掌握隔离门驱动器的稳健性 - CMTI 的深入研究

大家好！ 我叫 Wei 是 TI 的系统和应用工程师 这是一个培训视频，我们将讨论隔离式栅极驱动器的 稳健性，重点介绍共模瞬态抗扰度 也就是 CMTI 这个培训课程的主要目的是 介绍 CMTI，它用于处理 两个独立接地基准（例如隔离式栅极驱动器） 之间的差分电压 在本次培训中，我们会介绍 TI 的隔离器栅极 驱动器系列，并深入讨论 栅极驱动器隔离、CMTI 的定义、 标准要求以及验证、 测量和设计注意事项 幻灯片中提及的器件型号 包括 UCC21520x、UCC20520 和 UCC53 系列 参考设计包括 TIDA-01150、TIDA-01160 和 951 目标应用包括 UPS、电信、服务器、太阳能、 电机驱动和电池充电器 为何需要隔离？ 第一个考虑是安全性 因为电源可能会与公用电网连接 安全操作员也会接触到它 隔离会破坏公用电网与负载点之间的 接地回路，并有助于 最大限度降低开关电源产生的常见噪声 另一个用途是电力输送 利用匝数比降低或升高 电压电势 在第二阶段，除了电力输送以外 还应在控制器驱动器电路中实施 受控的架构或电源以及隔离 此处列出了 IEC 标准 增强型绝缘要求 3kV 以上、最高 5kV 的隔离电压 采用栅极驱动器 IEC 的最常用隔离 方法包括光耦合器、变压器和隔离器 光耦合器在 20 世纪 70 年代商业化 它使用发送器侧的 LED 产生的光 在两个隔离的电路之间传输 信号，接收器侧还有一个 光敏晶体管 第二种方法是从 2001 年开始商业化的集成式 微型变压器 通常，它包含具有极高频率的空心线圈 在发送器侧进行编码，并在接收器侧进行解码 第三种常用的方法是通过电容隔离栅 进行开关键控调制，从而隔离 电容 这种方法从大约 2004 年开始商业化 TI 的电容隔离技术 基于我们的服务电容器配置 （如底部的图中所示），此配置将二氧化硅 用作电介质材料 它的击穿电场为每微米大约 500 至 800 伏 这种设计可使用 1.5kV RMS 隔离 工作电压，并且使用寿命可达 40 年以上 此外，还大幅改进了 TI 定制 CMOS 工艺的 利用率 因此大幅提高了制造可重复性、 降低了缺陷水平 并提高了 MTBS TI 电容器的另一个优势是 在光耦合器上实现了增强型绝缘 由于存在两个串连的二氧化硅电容器，因此实现了失效防护 如果任一侧出现电气过载 并引发灾难性故障 由于另一个电容器正常工作 隔离栅仍会保持 基本隔离 但光耦合器绝缘层是由透明硅 制成的 任一侧的 US 都可以通过热过载或电气 过载轻松扩展到绝缘层 其隔离性能会下降 与其他的几种隔离方法相比，TI 的服务 电容器增强了隔离；实现了更高的 隔离等级和高达 12.8kV 峰值浪涌电压 共模瞬态抗扰度高，超过 每纳秒 100 伏；EMI 更低； 传播延迟；器件间偏移； 且静态电流低 顾名思义，共模瞬态抗扰度是指 两个隔离电路之间施加的共模电压的 最大容许上升或下降 速度 容许共模瞬态意味着 两个隔离电路能够按照规格正常工作 在任一侧都是 [听不清] 我们来看看共模瞬态 它具有上升瞬态、下降瞬态和 符合规范的峰值共模 (PCM) 电压 对于 CMTI 测试，VCM 不应 超过两个隔离电路之间允许的 最大重复工作电压 对于增强型隔离，建议的 VCM 为 1200 伏左右 对于基础型隔离，建议的 VCM 为 700 伏左右 CMTI 与静态 CMTI 和动态 CMTI 绑定在一起 当发生共模瞬态时，对于静态 CMTI 输入电路的测试条件会将输入 转换为逻辑高电平或逻辑 低电平并监控输出 状态 输出状态应保持在规格规定的 高电平或低电平状态，并处于 CMTI 的温度、 电压和工艺规格内 而动态 CMTI 是指输入切换 与共模瞬态脉冲相同或接近 时的 VCM 最高压摆率 切换事件可以从高到低 也可以从低到高 此标准类似于静态 CMTI 这意味着输出应当保持稳定 并符合高规格或低规格 某些出现故障的情形可能是由于丢失脉冲、 传播延迟过大、高电平或低电平错误 或者输出锁存 CMTI 为何如此重要？ 