘材质，其介电强度比聚酰亚胺要高。因为电磁传输对于线圈间的距离可以比电容传输的之间距离更大，从而允许填充更厚的聚酰亚胺。所以两种材料的绝缘设计都可以满足栅极驱动器的绝缘要求。

共模瞬变抗扰度(CMTI)

共模瞬变抗扰度是栅极驱动器比较重要的指标，因为电力电子开关都采用PWM的调制方式，dv/dt形成的共模干扰会比较恶劣，电机驱动类应用中的dv/dt典型值在5kV/us，而应用于电源类应用的IGBT的dv/dt会更高，新一代器件SiCMOS的开关dv/dt甚至可高达50kV/us.容隔器件的电容设计，在共模干扰时，会将干扰传递到副边侧，需要采用OOK编码或者其他的编码方式来抑制共模干扰，其共模瞬变抗扰度能力可达100kV/us。而变压器隔离，以电流变化的方式传递信号，本身抗dv/dt的能力就强。叠加信号编码的抗共模设计，变压器隔离器件可以获得远大于容隔的共模瞬变抗扰能力，以英飞凌的1ED34x1Mc12M为例，手册中的CMTI的标定值已经达到200kV/μs（实际测试值更高），从而更加适配高速开关速度的应用场合。

图3：栅极驱动器共模干扰路径图

结合英飞凌丰富的功率器件的设计和应用知识，英飞凌的栅极驱动器还具备一些独特的设计特点。

精密时序控制

在英飞凌的栅极驱动器的输入电路的设计上，英飞凌采用线性滤波的设计，这样给应用上带来了若干好处。（1）外置的输入滤波器可以减小，甚至省去外置的RC滤波器。（2）同一颗器件脉冲上升沿和下降沿的传输几乎没有偏差，即使考虑温度变化和产品批次问题，偏差最大也不超过7ns，对于有些驱动并联的应用场合带来极大的帮助。另外对于高频的SiC等应用，目前的死区要求已经小于300ns，以提高逆变器的性能，采用这种技术的驱动IC可以提升死区时间的精度，从而减小死区时间的设定。