深度掌握隔离驱动器瞬态共模噪音抑制及其特性

大家好 我叫张巍

是德州仪器系统工程师

今天我主要讲的话题是深度掌握

隔离驱动器瞬态共模噪音抑制及其特性

Mastering the Isolated Gate Driver Robustness

A Deep Dive of CMTI

什么是 CMTI

CMTI 就是 Common mode transient immunity 的简写

就是共模噪音抑制

它主要是处理两个地之间的电压瞬态的变化

对器件的一些影响

然后我们这个讲座的话

主要是讨论 CMTI 和它的一些测试的标准

实验室的验证 测量及其涉及的一些考量

我们这个讲座的话里面包含的产品有

UCC21520 它的系列

UCC20520 UCC21220 和 222

UCC53 系列

一些包括的设计参考有

TIDA 的01159 01160 TIDA-00951

然后我们主要针对的这个场合就是

UPS telecom servers 光伏 马达驱动

和电池的充电器

首先第一个要解决的问题就是

为什么需要隔离

然后我这边列了几点需要隔离的原因

然后我这边这个拓扑是输入

就是我们线电压

它可能可以是 110V 的线

也可以是 220V 的线

它的输电范围是 85V 到 265V

然后输出呢

我这个例子里面输出 12V server

或者是 48V 的 telecom

然后它是第一个需要做隔离的原因就是

要保证安全 安全的话主要是抗雷击

第二个理由就是 Breaking ground loop

就是把这两个地能够分开

使得在两个地之间没有共模电流的流动

或者共模噪音

第三个就是电力传输

电力传输的话

就是我们的 power transformer

功率变压器 400V 到 12V

如果说做 BUCK Converter 占空比就非常小

那做隔离就可以增加它的有效占空比

使得电路的效率增加

在我们的工频变压器

也可以比如说 10kV 的电压

到我们家庭用户电压 220V

第四个目的就是它可以做信号的隔离

作为信号的通讯当中信号的隔离

那我们普通说的隔离有几种办法呢

第一个就是光耦

光耦我们用的比较早

从七零年就有商用的产品出来

它是通过有信号的时候有电流通过 led 发光

通过光敏三极管接收信号来分析 0 到 1 的区别

第二个办法是高频变压器

它是把变压器做的非常小

通过高频通过原边的信号传输到副边

电容也是一样

它是高频的信号

从电容器的左边到右边

把信号传输到另一侧

一般这种高频的 0 和 1 处理办法就是

开和关的这种叫 ON-OFF-Keying modulation

高频变压器和高频电容器的这种隔离办法

都是在 2000 年之后才大规模商业应用

TI 用的隔离办法是高频电容隔离

它的隔离材料选的是二氧化硅

这个是随着温度变化和湿度变化

目前比较认可的最稳定的隔离材料

我们通过下面这张靠近下部的这张图

可以看得出来它这个隔离是通过

两个串联电容 左边一个右边一个

在每个电容

两个导体之间的材料就是二氧化硅

二氧化硅的抗压能力的话

是五百到八百伏每微米

这个已经超过了十倍以上

目前我们光耦里面所选取的隔离材料

所以它天然就可以做的更小密度更高

然后它的这个工作时间

1.5kV 的隔离电压可以工作四十年以上

这个也保证了加强隔离

目前业界标准的一些需求

然后它也有很好的这个瞬态保护和抗压能力

在瞬态的抗压可以超过 12.8kV

最重要的就是电容隔离

通过半导体内部电路的设计

可以实现非常高的 CMTI

就是共模抑制比

对比 TI 的这个电容隔离和

目前用的比较广泛的就是

我们从七零年代之后比较广泛的光耦隔离

它的一个比较最大的优势就是

针对这个光耦隔离的最大的优势就是

它在出现电路故障之后故障损害之后

因为它是一个双电容

它在一侧如果出现了电路故障