它主要由高频和高功率 密度要求以及脉冲半导体 （特别是具有 web bank 间隙的器件 例如碳化硅和氮化镓）的不断发展所驱动 将镓和硅与类似的 RDS 区域进行比较，并为它们 供应相同类型的电流 右侧图中显示了 GaN 和硅超结 MOSFET 的 dv/dt 以及栅极驱动电阻 正如您看到的， MOSFET 的 dv/dt 可以略高于每纳秒 50 伏 GaN 超过了每纳秒 150 伏 是先进的硅的三倍以上 这意味着隔离式栅极驱动器需要 满足更高的 CMTI 要求 在驱动 dv/dt 高于规格的高侧 开关的隔离式栅极驱动器示例中 共模的 dv/dt 可以通过寄生活塞 将共模噪声耦合到初级侧 在高侧开关的单次后测中，开关 波形表明 PWM_T 是主要 [听不清] 输入 VGST 是高侧栅极驱动信号 由差分探头对其执行测量 VSW 是一个将电源接地作为基准的开关节点电压 绿色曲线是电感器电流 如 PWM_T 信号中所示，在 dv/dt 具有 尖锐边缘时耦合了高噪声 噪声水平过高，而且已经在转换 期间触发了大量的 [听不清] 并引发了相应的开关节点瞬态 这种现象在半桥配置中可能构成危险 并可能在 CMTI 高于栅极驱动器规格时 导致击穿 UCC21520 是具有 5.7kV RMS 隔离 电压和每纳秒 100 伏最小 CMTI 的 增强型隔离式栅极驱动器 它是 TI 栅极驱动器产品线中新型 隔离系列的首款产品，具有 DT、UVLO 和经过优化的开关性能 同时它非常灵活 您可以将它配置为低侧驱动器、 高侧驱动器和半桥驱动器 这幅简化的电路图 说明了 UCC-21520 的 CMTI 的特性 为了以精确、简单的方式监控输出信号 发送器侧应用了共模瞬态 接收器侧应用了接地基准 并在绿线中将其显示为 VSS 发送器侧的[听不清] 电源 来自带有 LDO 的隔离式电池 并将 VCC 电压从 3 伏编程为 18 伏 共模浪涌发生器 应支持上升压摆率 和下降压摆率 为了更好地模拟用户的应用 使用了一个升压转换器来生成上升压摆率 并在转换期间使用电感器中的 电流为底部 FET 的输出电容 充电，从而在开关节点上 生成上升沿 电感器中的电流越高 所产生的 dv/dt 就越高 在导通时间和电感值固定的情况下 电流将与输入充电电压 V-charge 成比例 下面是一个波形，显示了上升转换 并在蓝色曲线中显示了 400 伏的 VCM 绿色曲线是电感器电流 由于存在高 di/dt 和寄生电感 发生了过冲，它在尝试将用户的应用 与高 dv/dt 和过冲的组合 进行匹配 为了将所有信息都显示在大图中 这里显示了一个系统级配置 其中包含脉冲发生器 如图所示，脉冲转换器 位于被测器件的接收器侧中的 同一个接地基准中，而开关节点 绑定到初级侧发送器 它会转换穿过隔离栅的 信号的上升压摆率 重要的是，探针必须具有高带宽，尾纤 必须处于小测量回路中，以便最大限度减小高 dv/dt 产生的隔离 对于压摆率下降的设计，使用了典型的 双柱式转换器且其接地基准 处于上部 为了以另一种方式绘制图并将接地基准 放在底部，仍使用 VCM 来设置共模电压 与上升压摆率类似，使用 V-charge 在 dv/dt 中进行编程 当 MOSFET 导通时，VCMT 是 VCM 与 V-charge 之和 当 MOSFET 关断时，电感器电流 会对二极管的结电容进行放电 从而生成下降压摆率 V-charge 越高，生成的下降压摆率就越高 下面是一个波形，显示了下降转换 下降电压 VCM 显示在开关波形的蓝色 曲线上 绿色曲线是电感器电流 由于存在高 di/dt 和寄生电感 发生了下冲，它在尝试将用户的应用 与高 dv/dt 和下冲的组合 进行匹配 这是一个 PCB 设计参考，这个 