無磁芯變壓器在高邊驅動中的應用

在半橋結構中驅動高邊開關必須要有信號從控制器傳送到浮動高邊。根據驅動電路的性能和擁有不同種類電平位移的HV IC，信號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：光電耦合器的響應速度相對MOSFET、IGBT等開關速度太低、性能也會逐漸變差;隔離變壓器盡管是很普遍的解決方案，但所帶來的問題是：驅動電路會變得很復雜、驅動信號的占空比會受到限制(如50%以下)、驅動信號的波形也會變差;帶有電平位移的HV IC價格是比較低廉的，但需要專用的驅動IC。

　　2 半橋驅動器的特性

　　為了能夠將多種功能集成在IC中，本文分析討論了半橋驅動器的潛在性能。

　　2.1 柵極驅動

　　驅動功率半導體器件必須要引用控制器的PWM信號為發射極與柵極提供電壓。控制器的輸出信號電壓不是很高，并且電壓變化率也很低，因此需要放大和電平調整。如果功率設備是在同樣的電壓下，柵極驅動功能可以加以補充和豐富，但在許多情況下發射極與控制器的電壓是不同的。

　　圖1所示的半橋驅動結構跟普通電力電子線路里的一樣，控制器和高邊發射極之間的電壓VE2不僅是不同的，而且在工作期間是變化的。將PWM信號從控制器傳送到高邊功率半導體，需要多種類型的信號傳送器。總而言之，柵極驅動的最小功能是放大和電平位移。

　　圖1 半橋的內部結構圖

　　2.2 電平位移

　　工業要求在功率級和頻率變換器控制板之間要有安全隔離。在很多低性能驅動應用中，往往是犧牲更多的效率來實現電路板和微控制器之間的隔離。

　　如果在控制器和功率級之間不加絕緣隔離，可以應用如圖2所示的帶有單片集成電平位移的高壓IC。這種IC在600V及其以下的電壓時非常消耗效率。由于更高的電壓在輸入和輸出之間用硅實現準隔離使這種解決方案變得很昂貴。高電平驅動通常需要在微控制器和功率級之間加隔離。在工作電壓達到890V的應用中，這些驅動的首選是現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慢的傳輸時間和更差的變換時間。高電壓隔離也可以由脈沖變壓器實現，離散脈沖變壓器的傳輸特性是不錯的，但成本和物理大小迫使人們尋找新的解決方案。無磁芯變壓器技術即提供了一種新的解決方案。

　　圖2 具有準隔離的電平位移電路

　　3 無磁芯變壓器技術

　　3.1 無磁芯變壓器原理

　　無磁芯變壓器技術使用半導體制造工藝來集成一個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內集成變壓器的兩個繞組，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生磁通量，繞組在IC內需要放置的足夠緊密來保護磁芯。

　　圖3 無磁芯變壓器原理

　　由于繞組的設計和大小，耦合能力可能減小到很低，在輸入和輸出之間的總容量由框架的大小控制。一個好的繞組設計可使它不受外界磁場的影響。根據EN50178，為保證工作電壓達到890V的應用的安全隔離，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，只要使用適當的生產技術就可以做到足夠的厚度。另外，可以采用具有較強集成邏輯能力的技術來支持無磁芯變壓器的應用。當變壓器傳送脈沖信號，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芯片內。接收電路連接在次級繞組上，它的作用是把變壓器發出的信號解碼。這些信號由位于不同芯片上的激勵電路產生。激勵電路由兩根導線連接到變壓器的初級繞組上。

　　3.2 信號傳輸

　　脈沖變壓器通常要求允許快速和穩定通信的信號協議。無磁芯變壓器初級與次級繞組的脈沖延遲需少于10ns。建立較好的基本速度，特別是延遲不會隨時間或溫度的變化而降級。由于繞組產生磁場并且瞬間達到50kV/μs，因此不會對傳輸產生影響。為了不產生風險，使用串聯模式能很容易的實現接收電路的共模抑制濾波。類似地智能錯誤檢測也可集成在激勵電路內，在檢測到錯誤的情況下能糾正信號。帶有編碼，解碼和濾波的無磁芯變壓器的總延遲時間大約為50ns(如圖4所示)。

　　圖4 無磁芯變壓器模型的測試曲線

　　由于無磁芯變壓器技術的轉換率高達100兆赫，因此不僅適用柵極驅動，而且還可以作為基本技術應用在要求(安全)絕緣隔離和高數據速率的各種各樣的產品中。

　　3.3 無磁芯變壓器技術與電平位移技術相比的優點

　　由于電平位移技術不能提供電流隔離，所以在一些應用中不能直接加強隔離。如果半導體技術不能通過使用介電隔離或通過將電路分離在兩個芯片上提供保護，那么流過襯底的電流可能會導致某個特殊點上的IC故障。更重要的是，一旦當高邊柵極驅動芯片，其可方便、可*的應用到中等功率的應用場合中。驅動器的內部結構圖如圖5所示。

　　具有隔離功能的半橋驅動器2EID020I12-F可實現高邊驅動和+1A/-2A的輸出電流。低邊驅動和輸入連同一個通用比較器和一個通用運算放大器一起集成在同一個芯片里，標準邏輯功能如高低邊的欠壓鎖定也集成在芯片里。

　　圖5 2ED020I12-F內部結構圖

　　4 結語

　　本文表明放大作用和電平位移是柵極驅動的主要任務，討論了多種實現電平位移的技術。介紹了一種新型的高邊驅動解決方案，用無磁芯變壓器技術設計具有電隔離的高邊驅動。最后介紹了一款合并了無磁芯變壓器技術的產品2ED020I12-F，體現了無磁芯變壓器技術的優越性。