向全数字发展的驱动核

关键字：应用 半导体 通信 电源 数字 电力 传感器 可靠性 

作者：Markus Hermwille，高级产品经理，赛米控电子部

本文介绍了隔离数字信号传输相对于模拟信号传输的特点和优势，以解释控制器和栅极驱动器接口之间的直接联系，并以眼图的形式显示了数字传输的定性分析。此外，也对数字驱动器核心方案的性能进行了评估。

电子驱动电路的主要目的是驱动功率晶体管。在静态运行条件下，IGBT需要无栅极驱动电流，因为它是受电压控制的。然而，由于栅极输入电容大，在导通和关断时会产生有短脉冲的栅极驱动电流。该脉冲序列是根据来自监控单元的信号而产生的。除了这个功能，驱动器还必须为控制系统和功率半导体之间的数据传输提供电气隔离（例如，采用光学、磁等）。通过调整开关时间，驱动器影响功率半导体的开关损耗并提高系统的整体效率。

信号隔离

在系统运行时，控制系统元件（µC、DSP等）工作在3.3V和5V之间。基于这个原因，电压信号隔离必须对噪声不太敏感。噪声信号可通过用于隔离高压电路的器件的内部电容耦合到达控制系统并可能对其产生干扰。

对于中压和高压应用中电压隔离来说，较重要的要求是隔离电压高以及足够的dv/dt强度。可通过将原边和副边的耦合电容减小到几pF来提高dv/dt强度。这将较大限度地减少开关过程中由位移电流所导致的信号传输干扰。在逆变器中，IGBT的快速开关导致电压的变化变陡（dv/dt大）。信号变压器是较能满足这些要求的。

边缘触发信号传输

先进的信号变压器可以对开关和状态信号进行边缘触发信号传输。在这种类型的传输中，驱动器电路的原边由强阻尼串联谐振电路产生一个脉冲。该脉冲被边缘存储器检测到。高脉冲电压和慢速脉冲检测确保了传输的可靠性。

这种技术只能用来传输交替开关的脉冲，但不能连续地传输两串信号，即重复的脉冲。一旦一个脉冲被传输，必须等待一个特定的时间（恢复时间）后才能在相反的方向传输另一个脉冲。

基于数字的信号传输

此项开发中较重要的部分是研发先进的信号处理技术，此技术应该很稳健，不会带来与温度依赖性或老化影响相关的问题，并且不应依赖于设备的参数。

所使用的技术是基于数字化的信号传输。此项技术背后的基本原理是：由内部数字存储器（FPGA）产生脉冲，这些脉冲具有确定的长度和形状，并且几乎与元件的参数无关。此外，这些脉冲被差分地评估。

干扰通常以同样的方式影响脉冲变压器的两路输出。如果两路输出上的电压都改变，则由于相减的结果干扰可被消除，信号信息依然清晰，即使干扰的幅值超过实际信号的幅值。由于变压器电流大且接收器终端阻抗非常低，所以实现了可靠的传输。因此，对于产生脉冲而言，不再需要高的供电电压。由于对元件参数的相对独立性，电源可使用经过稳压的3.3V。

图1显示了一个简化了的基于数字的信号传输电路图。位于原边的桥路产生时变电压，该电压经隔离后通过变压器传输到副边。在副边，传输过来信号由一个差分比较器接收，并传送给数字可编程器件（FPGA），用于副边编码和信号处理。

图1. 基于数字的信号传输原理图。

图2显示了原边产生的脉冲到副边形成一个脉冲信号的全过程。传输半桥通过逻辑门以一种简化的形式展示，差分窗口放大器被差动接收器所取代。

图2. 脉冲模式。

由于用于传输数字化信号的变压器被设计成使用高磁导率的核心材料，因此它的磁化电流相对较低，约为10mA。流经副边的电流则高得多。通过保持磁化电流如此之低，对于原边来说，将电流减为零直到只有剩磁，要相对容易。因此，重复脉冲间的等待时间也相当的短。由于磁化电流相对较小，因此，变压器磁芯中的储能也少，可实现1MHz的重复脉冲频率。重复脉冲可在任意时间被相反的脉冲中断。典型的关断脉冲时序如图3所示。在差分信号传输的一个引脚上测得该时序。所传输的导通和关断脉冲有确定的脉冲形状。

图3 .重复关断脉冲。

通过调节重复传输的脉冲，即改变重复脉冲间的脉宽和间距，可实现原边和副边之间的通讯。可以传输差分状态和故障信号。此外，传输某种传感器信号也是可能的。这意味着，隔离信号传输可以用来从副边向原边传输信息，例如，IGBT模块内部温度传感器信息。因此，有可能对温度进行连续的评估。因为传输频率大约为1MHz，因此原边和副边之间的通讯被指定用于慢速变化的传感器信号。