PCB 中 同时包含下降转换发生器和上升转换发生器 还包含具有被测器件的子卡 以及相关的旁通电容器 您可以轻松将旁通电容器更换为其他的封装或产品 这里重点介绍了设计 PCB 时的 一些注意事项 要实现更大的 CMTI 测量范围 最好使用具有较小结电容的 MOSFET 和二极管 对于通常低于 1kHz 的 CMTI 脉冲频率 空芯电感器有助于 消除可闻噪声 还建议电容器具备较小的寄生绕组 电容，以实现更大的 CMTI 范围 重要的是，PCB 设计应当 最大限度减少 PCB 重叠，还应使用浮动电池 而不是隔离式电源来驱动 下降转换 CMTI 发生器的高侧 开关，从而最大限度减小两个隔离式 接地端之间的电容耦合 对于测量期间的数据采集 随后几页介绍了两个小贴士 一个是波形平均，另一个 是由于测量位置与被测器件之间的 距离导致的CMTI 特征 下面是在一个固定的测试条件下得出的 三个不同 CMTI 读数，这些读数 介于每纳秒 166 伏至每纳秒 191 伏之间 仅从测量读数来看，容差超过每纳秒 20 伏 原因可能是，由于采样频率 在非常高的 dv/dt 测量值范围内 并不是无限的，因此在此范围内产生了量化错误 一个简单的方法是对波形取平均值 以便在此范围内使用这些工具，这样 有助于提高数据的一致性和精度 曲线中显示了取平均值和不取 平均值的比较 数据采集平均值从 每纳秒 20 伏降至每纳秒 5 伏 另一个注意事项是 CMTI 测量位置 为了确定 CMTI 的过热特性 利用热蒸汽达到探针无法 进入的环境温度 一种直截了当的解决办法是 在 PCB 板的下方测量温度，PCB 板 与 DUT 相距大约 1 英寸 对于超过每纳秒 50 伏的 dv/dt 1 英寸回路可能会产生 dv/dt 差异 您必须考虑并量化由不理想的 测量位置产生的差值 CMTI 下面是两个测量位置的 CMTI 测量结果的比较 一个结果是在 DUT 上测量的，以粉色曲线表示 另一个结果是在 PCB 的下方测量的，以蓝色曲线表示 在相同的测试条件下，dv/dt 测量容差 超过每纳秒 25 伏 因此，有必要确定整个 CMTI 测量范围的两个测量位置 之间的间隙特征，包括 上升转换和下降转换 这两个图显示了上升和下降 压摆率的差值 CMTI 特征 在整个 CMTI 测量范围内，这个值介于 17 伏至 40 伏之间 红色曲线显示了离散测量数据 粉色曲线显示了表达式近似值 在考虑到所有设计注意事项的同时 此处显示了不同温度下的 CMTI 测量值 其中包括上升和下降压摆率 数据表明，CMTI 在高温下具有 更高的性能，在低温下 CMTI 稍低 典型的最低 CMTI 高于每纳秒 150 伏 TIDA-01159 是一种紧凑、易于评估的 参考设计，适用于 UCC-021520，用于驱动额定值 为 100 伏至 690 伏的功率级 这种设计适用于所有具有半桥功率级 的设备 板中内置了简单的低成本隔离式电源 用于驱动高侧开关 这种设计演示了如何并能够帮助客户 评估 UCC-021520 栅极驱动器众多 功能的性能，该栅极驱动器具有 5kV 以上隔离电压的高 [听不清]，器件在高 CMTI 环境中能够保持稳健性，并且在与 [听不清] 和 MOSFET 配合使用时可实现高频运行 这种解决方案提供了简单易用的 [听不清]板 用于比较采用传统电源 变压器的解决方案在驱动半桥功率级 方面的性能 与以前的设计类似，TIDA-01160 是 UCC-053 系列栅极驱动器的另一个设计参考 这种设计适用于需要使用单个 隔离式栅极驱动器来驱动 IGBT 和 MOSFET 的 [听不清] 设备 [听不清] 设备包括单相或三相 UPS、直流充电电源或能源存储系统 板中内置了低成本的隔离式电源 用于驱动具有负电压片的高侧开关 在本次培训中，我们讨论了隔离式 栅极驱动器，深入介绍了 共模瞬态抗扰度、 基准 CMTI 设计、测量 和特征注意事项