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本文分析了开关电源中大功率器件栅极驱动的必要性和以往运用光电耦合器和脉冲变压器实现MOSFET/IGBT隔离驱动的优缺点，介绍了一种新颖的隔离驱动技术——基于无磁芯变压器的IGBT/MOSFET隔离驱动技术，分析了无磁芯变压器技术的原理及脉冲信号的传输，最后给出了它的一个应用实例。 开关电源中大功率器件驱动电路的设计是电源领域的关键技术之一。绝缘栅功率器件（包括电力MOSFET和IGBT绝缘栅双极性大功率管等）属于电压驱动型器件，要求一定的电压来驱动。电力MOSFET的栅源极之间和IGBT栅射极之间都有数千皮法左右的极间电容，因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率。 小功率VMOS管的Cgs一般在10-100pF之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由于栅极电容Cgs较大，在1-100nF，甚至更大，因而需要较大的动态驱动功率。另外，由于漏极到栅极的密勒电容Cdg，栅极驱动功率是必须的。 1光电耦合器隔离驱动光电耦合器的优点是体积小，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，另外光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电，并且性能也会逐渐变差。 目前市售的光电耦合型驱动器产品很多，但此类产品，由于光电耦合器的速度限制，一般工作频率都在50KHz以下。它们的优点是，大部分都具有过流保护功能，其过电流信号是从IGBT的管压降中取得的；共同的缺点是需要一个或两个独立的辅助电源，因而使用较为麻烦。 由于成本问题，该类产品价格稍高，因此只适用于在大功率电源中驱动IGBT模块，在中小功率领域难以推广使用。 2脉冲变压器驱动用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。 无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件，这种方法很简单，也不需要单独的驱动电源，但由于绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大，因而栅源间的波形Vgs将有明显变形，除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积。另一个缺点是当占空比变化较大时，输出驱动脉冲的正负幅值变化太大，可能导致不正常的工作，因此只适用于占空比变化不大的场合。 有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形好，但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。 自给电源方法的已有技术是对PWM驱动信号进行高频(几个MHz以上)调制，该信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法并不简单，价格当然也较高。调制式的另一缺点是PWM的解调要增加信号的延时。调制方式只适用于传递较低频率的PWM信号。 3无磁芯变压器驱动3.1无磁芯变压器技术 无磁芯变压器技术集中了光电耦合器，离散变压器和集成电平位移的优点，同时避免了它们缺点。更详细地来说就是具有更高的隔离能力，没有老化，稳定的可靠性，管壳尺寸小，与其它逻辑功能更好的集成，以及更高的效率。无磁芯变压器（CLT）的基本原理就是在半导体之内植入微小变压器，提供电隔离和输入与输出之间的信号传输，如图1所示。离散变压器需要磁芯产生磁通量，绕组在IC内可以放置的足够紧密来保护磁芯。 图1 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。 氧化硅是IC中常用的隔离材料，但只要用适当的生产技术即可做到足够的厚度。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，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 在无磁芯变压器的信号传输中，高效率的信号传输协议也是很重要的。脉冲变压器通常要求快速和稳定通信的信号协议。无磁芯变压器初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2所示)。 图2 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。 4应用实例eupec GmbH 开发了IGBT栅极驱动的新系列，称为EICE 驱动器。2ED020I12-F是第一款基于无磁芯变压器的IGBT栅极驱动芯片，其可方便、可靠的应用到中等功率的应用场合中。在驱动器2ED020I12-F的内部成功的集成了无磁芯变压器技术，驱动器的内部结构图如图3所示。 图3 2ED020I12-F的内部结构图 由于无磁芯变压器的存在，可轻松的实现信号在低边和高边驱动之间的安全隔离传输。被传送的信号，由发射机编码和由接收器解码。这种方法可以抑制由GNDH(dVGNDH/dt) 或磁通密度(dH/dt)的变异产生的EMI。为补偿发射机、无磁芯变压器和接收器额外的传输延迟，低边驱动器引进了传输延迟来确保最大区别于脉冲延迟时间10 ns。 2ED020I12-F的主要特点是：（1）全负载电压可达1200VDC；（2）门极驱动电压范围从+13V到+18V；（3）门极驱动电流+1A/-2A。另外，低边驱动和输入连同一个通用的比较器和一个通用的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在芯片里。 5结论开关电源中功率管的驱动对整个电源电路的正常工作具有重要的作用，因此驱动电路的设计对设计者来说是至关重要的。目前市面上的隔离驱动器大多数都是应用于大功率的驱动场合，中小功率的驱动器还很少。无磁芯变压器技术的应用将解决这一问题，由于其简单而可靠的集成方式，可以在宽范围的中低等功率应用中提供更方便的应用。 （摘编自《电气技术》，原文标题为“基于无磁芯变压器的IGBT/MOSFET隔离驱动技术”，作者为闫晓金、宁武。） |
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