在許多應用中，電氣隔離是一項重要的要求，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。盡管隔離技術已經存在多年了，但已演變以滿足新應用的需求，如可再生能源的逆變器、工業(yè)自動化、儲能以及電動和混合動力汽車的逆變器和正溫系數(PTC)加熱器。
例如，在工業(yè)應用中，電機廣泛用于自動化領域。 電機設計的發(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技術的功率開關來實現(xiàn)這些應用的電源轉換電路。功率開關將配置為復雜的半橋和全橋拓撲，必須使用具有高驅動電流的門極驅動器高效地開關。此處可以選擇分立門極驅動器電路，但通常集成驅動器的能效要高于分立門極驅動器電路。特別是內置有片上電隔離的高驅動電流門極驅動器具有進一步的優(yōu)勢，例如功率密度提高，傳播延遲更短，信號完整性更好以及工作溫度范圍更寬。
隔離需求
在工業(yè)應用中進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提供電平轉換來幫助系統(tǒng)設計。在汽車應用中，隔離主要用于CMTI和電平轉換。
與電子產品的其他方面一樣，集成為改進提供了新的機會。集成的隔離門極驅動器提供了一種更高性價比的方案，所需的電路板空間更少。但是，與傳統(tǒng)的隔離技術如脈沖變壓器相比，將集成的門極驅動器擴展到大于5 KVrms的電壓存在挑戰(zhàn)，后者體積更大且價格昂貴。
與光耦相比，新一代的“數字”門極驅動器使用不同的方法跨隔離邊界進行通信。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動器中。因此，在過去，隔離通常是使用額外分立器件來實現(xiàn)的。最廣泛使用的隔離方法之一涉及光耦。
使用光耦實現(xiàn)隔離至少需要兩個元件，即發(fā)射器和接收器。發(fā)射器將電信號轉換成光子，而接收器將光子轉換回電信號。發(fā)射器和接收器之間的物理間隙提供了隔離，并且可以將兩個器件集成到一個封裝中。盡管光耦提供可靠的隔離，并且可以擴展到大于5 KVrms的高隔離電壓，但它們有一些缺點，包括可靠性和由于老化而引起的偏移特性。光耦也相對復雜，為了實現(xiàn)隔離，封裝內部有多個器件。
最近，包括安森美半導體在內的公司已成功開發(fā)了基于無芯變壓器技術的隔離并將其集成到單個封裝中，從而取代了對光耦隔離的要求。 它采用電隔離，與門極驅動電路一起完全集成到單個器件中。微型電感器之間的磁耦合以穩(wěn)定可靠且經濟高效的方式使信號通過隔離邊界。
米勒平臺(Miller Plateau)的重要性
功率開關如IGBT或MOSFET會遇到被稱為米勒平臺的現(xiàn)象：傳輸曲線上的一個區(qū)域在導通或關斷事件期間發(fā)生。隨著門的導通或關斷，集電極-發(fā)射極或漏極-源極之間的電壓開始下降或上升，并且當這種情況開始發(fā)生時，集電極或漏極與門極之間的寄生電容即為米勒電容生效。
為了完成導通過程，驅動器必須給該米勒電容充電。米勒電容的充電/放電時間稱為米勒平臺區(qū);電流開始通過IGBT / MOSFET建立，而兩端的電壓仍在下降或上升。由于米勒平臺區(qū)，功率晶體管表現(xiàn)出的大多數開關損耗都在導通或關斷事件期間發(fā)生。
當晶體管移至米勒平臺時，增加驅動電流可以加速過渡。大多數門極驅動器都不會這樣做，但是考慮到米勒平臺設計的驅動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的內部隔離式高壓IGBT門極驅動器。NCD57000 / 1的輸出級設計為內置一個緩沖級，可提高驅動電流。具體而言，緩沖器隨著門極電壓升高而增加輸出驅動，并且驅動器輸出與門極電壓之間的壓差減小。內部緩沖器的增加使形成門極驅動器輸出級的MOSFET更難驅動，從而幫助IGBT門極更快地通過米勒平臺過渡。
比較隔離型門極驅動器
應用無芯變壓器技術來創(chuàng)建集成的、隔離型門極驅動器，現(xiàn)在正獲得市場動力。 作為對光耦隔離驅動器的實際改進，它有許多優(yōu)點。但是，與所有事物一樣，工程師在做出設計決定之前應該考慮一些品質因數。
下表概述了要考慮的關鍵品質因數。特別要注意源電流和汲電流。在這方面，電流越大越好。特別是數字隔離驅動器可以封裝更多的驅動電流，因為與光耦驅動器中使用的光學隔離相比，數字隔離占用的硅空間更少，因此數字隔離驅動器可以在給定的封裝尺寸內實現(xiàn)更強的驅動級。與設計質量有關的另一個關鍵指標是傳播延遲。在這種情況下，越短越好。
實際上，從表中的數字可以看出，在所有關鍵參數中，數字隔離門極驅動器技術可提供優(yōu)于光耦隔離技術的性能。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與光隔離技術和主要競爭對手的品質因數
總結
現(xiàn)在需要更高電壓的應用數量正在增加。隔離可以通過多種方式實現(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的集成數字隔離為工程師提供了解決此設計問題的便捷方案，但是底層技術更為復雜，這意味著半導體公司必須投入自己的設計精力來開發(fā)最佳方案。安森美半導體的NCD57000 / 1代表了可以實現(xiàn)的隔離級別的重大進步，同時提供高驅動電流和出色的開關性能。
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