【導(dǎo)讀】在高壓應(yīng)用中,實現(xiàn)有效的電氣隔離至關(guān)重要,它可以避免多余的漏電流在系統(tǒng)中具有不同地電位(GPD)的兩個部分之間流動[1]。如圖1(左)所示,從輸入到輸出的DC返回電流可能導(dǎo)致兩個接地之間產(chǎn)生電位差,從而導(dǎo)致信號完整性降低、質(zhì)量下降。這就是隔離器(即隔離式柵極驅(qū)動器IC[2]或數(shù)字隔離器)的用武之地,如圖1(右)所示。隔離器通過阻止電路兩部分之間的DC和不受控的AC電流流動,僅允許通信信號和功率通過隔離屏障。此外,隔離器還為人與高壓系統(tǒng)的交互提供了必要的保護,并提供了電平轉(zhuǎn)換功能,使不同電壓級別的系統(tǒng)之間可以互動。
圖1:系統(tǒng)兩部分之間的DC返回電流會產(chǎn)生多余的接地回路(左),而電氣隔離會通過斷開接地連接,來防止多余的接地回路(右)。
通常而言,隔離器大致可分為兩類:光隔離器和數(shù)字隔離器。
光隔離器,通常被稱為光耦,是一種模擬隔離產(chǎn)品,它利用光通過隔離屏障來傳輸信號。光隔離器因其問世早、價格具有競爭力,數(shù)十年來在業(yè)內(nèi)被廣為使用。然而,LED的開關(guān)速度將可實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率限制在了每秒幾兆比特。此外,光隔離器還需要使用額外的電路元件,來提供適當(dāng)?shù)钠貌Ⅱ?qū)動集成式LED。這要占用額外的PCB面積,并增加了應(yīng)用的成本(BOM)。盡管現(xiàn)在的技術(shù)可以將外部偏置和驅(qū)動電路集成在一個封裝中,來最大限度地縮小PCB的尺寸、實現(xiàn)更高的速率,但這會大幅增加方案的成本。
另一方面,數(shù)字隔離器使用電容或電磁隔離技術(shù),來傳輸信號。這些技術(shù)大幅縮小了隔離元件的尺寸,同時實現(xiàn)了較長的使用壽命[3]。與光隔離器相比,數(shù)字隔離器具有如下優(yōu)勢,因此,近期已成為諸多應(yīng)用的首選:
● 優(yōu)化系統(tǒng)BOM物料成本,縮小PCB面積
● 準(zhǔn)確的時序特性,更低的功耗
● 增強的共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)
● 可靠的絕緣壽命,獲得了元件級標(biāo)準(zhǔn)IEC 60747-17的認證
● 集成更多功能,例如:輸入濾波器、收發(fā)器(例如:CAN, RS-485)、輸出使能選項
表1總結(jié)了光隔離器和數(shù)字隔離器之間的主要區(qū)別。
表1:光隔離器和數(shù)字隔離器的主要區(qū)別
英飛凌第一代ISOFACE?數(shù)字隔離器2DIBx4xxF
為了滿足工業(yè)應(yīng)用日益增長的隔離需求,英飛凌發(fā)布了其第一代雙通道數(shù)字隔離器,兼具高堅固性、精確的延時性能與低功耗。
這款新產(chǎn)品采用了英飛凌的無芯變壓器(CT)技術(shù)專利。這項創(chuàng)新技術(shù)利用半導(dǎo)體制造工藝,集成了一個嵌入式變壓器,該變壓器包含金屬線圈,由二氧化硅絕緣屏障進行隔離(如圖2所示)。這種方法可以通過耦合變壓器傳輸信號。
此外,該產(chǎn)品還集成了抖動濾波器、通信調(diào)制、看門狗和欠壓鎖定(UVLO)等功能,哪怕在存在嚴重的高壓和嘈雜的工業(yè)環(huán)境中,也能確保穩(wěn)健、安全的數(shù)據(jù)傳輸。
圖2:英飛凌ISOFACE?數(shù)字隔離器2DIBx4xxF使用的無芯變壓器的截面圖
不同產(chǎn)品型號具有不同的通道配置、失效安全默認輸出狀態(tài),以及可變或固定的輸入閾值,詳見表2。
表2:ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器2DIBx4xxF系列的各個型號
該雙通道數(shù)字隔離器系列通過了器件級UL-1577和IEC 60747-17(VDE 0884-17)標(biāo)準(zhǔn)認證,并且還具有系統(tǒng)級認證,例如:針對電信和服務(wù)器應(yīng)用的IEC 62368-1。其爬電距離和空間距離為4mm,非常適用于需要基本隔離的應(yīng)用,例如:低壓DC-DC塊、高邊浮動驅(qū)動器,以及隔離式UART/CAN通信。
