关键隔离式栅极驱动器规格

您好,欢迎观看第三个讨论隔离式栅极驱动器的 TI 高精度实验室讲座。 在本视频中,我们将探讨可以作为隔离式栅极驱动器技术的基准核心参数。 我们将会检查这些参数的数据表定义, 讨论在隔离式和非隔离式驱动器中决定这些参数的机制, 并举例说明这些参数将如何叠加影响系统性能。

 

在本讲座中,我们关注的四个参数分别是传播延迟、 脉冲持续时间失真、 部件对部件或通道对通道偏斜以及共模瞬态抗扰度。在上一节课中,这些参数是常见隔离式栅极驱动器应用中最新出现的许多改进的核心。

传播延迟是指, 根据预期的行为, 从输入超过上升或下降阈值到输出达到上升值的 10% 或下降值的 90% 的总持续时间。 例如,输出可能会直接对应于输入。 在这种情况下, 从低电平到高电平的传播延迟即从输入电压超过上升阈值到输出电压达到最大值的 10% 的时间。而从高电平到低电平的传播延迟则是从输入电压超过下降阈值到输出电压达到最大值的 90% 的时间。

 

如果输出是反相的,那么该定义的唯一变化是,从低电平到高电平的传播延迟现在取决于下降输入阈值, 而从高电平到低电平的传播延迟则取决于上升输入阈值。 为了消除驱动强度或电源电压造成的差异, 应该在最小负载或空载且输入和输出都稳定的电源电压下测量传播延迟。

 

传播延迟是输入与输出之间的电路函数。 低侧驱动器可实现不到 20 纳秒的传播延迟, 这是因为它们的实现只需要非常简单的电路。 半桥驱动器中则添加了速度较慢的高电压电平转换器以及一些去毛刺和滤波电路,以避免因噪声触发输出。 这些都必然会造成总传播延迟的升高,常见延迟时间可超过100 纳秒。 低侧与高侧之间的延迟差异非常大, 以致于需要向低侧添加一个单独的延迟时钟。

 

光电隔离器利用LED 将栅极驱动信号转换为光信号,而光电晶体管或光电二极管等光敏电路则会检测到该信号。正确驱动且具有最低附加寄生效应的 LED可在几十纳秒甚至更短的时间内接通和断开。 通过适当优化内部寄生、 跨阻抗放大器特性、LED 驱动强度和许多其他设计值,光电隔离器可以实现类似于电容式或变压器式隔离器的传播延迟,但成本较高。

 

更常见的是,这些设计值会被适当放宽,以便以更具竞争力的价格实现几百纳秒的可接受传播延迟。 电容式和变压器式隔离器会在高频载波上对它们的二进制输出状态进行编码,这只需几纳秒甚至更短的时间。载波解调同样可能只需要几纳秒时间,但是由于内部逻辑延迟和去毛刺滤波,整体延迟会较长。

 

并非所有制造商都以相同的方式实施隔离调制解调器,即使他们使用的技术类似。也就是说,传播延迟不是取决于隔离介质,而是取决于具有特定限制的介质的使用技术。每个栅极驱动器 都会因工艺公差、 电源电压变化和结温变化而在传播延迟方面存在一定变化。 通过精心设计, 可以消除许多有效的工艺公差。

 

在应用环境中,运行温度通常保持稳定,而且许多部件还包括内部调节器,以维持稳定的运行点。温度变化通常会对漂移和传播延迟产生最大影响。 穿过隔离层的高电压应用不会对隔离式驱动器产生显著影响,因为隔离元件的物理属性不会有显著变化。因此,高频传输特性不会受到干扰。相比之下,向非隔离式半桥驱动器的高侧通道施加高电压则可通过影响电平转换晶体管的电容来影响传播 延迟。

 

为了测量典型的传播延迟,应该在输入引脚和输出引脚处放置具有低电感接地鞘的示波器探针。探针应事先得到补偿,且探针和示波器都必须具有足够的带宽来测量输入和输出的上升沿和下降沿。为了实现最高精度,应该事先通过可调电压源找到大致的上升和下降阈值,具体做法为:小幅增加和减小输入电压,直至发现过渡。注意,这些阈值将会随电源电压和温度的变化而变化。为了确保稳定的内部电源电压,必须配备足够的旁路电容器。

 

脉冲持续时间失真,或者许多数据表中所说的脉宽失真,是通过测量电平从低到高和从高到低时的传播延迟并计算它们之间的绝对差值来定义的。由于该参数是通过绝对差值定义的,因此一个正值既可能代表向脉冲添加的最大持续时间,也可能代表从脉冲中截去的最大持续时间。一些制造商还可能会在指定该参数时不使用绝对差值,这时便无法区分脉冲展宽和脉冲截断。请仔细检查组件的说明书,以确定使用的是哪种定义方式。

