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DC/DC闸极驱动变压器与完全整合隔离器的比较
 

【作者: Bob Bell】2010年07月20日 星期二

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所有绝缘式直流/直流电源转换器都包含了一组输入端滤波器、一组输出端滤波器、一组变压器、多组主要侧开关器、一组次要侧整流器以及一组控制器。无论是主要的侧开关或是次要的侧整流器,都可以将控制器作为接地参考。图一所示为一组绝缘式的半桥电源转换器,该转换器包含一组链接到主要侧开关的控制器。总共有四种组件跨越在绝缘边界上;分别是一组电源变压器、一组回馈讯号以及两组同步整流 MOSFET 控制讯号。由于回馈讯号是相对缓慢的模拟讯号,因此通常会使用一组光耦合器来绝缘回馈讯号。不过大多数的光耦合器太过缓慢,因此无法用来同步 MOSFET 闸极驱动的绝缘。



《图一 具有控制驱动同步整流器的半桥式电源转换器》 - BigPic:576x417


利用闸极驱动变压器提供同步整流讯号绝缘


一般来说,最常使用的方法是利用闸极驱动变压器,提供同步整流闸极驱动讯号的绝缘效果。这些变压器不仅能直接驱动MOSFET的闸极,也能对于应用在闸极驱动芯片次要侧整流器的控制讯号提供绝缘的效果。由于变压器无法通过直流讯号,因此必须使用一组具备固定大小的变压器(只有某些特定的电压值在某些时间能通过)跨越绝缘边界。在每个特定时间之后,变压器需要被重新启动,会考虑到其工作周期的限制,因此闸极驱动变压器会有其挑战与限制。近来许多供货商开始以完全整合式的解决方案取代传统的闸极驱动变压器。本文章将会检视使用闸极驱动变压器时所遇到的问题,并说明一些已经开始应用的新型解决方案。




《图二 基本的变压器绝缘闸极驱动的方案》




图二所示为最基本的变压器绝缘闸极驱动示意图。经由此图,可知输入端是透过一组直流阻断电容器来做耦合,利用一组10V、50%工作周期的驱动讯号,会使阻断电容间产生一组5V的直流偏压。偏压电压值大小为:驱动电压值×工作周期。本实例中最终次要测驱动电压值的范围将会在+5V到-5V之间摆荡。其中的负「关闭偏压」具有很强的抗噪声能力,但会损失一半的「开启偏压」。由于峰值电压大小会随着工作周期的增加而减少,因此这个方案在工作周期高于50%时可能不太适用。



必须要特别注意在一些工作周期变化很快的应用装置中,这可能会导致系统不稳定甚至损坏故障。当耦合电容器上的偏压值改变时,电容器会与变压器的激磁电感产生共振。此共振可能会造成MOSFET在某个不适当的时间内开启。可以藉由较大的电容值、闸极电阻器或是减慢工作周期的变化率来改善这个问题,不过,如果选用过大的电容值,会使变压器在瞬时状况下产生饱和现象。



直流还原闸极的驱动方式


图三所示为另一组变压器绝缘闸驱动方式,通常称为直流还原闸极驱动方式。二极管与次要侧电容器能帮助闸极驱动的直流电压值还原,并且可以允许在较高的工作周期状态下作业。此电路能避免前述范例中产生的共振,以及可能出现在基本方法中的变压器饱和问题。但是,此电路在关闭时会有一些潜在的风险。在关闭状态下,主要侧电容器会无限期地进行导通,并产生主要侧磁化电流,使变压器达到饱和。当变压器饱和时,变压器的次要侧电容会发生短路现象,使得次要侧电容开启MOSFET,因此可能会破坏到电源转换器。可以透过选用较小耦合电容数值的电容器来改善这个现象,或是使用具有软停机功能的控制器,来逐渐降低工作周期,而非瞬间停止。



《图三 具有直流还原装置的变压器绝缘闸极驱动方案》


一般来说,经过谨慎设计与评估的变压器绝缘闸极驱动可以在50%或50%以下的工作周期维持良好的运作状态。举例来说,图一所示电源转换器的同步整流器所需的工作周期相当高,高于50%的大小。对于这类型高工作周期的应用变压器绝缘装置来说,需要使用直流还原的技术,但还原技术仍然具有潜在问题,因此需要谨慎的设计与评估。高效能绝缘的直流/直流电源转换器设计人员所追求的,是设计出更高效能与更小尺寸的产品。基于绝缘闸极驱动技术所设计的变压器相对之下体积较为庞大,因为它不仅仅只有变压器,同时也具有相关的重置组件。最近有许多供货商开始使用完全整合绝缘闸驱动的解决方案。这些解决方案分别采用不同的绝缘技术,包括微变压器、与射频调变耦合的电容器以及巨磁电阻(Giant Magneto-Resistive ,GMR)传感器。



整合绝缘闸驱动的不同绝缘技术


其中一种微芯片规模的变压器,以隔绝数字讯号跨越接地绝缘边界。在每一个输入过渡端的每个边缘都会进行编码,例如两组脉冲代表的是一个上升边缘、一组脉冲代表的是一个下降边缘。这些脉冲讯号会在微变压器间进行耦合,并在次要侧进行译码。经由周期性不断地产生新的主要侧脉冲讯号,以确认直流的正确性。而在次要侧安装的监视定时器可用来追踪新的脉冲讯号。



另一种绝缘装置是使用高频射频模调变在接地绝缘边界间做数字讯号的传递。若一组主要侧700MHz的调变讯号「开启」或「关闭」,代表输入端处在「1」或「0」 的状态。从主要侧发射器所发出的讯号,在次要侧可以侦测的到。解调器可藉由解读射频讯号的消失或出现来控制输出端的状态。制造商表示由于射频讯号状态信息持续且快速的传送与接收,因此这种射频讯号开/关方法能提供最一流的抗噪声效果。



还有一种方法是使用名为巨磁电阻感测的技术。这个方案中,当主要侧输入「1」 的直流电流到微型线圈或集中器时,能产生一股集中的磁场。在次要侧装有GMR 奈米技术组件,它是由一对铁磁合金夹着一种超薄的非磁性导体中间层所组成。传感器都被安装在一组惠司同电桥装置中。当磁场存在时,传感器的电阻值变动量会影响到电桥的平衡。电桥的输出端能透过次要侧电路来作量测与调节。



上述这些完全整合绝缘器都非常有趣。这些完全整合式的绝缘器在绝缘边界间传递闸极驱动讯号的能力非常可靠,而且体积比旧有的闸驱动绝缘器变压器更小。对于任何一种采用绝缘技术的电源转换器装置都是很具有挑战性。另一个需要注意的地方是dV/dt值的敏感度。这个方法可以在瞬时期间以及之后,藉由快速的在接地与接地间电压值来检视绝缘器的输出端是否处在不同的状态。



另外,还需要考虑到的是电磁敏感度的问题。当绝缘器放置于外加电磁场时必须处在某个合适的状态。许多新装置的作业温度范围都在摄氏85度以下,但这个温度范围对于某些电源转换器而言似乎过低。多数的新技术都需要针对组件的主要侧与次要侧提供独立的5V的偏压。因此相对于旧有的绝缘转换器,还需多安装一些额外的支持组件。这些新组件的输入端通常会有个TTL门坎值,上限在 5V。



近来市场上也发表了许多新的绝缘器技术。各种新型绝缘器中的实际内部运作方式都非常的不同;包括了微变压器脉冲、射频标记以及GMR。在采用任何一种新技术之前,必须在不同的技术之间仔细评估,衡量整体的电源转换解决方案是否与采用最弱的组件一样好。



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