表3總結(jié)了英飛凌ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器的特點以及為客戶帶來的優(yōu)勢:
表3 ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器的功能與優(yōu)勢
ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器的應(yīng)用示例
隔離式低壓DC-DC模塊
低壓DC-DC電源模塊廣泛應(yīng)用于電信和服務(wù)器 開關(guān)模式電源(SMPS) ,旨在實現(xiàn)穩(wěn)定的12-VDC輸出[4]。為了滿足對更高功率密度、更強安全性,以及通信能力的日益增長的需求,800W以上的隔離式DC-DC模塊主要采用全橋到全橋(FB-FB)拓撲結(jié)構(gòu),由位于主電源變壓器次級側(cè)的數(shù)字控制器控制。為確保輸入到輸出的安全隔離,通常使用具有基本絕緣功能的數(shù)字隔離器,來傳輸PWM柵極控制信號。
以圖3為例,圖中顯示了英飛凌的隔離式1kW DC-DC模塊解決方案,它利用次級側(cè)XDP? XDPP1100數(shù)字功率控制器,來控制初級側(cè)全橋拓撲結(jié)構(gòu)。PWM信號通過ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器2DIB0410F進行傳輸。
電源轉(zhuǎn)換器的兩側(cè)均使用電平轉(zhuǎn)換EiceDRIVER? 2EDL802x柵極驅(qū)動器IC。數(shù)字隔離器的兩個通道傳輸互補的PWM信號,用于對全橋?qū)蔷€上不同橋臂的兩個OptiMOS?功率MOSFET進行控制。不僅如此,ISOFACE? 2DIB0410F還提供一個固定的TTL輸入閾值,不受SMPS 應(yīng)用VDD電源線上的噪聲影響。默認的低輸出狀態(tài)可確保當(dāng)數(shù)字隔離器的輸入側(cè)供電低于欠壓鎖定電壓(UVLO)時,安全關(guān)斷所有MOSFET。
圖3:使用ISOFACE? 2DIB0410F的隔離式低壓DC-DC模塊
隔離CAN和UART通信
控制器局域網(wǎng)(CAN)和通用異步收發(fā)器(UART)通信被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和汽車應(yīng)用。其共同優(yōu)勢在于,物理層只需一對連接線(兩條通信線)即可進行數(shù)據(jù)通信。
當(dāng)需要確保隔離CAN或UART接口的安全性或防止噪聲干擾時,ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器2DIB1401F便脫穎而出,成為電氣隔離的理想選擇。
這款可靠的隔離器可提供高共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)和極低的脈寬失真(PWD),而這些都是實現(xiàn)可靠通信所需的關(guān)鍵特性。此外,隔離器默認的高輸出狀態(tài),即便在發(fā)生故障時,也可確保通信線路(在空閑狀態(tài)通常處于邏輯高電平)暢通無阻,從而防止輸入側(cè)出現(xiàn)潛在的電源損失。
圖4顯示了隔離式CAN接口的一個示例(與英飛凌的CAN收發(fā)器TLE9251一起使用)。ISOFACE? 2DIB1401F位于控制器和收發(fā)器之間,用于提供電氣隔離。
圖4:使用ISOFACE? 2DIB1411F的隔離式控制器局域網(wǎng)(CAN)通信
GaN IPS半橋的功能隔離
最近,650 V 氮化鎵(GaN)HEMT在SMPS設(shè)計中的重要性與日俱增,這要得益于它可以以更高的開關(guān)頻率工作,同時顯著降低能耗。此外,將氮化鎵開關(guān)與集成柵極驅(qū)動器整合到一個封裝中的GaN集成功率級(IPS) ,在打造具有更高功率密度、更少元器件以及最小寄生效應(yīng)的設(shè)計方面,正在成為越來越受歡迎的選項。
為確保高邊GaN IPS正常運行,由于柵極驅(qū)動器參考開關(guān)中點,必須使用數(shù)字隔離器來為柵極驅(qū)動器執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換功能。由于GaN HEMT能夠產(chǎn)生高達100 V/ns的快速dv/dt切換,因此,可能會產(chǎn)生高共模瞬變,因此需要使用一個可靠的解決方案。ISOFACE?數(shù)字隔離器就適用于這種情況,它可以提供最小100 V/ns的CMTI,并確保PWM信號的可靠傳輸。
