高壓數(shù)字控制應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)安全隔離與低功耗的解決方案

引言

在高壓應(yīng)用中，實(shí)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(gè)部分之間流動(dòng)^[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(gè)接地之間產(chǎn)生電位差，從而導(dǎo)致信號(hào)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(dòng)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(guò)阻止電路兩部分之間的DC和不受控的AC電流流動(dòng)，僅允許通信信號(hào)和功率通過(guò)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(hù)，并提供了電平轉(zhuǎn)換功能，使不同電壓級(jí)別的系統(tǒng)之間可以互動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)兩部分之間的DC返回電流會(huì)產(chǎn)生多余的接地回路（左）,而電氣隔離會(huì)通過(guò)斷開(kāi)接地連接,來(lái)防止多余的接地回路（右）

通常而言，隔離器大致可分為兩類(lèi)：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(guò)隔離屏障來(lái)傳輸信號(hào)。光隔離器因其問(wèn)世早、價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)力，數(shù)十年來(lái)在業(yè)內(nèi)被廣為使用。然而，LED的開(kāi)關(guān)速度將可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率限制在了每秒幾兆位。此外，光隔離器還需要使用額外的板載電路元件，來(lái)提供適當(dāng)?shù)钠貌Ⅱ?qū)動(dòng)集成式LED。這要占用額外的PCB面積，并增加了應(yīng)用的物料成本（BOM）。盡管現(xiàn)在的技術(shù)可以將外部偏置和驅(qū)動(dòng)電路集成在一個(gè)封裝中，來(lái)最大限度地縮小PCB的尺寸、實(shí)現(xiàn)更高的速率，但這會(huì)大幅增加解決方案的成本。

另一方面，數(shù)字隔離器使用電容或電磁隔離技術(shù)，來(lái)傳輸信號(hào)。這些技術(shù)大幅縮小了隔離元件的尺寸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)的使用壽命^[3]。由于與光隔離器相比，數(shù)字隔離器具有如下優(yōu)勢(shì)，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(shí)序特性，更低的功耗

?   增強(qiáng)的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）

?   可靠的絕緣壽命，獲得了元件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60747-17的認(rèn)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(xiàng)

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(zhǎng)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(jiān)固性、精確的延時(shí)性能與低功耗。

這款新產(chǎn)品采用了英飛凌的無(wú)芯變壓器（CT）技術(shù)專(zhuān)利。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)利用半導(dǎo)體制造工藝，集成了一個(gè)片上變壓器，該變壓器包含金屬線圈，由二氧化硅絕緣屏障進(jìn)行隔離（如圖2所示）。這種方法可以通過(guò)耦合變壓器傳輸信號(hào)。

此外，該產(chǎn)品還集成了抖動(dòng)濾波器、通信調(diào)制、看門(mén)狗和欠壓鎖定（UVLO）等功能，哪怕在存在嚴(yán)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(wú)芯變壓器的截面圖

不同產(chǎn)品型號(hào)具有不同的通道配置、失效安全默認(rèn)輸出狀態(tài)，以及可變或固定的輸入閾值，詳見(jiàn)表2。

表2 ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器2DIBx4xxF系列的各個(gè)型號(hào)

該雙通道數(shù)字隔離器系列通過(guò)了器件級(jí)UL-1577和IEC 60747-17（VDE 0884-17）標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，并且還具有系統(tǒng)認(rèn)證，例如：針對(duì)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(dòng)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)以及為客戶帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)：

表3  ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器的功能與優(yōu)勢(shì)

ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器的應(yīng)用示例

隔離式低壓DC-DC塊

低壓DC-DC電源模塊廣泛應(yīng)用于電信和服務(wù)器 開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS） ，旨在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的12-VDC輸出[4]。為了滿足對(duì)更高功率密度、更強(qiáng)安全性，以及通信能力的日益增長(zhǎng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由位于主電源變壓器次級(jí)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(lái)傳輸PWM柵極控制信號(hào)。

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(jí)側(cè)XDP? XDPP1100數(shù)字功率控制器，來(lái)控制初級(jí)側(cè)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PWM信號(hào)通過(guò)ISOFACE?雙通道數(shù)字隔離器2DIB0410F進(jìn)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(dòng)器IC。數(shù)字隔離器的兩個(gè)通道傳輸互補(bǔ)的PWM信號(hào)，用于對(duì)全橋?qū)蔷€上不同橋臂的兩個(gè)OptiMOS?功率MOSFET進(jìn)行控制。不僅如此，ISOFACE? 2DIB0410F還提供一個(gè)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(rèn)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(shí)，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(chē)應(yīng)用。其共同優(yōu)勢(shì)在于，物理層只需一對(duì)連接線（兩條通信線）即可進(jìn)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(shí)，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(shí)現(xiàn)可靠通信所需的關(guān)鍵特性。此外，隔離器默認(rèn)的高輸出狀態(tài)，即便在發(fā)生故障時(shí)，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(wú)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(gè)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(jì)中的重要性與日俱增，這要得益于它可以以更高的開(kāi)關(guān)頻率工作，同時(shí)顯著降低能耗。此外，將氮化鎵開(kāi)關(guān)與集成柵極驅(qū)動(dòng)器整合到一個(gè)封裝中的GaN集成功率級(jí)（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(jì)方面，正在成為越來(lái)越受歡迎的選項(xiàng)。

為確保高邊GaN IPS正常運(yùn)行，由于柵極驅(qū)動(dòng)器參考開(kāi)關(guān)中點(diǎn)，必須使用數(shù)字隔離器來(lái)為柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換功能。由于GaN HEMT能夠產(chǎn)生高達(dá)100 V/ns的快速dv/dt切換，因此，可能會(huì)產(chǎn)生高共模瞬變，因此需要使用一個(gè)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(hào)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(dòng)驅(qū)動(dòng)的示例。它使用了一個(gè)正向數(shù)據(jù)通道，來(lái)傳輸柵極信號(hào)，同時(shí)使用反向通道將故障反饋信號(hào)傳送至控制器。

為低邊GaN IPS選擇另一個(gè)ISOFACE? 2DIB1410F同樣可取。為了平衡高邊和低邊信號(hào)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(qiáng)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(jìn)的ISOFACE?數(shù)字隔離器集低電流消耗、改進(jìn)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(jiān)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(dòng)器IC以及功率開(kāi)關(guān)（例如：OptiMOS?、CoolMOS?、CoolSiC?和CoolGaN?）產(chǎn)品組合聯(lián)用時(shí)，便可打造一個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)的隔離需求。

參考文獻(xiàn)

[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