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          高功率電源應用中需要怎樣的隔離驅動?

          發布時間:2021-01-20 10:28閱讀次數:
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          在電源與充電樁等高功率應用中,通常需要專用驅動器來驅動最后一級的功率晶體管。這是因為大多數微控制器輸出并沒有針對功率晶體管的驅動進行優化,如足夠的驅動電流和驅動保護功能等,而且直接用微控制器來驅動,會導致功耗過大等弊端。

          首先,在功率晶體管開關過程中,柵極電容充放電會在輸出端產生較高的電壓與電流,高電壓與高電流同時存在時,會造成相當大的開關損耗,降低電源效率。因此,在控制器和晶體管之間引入驅動器,可以有效放大控制器的驅動信號,從而更快地對功率管柵極電容進行充放電,來縮短功率管在柵極的上電時間,降低晶體管損耗,提高開關效率。其次,更大的電流可以提高開關頻率,開關頻率提高以后,可以使用更小的磁性器件,以降低成本,減小產品體積。

          為什么要用隔離驅動?

          給功率管增加驅動的方式有兩種,一種是非隔離驅動,一種是隔離驅動。傳統電路里面經常見到非隔離驅動,在高壓應用中一般采用半橋非隔離驅動,該驅動有高低兩個通道,低側是一個簡單的緩沖器,通常與控制輸入有相同的接地點;高側則除了緩沖器,還包含高電壓電平轉換器。

          非隔離驅動有很多局限性。首先,非隔離驅動模塊整體都在同一硅片上,因此耐壓無法超出硅工藝極限,大多數非隔離驅動器的工作電壓都不超過700伏。其次,當高側功率管關閉而低側功率管打開時,由于寄生電感效應,兩管之間的電壓可能會出現負壓,而非隔離驅動耐負壓能力較弱,所以如果采用非隔離驅動,應特別注意兩管間電路設計。第三,非隔離驅動中需要用到高電壓電平轉換器,高電平轉換到低電平時會帶來噪聲,為了濾除這些噪聲,電平轉換器中通常加入濾波器,這會增加傳播延遲,而低側驅動器就需要額外增加傳輸延遲,以匹配高側驅動器,這就既增加了成本,又使得延遲很長。第四,非隔離驅動與控制芯片共地,不夠靈活,無法滿足現在許多復雜的拓撲電路要求,例如在三相PFC三電平拓撲中,要求多個輸出能夠轉換至控制公共端電平以上或以下,所以這種場景無法使用非隔離驅動。

          相比非隔離驅動,隔離驅動就有很多優勢,這里以數字隔離驅動來做說明。在數字隔離驅動器內部,有兩塊或更多的硅片,硅片之間通過絕緣材料隔離,而控制信號通過電容型或電磁型方式穿過隔離層來傳遞,從而讓輸入與輸出處于不同硅片上,這種隔離方式能繞過硅工藝極限,可以滿足高耐壓需求,隔離驅動可以承受10kV以上的浪涌電壓。此外,兩個輸出驅動之間,也有絕緣材料建構的隔離帶,所以與非隔離驅動要求與控制信號共地不同,隔離輸出接地點選擇更靈活,可以匹配不同電路拓撲需要。

          數字隔離驅動器的優勢

          光耦隔離是傳統的隔離方式,但與數字隔離相比,光耦隔離在性能和面積上都不占優勢。

          首先,光耦隔離方案傳輸延遲較大,通常在百納秒以上。在光耦隔離方案中,LED將柵極驅動信號轉換為光信號,再通過光電二極管等光敏電路轉換為待測電信號,根據結構設計的不同,常見的光耦傳播延遲在幾百納秒甚至微秒級。高速光耦通過優化內部寄生參數、增加LED驅動強度等設計,可在幾十納秒時間內接通和斷開,但成本會上升很多。

          常規光耦方案的傳播延遲甚至不如非隔離驅動。在半橋非隔離驅動中,因為增加添加了速度較慢的高電壓電平轉換器,以及去毛刺和濾波電路,常見延遲時間可達到100納秒,因為低側要與高側匹配,所以要在低側添加一個單獨的延遲時鐘,整個系統傳播延遲在100納秒左右。

          數字隔離驅動通過上百兆高頻載波編解碼,開關只需幾納秒甚至更短的時間。但由于內部邏輯延遲和去毛刺濾波設計,所以延遲到幾十納秒。以納芯微NSi6602為例,隔離驅動傳輸延遲典型值是在25納秒,最高值不超過35納秒。

          其次,光耦方案脈寬失真較大。因為光電檢測器中的LED開啟和關閉時間并不總是對稱,且溫度越高不對稱越嚴重,所以光耦脈寬失真比較嚴重,光耦方案脈寬失真范圍從幾十納秒到幾百納秒。

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