或者这个电容失去了隔离性能

它另一侧的电容还可以承受基本的隔离

就是说它可以承受 3kV 的隔离电压

针对一个加强隔离 5kV 的器件来讲

它仍然有另外一半的承受能力

它不会造成另外一部分电路的损坏

而光耦隔离就不一样

它只有一个隔离层

如果说一旦出现电路的故障损坏的话

它这个产生的热就会严重影响到整个器件

从原边到副边的隔离性能

为了对比更全面的这个

容隔 光隔和磁隔的其它特性

这一页里面它分别讲了这个

第一个就是鲁棒性能 Robustness

它的波动 工作电压

对容隔来讲都比其它两个

而且它的这个用了这个 Material Group

就是指的它的材料 Material Component

它是材料组的第一

这个直接会影响到爬电距离

用的材料越好爬电距离越短

你的整个的这个系统的

功率密度 它的使用的这变化整个都会越小

功率密度越高

然后这个 EMI Capacitor 有天然的 Shield

它就比较低

然后 CMTI 对容隔来讲

我们市场上第一个做到超过一百伏每纳秒

就是一百千伏每微秒的隔离驱动器

然后它的传输延时和

每一个部分到另外一个部分的一些区别

都是世界上最好的

然后同时它的一些静态功耗是一毫安

也相对我们的竞争对手要好一些

什么是 CMTI

它的具体的定义是什么呢

这页就给出了它的定义

左下角是指的一个隔离器件

从原边到副边

CMTI 定义的就是

在左边一个地和右边一个地之间

最大能够承受的瞬态电压变化

从低到高从或者是从高到低

它的单位就是每千伏每微秒或者是伏每纳秒

一般来讲 伏每纳秒的话

它的 Physical meaning

就是它的物理意义更明确一些

因为对于大部分电力电子来讲

它的电压变化范围基本上都是在纳秒级的

比如说从 0V 到 400V

如果是一百伏每纳秒的话

那它就是4纳秒

这个也是针对大部分隔离驱动器

它在实际测试过程当中

或者实际应用当中使用的电压

在实际应用当中如果是 400V 的母线

那就是 400V

如果是 800V 的母线

那就是 800V

在实际的这种实验室的测量当中

它的电压可以到 1200V

或者是 1500V

CMTI 一般包括静态的 CMTI

就是 Static CMTI

和动态的 CMTI

叫 Dynamic CMTI

静态的 CMTI 就指的是

在一个隔离驱动器输入

它保持为高或者低

输出也保持为高或者低

在承受瞬态电压变化

从低到高或者是从高到低的时候

电路仍然能够承受你的瞬态电压变化

而它的输入和输出的逻辑仍然是正确的

不会受到影响或者损害

什么是动态的 CMTI

动态的 CMTI 就是指的在输入有变化

从低到高或者是从高到低

在这个图当中

我们给了一个脉冲宽度的

一定频率一定占空比周期的一个输入

然后它的输出根据这个隔离器的

隔离驱动器的定义输出就应该跟随输入

但是在很多时候

如果说隔离驱动器出现故障

它就不一定能够跟随输入

比如我们这边给的这个例子

第一个脉冲就是一个正常的

第二个脉冲就是说你有输入没有输出

那第三个就是你这个传输延迟已经超过了

这个数据手册里面的传输延迟给出的值

第四个这个例子就是你输入为高

输出因为你的瞬态电压的变化

使得它从高到低有一个逻辑的误传输

比如说输入为高

然后输出变低的一段时间

然后又回来

然后第五个例子就是说你输入为低

然后有共模瞬态电压变化

它输出又变成高

最后一个例子就是你输入为高

然后它这个在结束之后

它输出没有回到它应有的电平

那这个整个过程我们就叫 Dynamic CMTI

它指的具体就是这个瞬态的共模电压

发生在输入或者输出逻辑变化的

之前 当时或者之后

为什么 CMTI 是非常重要

我们为什么要讨论 CMTI

为什么它在电力电子电路当中的

起到了非常关键的作用

我们这页给了一个对比实验

主要是针对 600V 的 Silicon 和 600V 的 GaN