 

栅极驱动器中的脉冲持续时间失真很大程度上取决于隔离介质中的设计权衡。去毛刺滤波器具有显著影响,因为它会抑制比最小截止值短的脉冲。但是,由于其影响仅限于占空比极限值, 因此,产品说明书中的脉冲持续时间失真中通常不包含去毛刺滤波失真。 成本较低的光电隔离器 可能会承受较差的脉冲 持续时间失真,因为光电检测器中的 LED 的开启和关闭 时间并不总是对称的,且温度越高越严重。光电隔离器的脉冲持续时间失真范围为从几百纳秒到几十纳秒。

 

电容式和变压器式隔离器存在脉冲持续时间失真是由于振荡器计时精度、 隔离组件的传输线路特性和接收器上的检测方案的变化。总体来说,每个因素可能对应几纳秒的失真。 电容式和变压器式隔离器中的脉冲持续时间失真通常为几十纳秒,有时甚至会更少。

 

为了测量脉冲持续时间失真,需要再现与传播延迟相同的测试设置,并收集不同占空比下许多脉冲的数据,直至脉冲持续时间与去毛刺滤波截止值相当。 对于具有可编程死区时间的驱动器, 则必须忽略该特性。 统计收集和持续数据捕捉这两种方法都可用于观察脉冲持续时间失真。

 

部件对部件或通道对通道计时偏斜, 以下简称计时偏斜,是通过测量两个部件或两 通道所执行的同一 操作的传播延迟并找出两个测量值之间的绝对差值来定义的。根据不同的制造商或惯例,该测量值具有不同的名称, 例如延迟匹配或部件间差值。某些部件可能未标出 部件对部件计时偏斜值。 在这些情况下, 偏斜上限 必然是最大 保证传播延迟, 因为传播延迟 最大值是没有 传播延迟的理想驱动器的 最坏情况偏离。

 

一般来说,具有相同温度、电源电压和锁定码的驱动器间将具有最低计时偏斜。因此,工艺、电压和温度上的任何变化都可能提高计时偏斜。不同批次和不同日期代码的驱动器将会具有略微不同的特性。即使是同一批次的驱动器也会因在制造过程中选用了晶圆的不同位置而具有一定的参数扩展。通道对通道计时偏斜则基本不存在这种问题,因为在选择接收器时,会选择来自同一批次且彼此间所选用晶圆位置最近的 一对接收器。

驱动器间的输出电压差异可通过传播延迟变化来影响偏斜,尽管在某种程度上,片上调节器可用于限制较低电压逻辑元件的 影响。但是,大多数偏斜都来自驱动器或通道间的温度差异。即使是完全相同的驱动器,功耗以及来自布局和气流的热影响也有可能完全不同。对于计时偏斜关键型应用,必须努力匹配驱动器的温度、电源电压和批次代码。计时偏斜的测试条件可能会与应用环境中的条件大不相同。

 

为了测量计时偏斜,应该在要测量的两个部件或通道的输入引脚和输出引脚处放置具有低电感接地鞘的示波器探针。所有其他条件,包括输入路径的长度,都应该与数据表中的测量条件相同,但是对于生产测试,这些条件应该与应用环境中的最坏情况差异相匹配。上升沿应仅与上升沿比较,下降沿则应仅与下降沿比较,所有这些都只针对具有相同部件号的部件或同一部件内的通道。同样,统计收集和持续数据捕捉可帮助我们找到最坏情况值。

 

共模瞬态抗扰度, 简称 CMTI, 是指瞬态穿过隔离层以破坏驱动器输出状态所需的最低偏斜率。在高偏斜率下,瞬态会以电容耦合的方式穿过隔离层,并将电流注入控制电路, 导致输出状态暂时被破坏。 在应用中,这种瞬态通常是由开关节点上的高 DV/DT 引起的,有时也有可能是由晶体管的雪崩击穿引起的。

 

有时,CMTI 分为静态和动态 CMTI。静态 CMTI 允许将输入直接连接到基准平面,这种情况下,瞬态更不容易在内部电路中生成错误信号。动态 CMTI 通常使用具有较高阻抗的微控制器或其他来源来驱动输入,这种情况下,注入的 瞬态电流更容易影响输出状态。在瞬态条件被清除且向控制电路的电流注入停止后,输出将会返回到预期状态。

 

光电隔离器具有可使瞬态远离关键内部电路的内部屏蔽。但是这种屏蔽会产生电容,因而可将共模电流注入驱动的 LED。最小化这些电容的许多挑战都是机械 方面的,而且为了达到可接受的 CMTI 水平,必须对封装进行精心设计。变压器式隔离器主要受变压器初级侧和次级侧之间的寄生电容的影响,但是设计者可通过调节线圈距离和放置方式来调节寄生值。

