无磁芯变压器在高边驱动中的应用

1 引言   

在半桥结构中驱动高边开关必须要有信号从控制器传送到浮动高边。根据驱动电路的性能和拥有不同种类电平位移的HV IC，信号互换需要用光电耦合器、脉冲变压器或带有电平位移的HV IC。光电耦合器可以提供安全隔离，但存在的问题是：光电耦合器的响应速度相对MOSFET、IGBT等开关速度太低、性能也会逐渐变差；隔离变压器尽管是很普遍的解决方案，但所带来的问题是：驱动电路会变得很复杂、驱动信号的占空比会受到限制（如50％以下）、驱动信号的波形也会变差；带有电平位移的HV IC价格是比较低廉的，但需要专用的驱动IC。   

2 半桥驱动器的特性   

为了能够将多种功能集成在IC中，本文分析讨论了半桥驱动器的潜在性能。  

2.1 栅极驱动   

驱动功率半导体器件必须要引用控制器的PWM信号为发射极与栅极提供电压。控制器的输出信号电压不是很高，并且电压变化率也很低，因此需要放大和电平调整。如果功率设备是在同样的电压下，栅极驱动功能可以加以补充和丰富，但在许多情况下发射极与控制器的电压是不同的。   

图1所示的半桥驱动结构跟普通电力电子线路里的一样，控制器和高边发射极之间的电压VE2不仅是不同的，而且在工作期间是变化的。将PWM信号从控制器传送到高边功率半导体，需要多种类型的信号传送器。总而言之，栅极驱动的最小功能是放大和电平位移。  


图1 半桥的内部结构图

2.2 电平位移   

工业要求在功率级和频率变换器控制板之间要有安全隔离。在很多低性能驱动应用中，往往是牺牲更多的效率来实现电路板和微控制器之间的隔离。   

如果在控制器和功率级之间不加绝缘隔离，可以应用如图2所示的带有单片集成电平位移的高压IC。这种IC在600V及其以下的电压时非常消耗效率。由于更高的电压在输入和输出之间用硅实现准隔离使这种解决方案变得很昂贵。高电平驱动通常需要在微控制器和功率级之间加隔离。在工作电压达到890V的应用中，这些驱动的首选是现成可用的具有安全隔离的光电耦合器。所有采用光电耦合器的解决方案的主要缺陷在于相当慢的传输时间和更差的变换时间。高电压隔离也可以由脉冲变压器实现，离散脉冲变压器的传输特性是不错的，但成本和物理大小迫使人们寻找新的解决方案。无磁芯变压器技术即提供了一种新的解决方案。   

图2 具有准隔离的电平位移电路   

3 无磁芯变压器技术   

3.1 无磁芯变压器原理   

无磁芯变压器技术使用半导体制造工艺来集成一个由金属螺旋线和氧化硅绝缘材料组成的变压器，其主要思想就是在IC内集成变压器的两个绕组，如图3所示。变压器可以安置在接收器芯片上，也可以安置在传输芯片上，但功能是不变的。离散变压器需要磁芯产生磁通量，绕组在IC内需要放置的足够紧密来保护磁芯。   


图3 无磁芯变压器原理   

由于绕组的设计和大小，耦合能力可能减小到很低，在输入和输出之间的总容量由框架的大小控制。一个好的绕组设计可使它不受外界磁场的影响。根据EN50178，为保证工作电压达到890V的应用的安全隔离，绕组之间的隔离需要能承受6kV的电压。   

氧化硅绝缘材料是IC中常用的隔离材料，只要使用适当的生产技术就可以做到足够的厚度。另外，可以采用具有较强集成逻辑能力的技术来支持无磁芯变压器的应用。当变压器传送脉冲信号，还需要接收电路。接收电路也可以像绕组一样很容易的集成在同一个芯片内。接收电路连接在次级绕组上，它的作用是把变压器发出的信号解码。这些信号由位于不同芯片上的激励电路产生。激励电路由两根导线连接到变压器的初级绕组上。   

3.2 信号传输   

脉冲变压器通常要求允许快速和稳定通信的信号协议。无磁芯变压器初级与次级绕组的脉冲延迟需少于10ns。建立较好的基本速度，特别是延迟不会随时间或温度的变化而降级。由于绕组产生磁场并且瞬间达到50kV/μs，因此不会对传输产生影响。为了不产生风险，使用串联模式能很容易的实现接收电路的共模抑制滤波。类似地智能错误检测也可集成在激励电路内，在检测到错误的情况下能纠正信号。带有编码，解码和滤波的无磁芯变压器的总延迟时间大约为50ns（如图4所示）。   

图4 无磁芯变压器模型的测试曲线   

由于无磁芯变压器技术的转换率高达100兆赫，因此不仅适用栅极驱动，而且还可以作为基本技术应用在要求（安全）绝缘隔离和高数据速率的各种各样的产品中。   

3.3 无磁芯变压器技术与电平位移技术相比的优点   

由于电平位移技术不能提供电流隔离，所以在一些应用中不能直接加强隔离。如果半导体技术不能通过使用介电隔离或通过将电路分离在两个芯片上提供保护，那么流过衬底的电流可能会导致某个特殊点上的IC故障。更重要的是，一旦当高边栅极驱动芯片，其可方便、可*的应用到中等功率的应用场合中。驱动器的内部结构图如图5所示。

具有隔离功能的半桥驱动器2EID020I12-F可实现高边驱动和+1A/-2A的输出电流。低边驱动和输入连同一个通用比较器和一个通用运算放大器一起集成在同一个芯片里，标准逻辑功能如高低边的欠压锁定也集成在芯片里。   

图5 2ED020I12-F内部结构图   

5 结语   

本文表明放大作用和电平位移是栅极驱动的主要任务，讨论了多种实现电平位移的技术。介绍了一种新型的高边驱动解决方案，用无磁芯变压器技术设计具有电隔离的高边驱动。最后介绍了一款合并了无磁芯变压器技术的产品2ED020I12-F，体现了无磁芯变压器技术的优越性。