我们选取同样的电压

同样的动态电阻

然后

但是它们的瞬态的特性

比如说输出电容呀

还有它的反向恢复特性

在宽禁带产品当中就有非常大的减小

我们做了一个这个 dv/dt

就是关断十五安培

关断测试它的 dv/dt 的变化

然后我们的横坐标是

它的外部的驱动电阻从零欧姆的二十欧姆

然后我们可以看到这条红线

氮化镓的话它在 dv/dt

基本上是接近硅的三倍以上

就是它对 CMTI 的要求可能会超过 100V 以上

对于这种普通的硅的超级结

SuperJunction MOSFET

它的 dv/dt 基本上在 50V 以内

在十五安培关断的时候

我们可以看到

随着电力电子器件功率器件不断的发展

它对 dv/dt 瞬态电压的要求会越来越高

高的这个 CMTI 对电路的特性

在整个的驱动特性到整个的功率电路里面

有什么不良的影响呢

我们这边给了一个简单的示意

这个粉色的区域是

我们的原边的地和功率的地

然后我们的上管是通过电平转换

或者是隔离把信号传输到右边

如果在这个开关管的中点

就是 switch node

它有一个很高的 di/dt 或者是 dv/dt

这个 dv/dt 通过这个寄生的电容

就是隔离的电容也好

或者是隔离电源原副边的电容也好

它会把这个 dv/dt 通过这个电容传输到

这个低压侧

那低压侧通过这个瞬态的

Cdv/dt 产生的寄生电流

就会产生噪音

如果说我们在这个电路里面

给一个上管给一个单独的一个脉冲

我们可以看看它的特性

粉色的是输入

灰色的这个是输出 Gate

蓝色的是 switch node

绿色的是电感电流

我们可以看到以这个关断的一瞬间为例

它产生了很大的 dv/dt

这个 dv/dt 干扰到原边产生强烈的振荡

这个振荡如果说超过一定的时间

或者它的阈值

它就会在输出产生一个误开通

如果说你是同步整流

这个时候下管如果开通

那你就会产生上下管的共通产生短路和

整个功率电路部分的损坏

UCC21520是 TI 上市的第一款隔离驱动器

加强隔离 5.7kV 双通道

它的 CMTI 最低的参数是一百伏每纳秒

是市场上第一款最高一百伏每纳秒的

隔离驱动器

现在又陆陆续续有一些竞争对手迎头赶上

spike 100V/ns 最低的 CMTI

但是 UCC2152x 系列是

整个市场第一个一百伏每纳秒的隔离驱动器

我们看到它有一些死区的保护 欠压

而且它动态性能传输延时是二十纳秒

也是市场上表现非常好的传输延时特性

它可以用成一个高压和低压的半桥驱动

它也可以用输出的两路驱动

作为同步低压侧整流

也可以用来驱动两个高压侧

是一个设计来说非常方便

UCC21520 这个CMTI 在

整个测试当中是怎么测试的呢

这张图它是数据手册当中给的

那实际测试的它是怎么实现的呢

它是先是把三个 9V 的电池串联

通过 LDO 接到这个 VCC

这个是 VCC 的正常工作电压范围

3V 到 18V

然后三个探针两个测 OUTPUT A 和通道 B

然后另外一个测试两个地变化

主要是测试它的这个瞬态电压产生的波形

我们可以看到这个

Common Mode Surge Generator 瞬态电压发生器

是接在原边地和副边地之间

OUT A 和 OUT B

它的 VSSA 和 VSSB 的参考

短路连到一块儿

所以这三个探头它都是

Passive Probe 它可以把它的地都接到一块儿

通过这种 petite 就是小 LOOP

来测试它信号的真实和完整性

看看输出到底是有没有

跟随输入的逻辑的变化

瞬态电压发生器它有很多产生办法

一般的普通的都是从市场上

买到的这个 Surge Generator

一般都是 RC 的充电和放电

然后在这个办法当中

一般它们都是通过各种的 dampening

使得这个输出的波形

就以这个右侧这个例子为例