 

电容式隔离器会不可避免地通过通信介质直接耦合瞬态,因此必须通过精心设计来缓解这一问题。设计者使用内部裸片区域来策略性地放置屏蔽层和旁路电容,从而尽可能使瞬态远离关键信号。由于这些结构都是在裸片上构建的,因此它们的有效性和 驱动器的 CMTI 额定值将受工艺、电压和温度变化的影响。

 

共模瞬态抗扰度的测量可能会非常复杂。首先,必须设计或选择一个可调瞬态发生器。例如开关转换器的开关节点、基于晶体管的马克思发生器或其他一些电气快速瞬态发生器。第二,必须测量瞬态。

 

由于带宽与上升时间成反比,因此需要使用快速探针和高速示波器来测量快速瞬态。此外,还需要考虑探针电压额定值,以应对较高的电压。最后,必须对输出状态进行监控,以便发现其变化。

 

在设计 CMTI 测试时,应确保驱动器输出接地点始终与示波器保持在相同的接地上。为了将驱动器接地与示波器接地分开,需要使用差动探针或隔离探针, 但是差动探针对快速高电压瞬态的共模抑制能力较差,这会导致噪声比所需信号还高。而具有所需高共模瞬态抗扰度的隔离探针则又非常昂贵。

 

下面我们以碳化硅 MOSFET 半桥为例来对本讲座的主题进行总结。假定对于漏极电流、负载电感和栅极驱动特性的组合,我们可以预期不低于 25 纳秒而又不高于 35 纳秒的开启和关闭时间。

 

我们还可以预期上升和下降时间分别为 10 纳秒和 8 纳秒。 这些参数在温度变化时相对稳定,且 800 伏的总线电压保持不变。 如果我们考虑使用两个具有这些特性的 TI ISO5852S 驱动器、两个具有这些特性的变压器式驱动器,或者两个具有这些特性的光电隔离器,那么该系统在正常温度下所需的最小死区时间是多少?

 

这些例子都选择的是价格比较合理的组件。 假设每个驱动器的驱动强度都足以满足 35 纳秒的开启和关闭时间。在所有情况下,电平从低到高与从高到低情况下的传播延迟都密切匹配。这些公式给出了在防止电桥击穿的最低条件下,用于计算偏斜和传播延迟的方式。

对于电容式驱动器 ISO5852S, 基于部件对部件偏斜的所需最低死区时间为 40纳秒,但是实际值通常要稍微高于该值,以便针对错误留出一定的余量。使用传播延迟时,最低死区时间在加上余量后约等于110 纳秒, 因为最低传播延迟是未知的,且绝不可能低于零纳秒。如果您发现传播延迟低于零的驱动器,请联系我们。

 

对于变压器式驱动器,没有给出部件对部件偏斜。根据数据表中给出的变形,我们可以推断,在相同电压下,两个部件在各种温度下的偏斜不会超过 60 纳秒。 因此在加上余量后,理论上所需的最低死区 时间为 70 纳秒。

 

使用传播延迟时,我们可以确定各种温度下的绝对延迟差值为 90 纳秒,再加上余量,则所需的最低死区时间为 100 纳秒。对于光电隔离器,我们给出了各种温度下的部件对部件偏斜和传播延迟。使用部件对部件偏斜时所需的最低死区时间为 360 纳秒,其中包括余量。而使用传播延迟时,此估计值将上升至 410 纳秒,其中包括余量。

 

光电隔离器往往要比现代的大多数隔离式栅驱动器慢。对于碳化硅系统来说,这是一个很大的缺点。具有增强的计时特性的光电隔离器确实存在,但价格昂贵。

 

那么 CMTI 呢?如果上升和下降时间分别为10 纳秒和 8 纳秒,总线电压为 800 伏,则最坏的偏斜率 为每纳秒 100 伏。注意,这个值在电容式隔离栅极驱动器的 额定值范围内,但是超出了变压器式驱动器的最大值,且远远高于光电隔离器的保证最低值。为了能够放心地使用变压器式驱动器或光电隔离器,必须使用外部栅极电阻器来缩短上升和下降时间,从而使偏斜率在组件的限制范围内。 因此,这可能会违背开启和关闭 时间假设,导致我们需要重新计算传播延迟数据。

 

在接下来的讲座中,我们将简要讨论栅极驱动器应用电路所面临的常见挑战,以及为了应对这些问题而设计的一些特性。本视频到此结束。谢谢观看。请尝试完成测验以检查您对本视频内容的理解。