使用眼图分析数字信号的完整性

眼图是一种用于推断数字信号传输中数据信号重要参数的测量方法。该方法的名字来自一个事实，即显示的图形像人的眼睛。由于传输的过程，信号的上升和下降沿不再尖锐。因此，矩形脉冲变成了圆角信号。当这些脉冲叠加后，形状看起来似乎像一个眼睛。

眼图是在宽带数字示波器上由差分线的信号叠加产生的。图形本身可以根据眼睛的张开和信号圆角而变化。根据眼睛的高度和宽度，可以评估信号的幅值和以延迟形式表示的失真、误码率、噪声和抖动。

睁开的眼睛表示信号质量好。然而，如果眼睛闭上了，就不可能再区分信号。强烈的失真可以使眼睛完全闭上。这意味着，不能够可靠的检测信号。

图4 .副边数据流传输的眼图显示。

眼图测量方法被用于评估和定性分析所开发的隔离数字信号传输系统。图9显示了被冻结在单一图片中所传输的数据流。眼睛睁的很大。此外，失真非常低。这意味着，噪声小，信号幅度高，这说明数字信号的完整性好。通过这种传输方法，可以实现非常快速的传输，并且抖动可以忽略。

使用基于数字技术的信号传输

数字驱动器核心SKYPER® 52使用基于数字的信号传输。该驱动器电路包括两个独立的输出通道。图5显示了数字驱动器核心的布局。其特点在于原边和副边有用于信号处理的FPGA。

图5 .数字驱动器核心 SKYPER^® 52的布局。

两台用于信号传输的脉冲变压器所组成的隔离屏障和用于能量传输的DC/DC变换器被设计用来驱动功率半导体，集电极-发射极间的电压在1200-1700V之间。通过将原边和副边间的小耦合电容减小至几pF，可实现高约100kV/µs的dv/dt强度。由于采用了隔离DC/DC变换器为副边电路供电，驱动器可由24V非隔离电源供电。对于用户来说，这意味着不需要额外的隔离电源。该驱动电路具有下列特点功能：

o50A峰值驱动电流

o关断电压为负电压

o可单独调整的互锁/死区时间模式

o临界频率检测

o欠压控制，以确保工作在饱和区

o具有可调式智能软关断特点的个性化动态短路检测

o缓慢变化传感器信号的隔离传输（如温度）

o独立故障处理

oCAN总线兼容型诊断I/O

由于使用了数字信号处理，一些不同的参数以及数字驱动器核心在正常和故障条件下的运行性能可以单独配置。该驱动器核心本身可以焊接到印刷电路板上或使用连接器组装。

差动数字信号高噪声抑制能力

由微控制器或DSP（f_sw(max) = 100kHz，无占空比限制）强制栅极驱动电路放大脉冲模式，并提供导通和关断切换栅极信号。该数字化驱动器核心原边的输入和输出信号都兼容3.3V和5V I/O标准。这意味着，驱动器电路可直接连接与微控制器或DSP相连，无需额外电平转移。为了在电力电子环境中获得高性能和可靠的信号传输，采用了差分数字信号。

此项差动接口技术的特点是利用两根单独的线进行信号的传输。通过使用低阻抗终端和对所传输的两个电压的差分分析，实现了高噪声抑制以及非常低的电磁干扰（EMI）。

可在诊断接口处获得隔离传送的传感器信号和差分状态信号，该接口具有CAN总线的特征，使用带有“占有”“闲置”电平的差动信号传输。

故障处理的调整

可在不同的点检测出功率晶体管故障，并且对故障所作的反应可以有所不同。在许多应用中，当在已切换的装置本身或驱动器电路中检测到发生了故障，所有功率晶体管都由栅极驱动器电路直接关断。故障信号传送给栅极驱动器电路的中央故障处理单元以及所连接的微控制器或DSP。为防止短路过程中发生导通，随后的导通信号路径仍然被封锁，直到由复位脉冲进行了复位。

相比之下，在多电平逆变器的应用中，在发生故障时并不是所有功率晶体管全部被立即关断。相反，每个功率半导体都在监控单元的控制下按顺序关断；为了保护电路中的所有功率晶体管，这样做是必要的。然而，有了数字驱动器芯，驱动器电路的特性，即发生故障时电力电子系统的行为，可由用户单独定义。

大电流驱动器输出级

驱动器的输出级被设计成由两个MOSFET构成推挽结构，具有50A的峰值驱动电流。两个MOSFET的栅极由内部数字逻辑所产生的两个单独信号驱动。当其中的一个信号为高电平，N沟道MOSFET导通，当信号为低电平，P沟道MOSFET导通。这样做的一个好处是输出级两个晶体管之间的互锁或重叠可以被精确地调整。这样一来，驱动器MOSFET开关时所产生的较不可避免的从V_G+到 V_G-的交叉电流就能避免了。结果带来的是两个晶体管的推挽输出配置。

此输出级有两个输出，便于不对称栅极控制。这使得栅极电阻被分成两个电阻的R_G(on)和R_G(off)，分

相关阅读:

没有相关新闻...