它基本上都非常有很少有的过冲

或者说下冲就是说它是一个从低到高

在给定的时间之内一个比较理想的波形

有些电压可能是 400V 以内

有些可能到 4kV

然后它这个电压范围也很难做一个稳定的

或者是简单的调整

而且这些不考虑寄生参数的波形

在实际的电力电子电路当中

它是不匹配的

就是在实际的电力电子电路当中

它是因为寄生参数会产生 overshoot

或者是过冲或者是 undershoot 下冲

这个波形显然就不和实际的电路相匹配

那我们怎么能够去模仿

这个实际电力电子电路当中的特性

来做一个 CMT 的发生器呢

为了能够模拟实际电路当中的工作范围

从 0V 到 400V 800V

或者 1200V 的母线电压

最好的办法就是说

我们把我们的隔离驱动器

放在这个实际的电路当中去测试

这个这一页的话

我们给出了它瞬态工作电压

从 0V 到 BUS 电压

就是一个我们叫 positive 的

或者是上升瞬态电压的发生器

它就是其实是一个 Boost 电路

然后当开关管开通的时候

它的 Switch node 就是开关点的电压

是连到地的

然后电感电流

通过输入电压去充电

当开关管关断之后积累到电感上的电流

给这个二极管的结电容和 MOS 管的

输出电容充电放电

稳定状态就是从零升到 BUS 电压

通过右边这个等式 简单的等式

我们可以看到在给定这个 on-time 的时间

就是开关管的开通的时间是固定的

你的电感是固定

那这个开关点 dv/dt

就跟随输入电压的变化而变化

在这个的过程当中我们认为母线电压

就是 common voltage 共模电压

BUS 电压是400V

或者是800V 或者是1200V

它是一个稳定的

通过调整输入电压来控制 CMTI 上升的斜率

这张图就给出了在实际测试过程当中

一个实际的波形

蓝色的是瞬态电压的变化

从 0V 到 400V

绿色的是电感电流

然后两个在上面这个信号

紫色的和黄色的是通道 A 和通道 B

我们可以看到在有这个瞬态电压变动的时候

它的通道 A 和通道 B 的输出波形

它是有噪音的

但这个噪音它不是这个

隔离驱动器的逻辑发生了变化

它是因为这个 CMTI 在非常高的时候

通过示波器可以 pick up 的一些 noise

我们讨论了这个隔离驱动器的

旁边周围的电路连接

再加上怎么产生隔离驱动器

怎么去连接它的探针

这一页的话把整个的系统框图放在一页里面

给大家一个概貌

所以它是原边有电池

这个电池是隔离的电池

那就是一个 float 悬浮的

然后 common transient 它这个产生器

switch node 是接倒原边的地

所以原边的地它在从 0 到 400V 在变动

然后副边就是 VSSA 和 VSSB

它都是接到示波器的地

所以我们可以用 1GHz 带宽的测量的探头

这种办法的好处就是

你可以通过高带宽的探头

清晰地看到输出的信号

和你的瞬态电压变化

地和 VSS 之间的电压变化情况

和这个就是镜像的另外一种办法

就是把这个 switch node

能够接到输出 输出在变动

然后再看通道 A 和通道 B 怎么变化

就是反过来你的 GND 确实是你的示波器的地

但是你输出是接在 switch node 输出在变动

这种办法的话

它的一个缺点就是

因为你输出的 VSSA 和 VSSB 在变动

就没办法用普通的 Passive Probe

去看它的信号

去看它的信号

如果说你用差分探头去看

那它的带宽就只有 200MHz

一些瞬态的变化是非常难看得到

当然你也可以用示波器

Passive Probe 两个电压去减

如果说输出电压只有5V

你的母线电压 400V

你用 400V 的电压就减出一个逻辑信号的差别

这个是在实际当中是非常难操作

所以我们这页给出的就是

系统的 CMTI 测试框图

