栅极驱动芯片三种隔离技术

1.栅极驱动器概述

栅极驱动器，在任何功率水平为任何应用高效可靠地驱动任何功率开关。 比如MOS、IGBT、GaNFET 和 SiCFET等。 栅极驱动器是一种电子电路，充当低压控制信号和高功率半导体开关之间的接口。栅极驱动器是许多应用的重要组成部分，包括电机驱动、功率逆变器和电源。

栅极驱动器工作原理：

栅极驱动器的主要功能是提供必要的电压和电流水平以有效地打开和关闭功率半导体器件。栅极驱动器采用各种工艺和技术来确保精确地控制和保护。让我们探讨一下管理及其运作的基本原则：

信号放大：栅极驱动器放大从微控制器或其他控制电路接收的控制信号，以为功率半导体器件提供所需的栅源电压(Vgs)。这种放大可确保设备快速可靠地打开或关闭。

隔离：在许多应用中，控制电路和功率半导体之间的电气隔离对于防止电压反馈或接地环路问题至关重要。栅极驱动器通常采用光耦合器或其他隔离方法来保持这种隔离。

保护机制：栅极驱动器集成了过流和过压保护、短路保护和欠压锁定等保护功能，以保护栅极驱动器本身和所连接的半导体器件。

死区时间控制：为了避免直通电流，栅极驱动器包含一种控制死区时间的机制，确保半桥或全桥配置的高侧和低侧开关不会同时打开。

2.隔离栅极驱动芯片

隔离器件允许数据和电力在高压和低压单元之间传输，同时可以防止任何危险的直流电或不受控制的瞬态电流从电网中流出。 通过将隔离器与高速栅极驱动器集成在一起，可以实现强大的隔离功能。

在大功率高压电力电子产品中，为了使信号和功率器件不互相干扰产生危险，大多使用隔离栅极驱动芯片。

与具有不灵活的电平转换器和预定输出角色的非隔离式栅极驱动器不同的是，隔离式栅极驱动器的输出可以以电路中的任何节点为基准，且可以构造为单通道或双通道器件。隔离技术的极限远远高于非隔离式栅极驱动器的硅工艺限制，可提供耐受力高于5千伏的隔离层。除了提高电压上限和灵活性之外，隔离式栅极驱动器还可以用于实现更快速、更稳健的运行。使用隔离的原因有很多。许多应用都因为监管要求而需要使用隔离式电源，并且隔离式栅极驱动器可以用来简化系统结构。有时，隔离层的强度还可以用来增强系统抵抗浪涌、雷击和其他有可能损坏系统的异常事件的能力。

在其他情况下，通过灵活地使用隔离层可以简化拓扑的设计，从而无需再使用信号转换器或电平转换器，如反相降压/升压。即使是在并不严格要求进行隔离的传统半桥应用中，隔离式栅极驱动器也可以凭借优异的传播延迟、较高的驱动力和对高电压瞬态的更出色承受力而胜过非隔离式栅极驱动器。

2.1隔离驱动器重要指标

隔离器主要的性能指标包括隔离电压值、爬电距离和CMTI等，下面分别进行简单介绍。

1.隔离电压值

VIOTM、VISO用于衡量隔离器隔离瞬时高电压能力。
VIOTM：隔离器可以忍受60s的正弦电压值，以电压峰值定义；
VISO：隔离器可以忍受60s的正弦电压值，以电压有效值定义。

VIORM、VIOWM用于衡量隔离器隔离持续高电压能力。
VIORM：隔离器在其使用生命周期内，可以的持续工作正弦电压值，以电压峰值定义；
VIOWM：隔离器在其使用生命周期内，可以的持续工作正弦电压值，以电压有效值定义。

VSURGE：表示隔离器能忍受的最大1.2us/50us浪涌电压峰值。

2.爬电距离
【爬电距离定义】 爬电距离是沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。在电气上，对最小爬电距离的要求，和两导电部件间的电压、绝缘材料的耐泄痕指数、电器所处环境的污染等级有关。

对最小爬电距离做出限制，是为了防止在两导电体之间，由于绝缘材料表面可能出现的污染物而出现爬电现象。爬电距离在运用中要求，所要安装的带电两导体之间的最短绝缘距离要大于允许的最小爬电距离。

3.共模瞬变抗扰度CMTI
CMTI（Common mode transient immunity）是隔离产品最重要的指标之一，指在不发生传输比特错误的情况下，隔离器能容忍的隔离两侧地电位差（GND1-GND2）的最大变化率，单位是kV/μs或V/ns。

在应用中，这种瞬态冲击通常是由开关节点上的高dV/dt引起的。理论上在CMTI规格以内的冲击都无法改变输出状态，如果隔离器的CMTI能力不够强， 会出现类似丢失脉冲、传播延时大、误码等问题。

典型光耦合驱动器的CMTI规格在10-20 kV/μs之间，而最新产品则拥有大为改善的性能，其CMTI值达到50 kV/μs(最小值)；一些最新的变压器耦合栅极驱动器的CMTI规范为50 kV/μs(最小值)；最新的电容耦合解决方案也有相应的CMTI规范，支持信号完整性的CMTI为200 kV/μs(最小值)，支持闩锁抗扰的CMTI为400 kV/μs(最大值)。

因此从CMTI方面来说，在快速开关的情况下，容隔的数据传输安全度更高。

3.三种常见隔离技术

3.1光隔离

【原理】 光耦合技术是在透明绝缘隔离层(例如：空气间隙)上的光传输，以达到隔离目的。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。其电路结构如图所示：

【隔离材料】 光耦器件对材料透光性的要求，使得多选用空气（Air）/氮气和环氧树脂（epoxies）作为隔离材料。

3.2变压器隔离/磁隔

【原理】 变压器隔离是利用变压器电流脉冲通过一个线圈，形成一个很小的局部磁场，从而在另一个线圈生成感应电流，即隔离前端的电流变化通过线圈引起隔离另一侧的电流变化。AC信号(例如以太网)的隔离非常适合于变压器耦合。磁隔产品常用的数据传输方式，是将上升沿和下降沿编码为双脉冲或单脉冲，以驱动变压器。这些脉冲在副边解码为上升沿或下降沿。因此对于磁耦来说每个通道都包含：一个输入缓冲器，一个编码器，一个隔离变压器，一个解码器和一个输出缓冲器。

由于无需连续提供电源给器件，磁隔的功耗比光耦合器低10倍到100倍。变压器隔离的优点是速度高，但体积比较大。.其电路示意图如图

【隔离材料】 磁隔产品多选用聚酰亚胺（polymide）。

3.3电容隔离

【原理】 TI的容隔产品多采用on-off keying(OOK)调制方式，发送器发送一个高频信号代表一种数字状态，不发送信号代表另一种数字状态。经过信号调理后通过缓冲器发出。容隔器件的功耗基本不随传输数据速率的变化而改变。其电路示意图如图

【隔离材料】 容隔器件选用绝缘强度最优的二氧化硅（SiO2）材料。

不同隔离材料的隔离特性对比如图4。其中绝缘强度值越大，表示材料的绝缘性能越好（单位Vrms指交流电的有效值），可见在这三种隔离类型中，容隔使用的材料具有最优的隔离能力，其次为磁隔。同时，相较于聚酰亚胺（polymide），二氧化硅（SiO2）的可靠性不会因为在潮湿环境工作而受到影响。

4.三种隔离器性能对比

目前，信号传输的隔离方式趋向选择容隔。