无芯变压器栅极驱动器在工业和汽车系统中的应用

功率器件在工业和汽车系统的设计中起着决定性的作用。为了满足这些应用的特定要求并加快上市时间，罗姆采用专有的微制造工艺开发无芯片上变压器以实现强大的隔离，尤其适用于 SiC 技术。碳化硅已被广泛应用于工业和汽车市场，包括太阳能逆变器、所有类型的高压电源和汽车车载电池充电器。

图 1：无芯变压器技术

“我们所有的栅极驱动器都基于无芯变压器技术，”ROHM Semiconductor Americas 应用工程师 Mitch Van Ochten 说。他继续说道，“它们的制造方式如图 1 上图所示，我们内部有三个独立的板坯。在左侧，我们有低压部分，该硅片与您的 DSP 或微控制器连接。低压部分以 5 伏电压运行，但如果您使用以 3.3V 运行的微型，它将接受 3.3 伏信号。然后在中心是我们的无芯变压器技术岛。这些变压器的构造如图 1 所示。它们的初级和次级线圈采用大约十匝的铜线圈，绝缘体采用二氧化硅，与石英非常相似。

碳化硅

电子电源电路的实施使系统更小、更轻，同时也为提高能效提供了基础。

过去，碳化硅功率开关器件在传统电源系统中面临许多挑战。碳化硅早年价格高，收益有限。直到最近，许多公司都专注于太阳能调节，以及一些其他真正受益于碳化硅的电源转换应用，尽管成本仍然很高。随着新技术的出现，性能和成本不断提高。现在价格大幅下降，电动汽车市场果断转向碳化硅，将技术带入大批量的主流应用。

“显然，这就是我们进行大量研发、创造大量新产品的地方。我们的第四代 SiC MOSFET 将推出，真正满足汽车行业的需求，并通过我们针对汽车应用专门调整和增强的最新沟槽技术跨越一些碳化硅市场，”美洲总裁 David Uze 说。

在 SiC MOSFET 的正向传导状态中不存在少数电荷载流子，以及 SiC 体二极管的超低反向恢复电荷 (Qrr)，降低了开关损耗并实现了系统的高工作频率。这些优点导致无源元件的减少，从而减少系统的尺寸和重量。碳化硅的热导率是硅的三倍，使系统的冷却要求更低。

第四代碳化硅 MOSFET 基于双沟槽技术。它提供的导通电阻 (R ds (ON)) 比同一芯片的当前一代 MOSFET低约 40% ，并且由于新 MOSFET 器件的电容设计，开关损耗显着降低了 25% 到 40% 以上. 这些还包括大大减少了来自身体怀疑反向恢复过程的反向恢复电流，这也意味着开关期间寄生导通的风险最小。

电源电路设计人员还会发现半桥配置开关期间的反向恢复电流大大降低，这与 MOSFET 在高dv/dt速度下没有寄生导通有关，因为 C GD /C得到改善GS电容比内置于第四代芯片设计中。

栅极驱动器

随着串式逆变器取代中央逆变器，电力电子领域，尤其是功率转换领域，效率不断提高。这种转变可以加快电动汽车的充电速度，并支持相关的电动汽车系统，例如牵引逆变器和运动控制。提高集成度是实现电源在消耗更少电路板空间的同时实现更高功率水平的必要条件。共模瞬态抗扰度 (CMTI) 是一个重要参数，也是决定栅极驱动器稳健性的关键区别因素。高 CMTI 值意味着隔离式栅极驱动器可用于具有高开关频率的应用。

BM6112FV-C 是 ROHM Semiconductor 的最新解决方案。它是一款隔离电压为 3750 VRMS、I/O 延迟时间为 150 ns 的栅极驱动器，并集成了多种功能，包括故障信号输出、就绪信号输出、欠压锁定 (UVLO)、短路保护 (SCP)、主动米勒钳位、输出状态反馈 (OSFB) 和温度监控功能。

“这是我们最高电流的栅极驱动器，我们相信它是业内最高的驱动器之一，在许多情况下，这种高电流消除了在栅极驱动器和功率器件之间放置缓冲级的需要，它还包括一个有源米勒钳位有助于防止桥的另一半误开启。它的其他功能之一是温度监视器。因此，其工作方式是您的电源模块本身通常包含一个 NTC 热敏电阻，或者您可以使用串联二极管串，然后监控电源设备的温度，然后将该信号传送到我们更改它的次级侧进入 PWM，然后我们通过隔离变压器将其耦合回初级。接着，在您的软件中，您的 DSP 或微测量 PWM 并解释基板温度，以便您可以采取适当的措施来加速冷却或限制占空比，无论您需要做什么来保持控制。我们还包括一个我们称之为输出状态反馈的安全功能，”Mitch Van Ochten 说。

该栅极驱动器具有两种隔离类别：2500 VRMS 和 3750 VRMS。每个部件都在该隔离电压下测试 60 秒。“我们认为这种无芯变压器技术优于其他两种常见的方法。我们保证我们所有的部件都能承受初级侧和次级侧之间每微秒 100 kV 的共模电压。这大约是某些光隔离驱动器提供的两倍”Mitch 说。

电子系统继续为汽车应用中引入的新功能做出贡献。无芯变压器技术对于必须满足严格 CMTI 要求的所有解决方案都很有趣。无芯变压器技术非常强大，可以轻松与创新的数字控制功能相结合。
审核编辑：郭婷