圖5展示了使用ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器2DIB1410F用于高邊浮動驅(qū)動的示例。它使用了一個正向數(shù)據(jù)通道,來傳輸柵極信號,同時使用反向通道將故障反饋信號傳送至控制器。
為低邊GaN IPS選擇另一個ISOFACE? 2DIB1410F同樣可取。為了平衡高邊和低邊信號路徑之間的傳播延遲,以及為GaN IPS(功率地)和控制器(數(shù)字地)的不同接地提供隔離,我們強烈推薦這一方式。
圖5:ISOFACE? 2DIB1410F提供的GaN IPS半橋功能隔離
結(jié)論
總而言之,英飛凌先進的ISOFACE?數(shù)字隔離器集低電流消耗、改進的共模瞬態(tài)抗擾度和高傳播延遲精度為一體,是高壓數(shù)字控制應(yīng)用的堅固而又可靠的選擇。當(dāng)與英飛凌的XDP?數(shù)字控制器、EiceDRIVER?柵極驅(qū)動器IC以及功率開關(guān)(例如:OptiMOS?、CoolMOS?、CoolSiC?和CoolGaN?)產(chǎn)品組合聯(lián)用時,便可打造一個完整的系統(tǒng)解決方案,滿足現(xiàn)代電力電子應(yīng)用日益增長的隔離需求。
利用這些前沿技術(shù),英飛凌的客戶將能從較高的電源安全性、更好的系統(tǒng)性能以及更高的可靠性中獲益,并滿足高壓數(shù)字控制應(yīng)用日益增長的隔離需求。
如欲了解英飛凌 ISOFACE?數(shù)字隔離器和其他創(chuàng)新產(chǎn)品的更多信息,請點擊此處。
參考文獻
[1] D. Varajao, C. Menditti Matrisciano, “Isolated gate driving solutions – Increasing power density and robustness with isolated gate driver ICs,” Infineon Technologies AG, Application Note v1.1, AN_1909_PL52_1010_201256, June 2022
[2] C. Menditti Matrisciano, T. Beer, D. Varajao, Infineon Technologies AG, “Using the EiceDRIVER? 2EDi product family of dual-channel functional and reinforced isolated MOSFET gate drivers,” Infineon Technologies AG, AN_1805_PL52_1806_095202, 2019
[3] W. Frank, H. Rettinger, “New International Standard for Magnetic and Capacitive Couplers,” Bodo’s Power Systems, November 2020, p. 40-43
[4] D. Varajao, C. Menditti Matrisciano, “Dual-channel isolated EiceDRIVER? 2EDF7275K in telecom bricks – Application example in a 600 W quarter-brick 48 V to 12 V full-bridge to full-bridge rectifier evaluation board,” Infineon Technologies AG, AN_2002_PL52_2003_165036, 2020
作者:
Jiaxin Tian 英飛凌高級產(chǎn)品應(yīng)用工程師
Narayanaswamy Swaminathan博士 英飛凌產(chǎn)品工程師
Diogo Varajao博士 英飛凌隔離IC技術(shù)營銷主管
Jimmy Wang 英飛凌首席應(yīng)用工程師
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。
推薦閱讀: