前言

在許多應(yīng)用中，電氣隔離是一項(xiàng)重要的要求，特別是在涉及高功率電路和低功率電路的地方，以及高邊和低邊接地需要分開的地方。盡管隔離技術(shù)已經(jīng)存在多年了，但已演變以滿足新應(yīng)用的需求，如可再生能源的逆變器、工業(yè)自動(dòng)化、儲(chǔ)能以及電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的逆變器和正溫系數(shù)（PTC）加熱器。

例如，在工業(yè)應(yīng)用中，電機(jī)廣泛用于自動(dòng)化領(lǐng)域。 電機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展支持在更小的封裝中完成更多的工作，從而提高了功率密度。施加這種機(jī)械力所需的電力需要更高的能效和控制。

通常使用基于IGBT技術(shù)的功率開關(guān)來實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換電路。功率開關(guān)將配置為復(fù)雜的半橋和全橋拓?fù)洌仨毷褂镁哂懈唑?qū)動(dòng)電流的門極驅(qū)動(dòng)器高效地開關(guān)。此處可以選擇分立門極驅(qū)動(dòng)器電路，但通常集成驅(qū)動(dòng)器的能效要高于分立門極驅(qū)動(dòng)器電路。特別是內(nèi)置有片上電隔離的高驅(qū)動(dòng)電流門極驅(qū)動(dòng)器具有進(jìn)一步的優(yōu)勢，例如功率密度提高，傳播延遲更短，信號(hào)完整性更好以及工作溫度范圍更寬。

隔離需求

在工業(yè)應(yīng)用中進(jìn)行隔離的主要原因在于，它為操作人員和系統(tǒng)的其他器件提供了安全性。此外，隔離可以通過提供共模瞬變抗擾性（CMTI）來幫助提高系統(tǒng)性能。隔離還通過為高邊開關(guān)提供電平轉(zhuǎn)換來幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在汽車應(yīng)用中，隔離主要用于CMTI和電平轉(zhuǎn)換。

與電子產(chǎn)品的其他方面一樣，集成為改進(jìn)提供了新的機(jī)會(huì)。集成的隔離門極驅(qū)動(dòng)器提供了一種更高性價(jià)比的方案，所需的電路板空間更少。但是，與傳統(tǒng)的隔離技術(shù)如脈沖變壓器相比，將集成的門極驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展到大于5 KVrms的電壓存在挑戰(zhàn)，后者體積更大且價(jià)格昂貴。

與光耦相比，新一代的“數(shù)字”門極驅(qū)動(dòng)器使用不同的方法跨隔離邊界進(jìn)行通信。一些方法是電感/無芯變壓器耦合、電容耦合、甚至是RF通信。

隔離的演變

由于隔離必須在高低壓域之間提供物理安全屏障，因此很難將其集成到門極驅(qū)動(dòng)器中。因此，在過去，隔離通常是使用額外分立器件來實(shí)現(xiàn)的。最廣泛使用的隔離方法之一涉及光耦。

使用光耦實(shí)現(xiàn)隔離至少需要兩個(gè)元件，即發(fā)射器和接收器。發(fā)射器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光子，而接收器將光子轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。發(fā)射器和接收器之間的物理間隙提供了隔離，并且可以將兩個(gè)器件集成到一個(gè)封裝中。盡管光耦提供可靠的隔離，并且可以擴(kuò)展到大于5 KVrms的高隔離電壓，但它們有一些缺點(diǎn)，包括可靠性和由于老化而引起的偏移特性。光耦也相對復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)隔離，封裝內(nèi)部有多個(gè)器件。

最近，包括安森美半導(dǎo)體在內(nèi)的公司已成功開發(fā)了基于無芯變壓器技術(shù)的隔離并將其集成到單個(gè)封裝中，從而取代了對光耦隔離的要求。 它采用電隔離，與門極驅(qū)動(dòng)電路一起完全集成到單個(gè)器件中。微型電感器之間的磁耦合以穩(wěn)定可靠且經(jīng)濟(jì)高效的方式使信號(hào)通過隔離邊界。

米勒平臺(tái)（Miller Plateau）的重要性

功率開關(guān)如IGBT或MOSFET會(huì)遇到被稱為米勒平臺(tái)的現(xiàn)象：傳輸曲線上的一個(gè)區(qū)域在導(dǎo)通或關(guān)斷事件期間發(fā)生。隨著門的導(dǎo)通或關(guān)斷，集電極-發(fā)射極或漏極-源極之間的電壓開始下降或上升，并且當(dāng)這種情況開始發(fā)生時(shí)，集電極或漏極與門極之間的寄生電容即為米勒電容生效。

為了完成導(dǎo)通過程，驅(qū)動(dòng)器必須給該米勒電容充電。米勒電容的充電/放電時(shí)間稱為米勒平臺(tái)區(qū)；電流開始通過IGBT / MOSFET建立，而兩端的電壓仍在下降或上升。由于米勒平臺(tái)區(qū)，功率晶體管表現(xiàn)出的大多數(shù)開關(guān)損耗都在導(dǎo)通或關(guān)斷事件期間發(fā)生。

當(dāng)晶體管移至米勒平臺(tái)時(shí)，增加驅(qū)動(dòng)電流可以加速過渡。大多數(shù)門極驅(qū)動(dòng)器都不會(huì)這樣做，但是考慮到米勒平臺(tái)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器可以有效克服這一限制。

NCD57000 / 1是基于全集成的無芯變壓器技術(shù)的內(nèi)部隔離式高壓IGBT門極驅(qū)動(dòng)器。 NCD57000 / 1的輸出級設(shè)計(jì)為內(nèi)置一個(gè)緩沖級，可提高驅(qū)動(dòng)電流。具體而言，緩沖器隨著門極電壓升高而增加輸出驅(qū)動(dòng)，并且驅(qū)動(dòng)器輸出與門極電壓之間的壓差減小。內(nèi)部緩沖器的增加使形成門極驅(qū)動(dòng)器輸出級的MOSFET更難驅(qū)動(dòng)，從而幫助IGBT門極更快地通過米勒平臺(tái)過渡。

比較隔離型門極驅(qū)動(dòng)器

應(yīng)用無芯變壓器技術(shù)來創(chuàng)建集成的、隔離型門極驅(qū)動(dòng)器，現(xiàn)在正獲得市場動(dòng)力。 作為對光耦隔離驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際改進(jìn)，它有許多優(yōu)點(diǎn)。但是，與所有事物一樣，工程師在做出設(shè)計(jì)決定之前應(yīng)該考慮一些品質(zhì)因數(shù)。

下表概述了要考慮的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)。特別要注意源電流和汲電流。在這方面，電流越大越好。特別是數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)器可以封裝更多的驅(qū)動(dòng)電流，因?yàn)榕c光耦驅(qū)動(dòng)器中使用的光學(xué)隔離相比，數(shù)字隔離占用的硅空間更少，因此數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)器可以在給定的封裝尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)級。與設(shè)計(jì)質(zhì)量有關(guān)的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是傳播延遲。在這種情況下，越短越好。

實(shí)際上，從表中的數(shù)字可以看出，在所有關(guān)鍵參數(shù)中，數(shù)字隔離門極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)可提供優(yōu)于光耦隔離技術(shù)的性能。這在延遲失真和共模瞬變抗擾度（CMTI）中可能最為明顯。

表：比較NCD57000/1與光隔離技術(shù)和主要競爭對手的品質(zhì)因數(shù)

總結(jié)

現(xiàn)在需要更高電壓的應(yīng)用數(shù)量正在增加。隔離可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，但是對較小方案的壓倒性需求意味著采用集成方法可以帶來更多好處。使用無芯變壓器技術(shù)的集成數(shù)字隔離為工程師提供了解決此設(shè)計(jì)問題的便捷方案，但是底層技術(shù)更為復(fù)雜，這意味著半導(dǎo)體公司必須投入自己的設(shè)計(jì)精力來開發(fā)最佳方案。安森美半導(dǎo)體的NCD57000 / 1代表了可以實(shí)現(xiàn)的隔離級別的重大進(jìn)步，同時(shí)提供高驅(qū)動(dòng)電流和出色的開關(guān)性能。
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