包括隔离驱动器

包括它的 CMTI 的脉冲发生器

包括你的隔离的电池还有探头的连接

刚才讲了怎么产生从 0V 伏到母线电压

高压侧脉冲的产生

那你怎么从母线电压能够到零呢

就是我们的下降沿

下降沿产生的话我们是

通过这个 Buck-Boost 电路来实现

左侧就是我们教科书当中

看到的 Buck-Boost 电路

它的输出是一个 inverting output

然后我们把这个左边这个电路

通过重新的一个画法是同一个电路

但是不同的分布和不同的摆放

你就可以看到

它长得形状稍有些不一样

但是它实际上是一个电路

然后 VCM 的话就是我们的母线电压

它是400V 800V 或者1200V

然后 Vchg 就是我们以前讲过的

它来调节 CMTI 的电压

当开关管开通的时候

它的 VCMT pulse 是 Vchg 加上 VCM 它就是

如果说我们 Vchg 10V 的话

那就是加上 VCM 就是410V

然后给这个电感充电

当它关断的时候电感是要

通过充电放电 COSS 和 CD

使得 VCMT 这个电压从刚才讲的

比如说 410V 要变到 0V

这个就是怎么产生下降沿的

CMTI 脉冲发生器

这张图就给出了

下降沿 CMTI pulse generator 产生的波形

同样是蓝色的就是从母线电压一直降到零

它有下冲来模拟实际电力电子当中

下降沿的波形

然后我们也可以同样看到

通道 A 和通道 B 的输出它有震荡

但是它的逻辑是正确的

是因为高频高带宽探针

它在产生瞬态电路的时候拾取的一些噪音

这个我们是我们实现的一个 PCB 的示意图

左侧是底层右侧是顶层

那左侧的话我们可以看到

它有上升沿产生电路部分

有下降沿产生电路部分

然后在顶层的话

我们是有一个 Daughter Card

我们可以看到这个 Daughter card

它针对不同的隔离驱动器不同的封装

然后我们通过一个跳线来连到 Falling edge

下降沿或者是上升沿的电路

来看它的实际的电路的输出情况

所以到目前为止我们基本上讲了

我们什么是 CMTI

怎么测试 CMTI

怎么在实际的电路当中去模仿实际电路

它有过冲下冲情况下

看它的 CMTI 的一些特性

这个在设计这个硬件的时候

有一些考量就是选择 MOSFET

650V 1200V 或者1700V

或者是 SiC GaN

这个 Coss 输出电容要小

同时我们也推荐这个 SiC Diode

它这个 Junction Cap 非常小

就能够更容易实现高的 CMTI 的脉冲 dv/dt

第三点就是选取 Air core 就是空心电感

不带磁 它的 core 它的气隙

因为没有 core 没有气隙的电感

它在实体的工作当中

就不会有 OUTPUT 噪音

一般这种发生电路

都是在几百赫兹

它是远低于 20k

所以空心电感它不但有比较低的 OUTPUT 噪音

而且它的寄生电容

通过合理的连接可以把这个寄生电容做小

然后隔离驱动器的左边原边和右边副边

这两个之间的耦合要最小

我们之前讲到的这个电池在原边侧的电池

我们是推荐用电池而不是用隔离电源

因为隔离电源

它和另一侧也有这种电容耦合

为了减小这个电容耦合

我们推荐用这种悬空的悬浮的电池来支持

就是来支持原边电路的正常工作

还有一点我们这边要着重讲的

就是它的测试的位置

和你实际加在测试芯片两端的电压的一些区别

左侧我们给出的这张图就是

在实际的芯片原边和副边

来测量它的 CMTI 的特性

但是在温度测试的时候

它芯片是被固定在一个 Thermal Stream

就是整个的一个热的热风枪

那你的探头就没办法承受这个高温

没办法放到那个热风枪里面

那一个比较容易实现的办法

就是我通过我的示波器探头放在下方

然后我把我的热风枪放在上面

我们这样的话就可以做一些温度的测试

这个区别是什么呢

就是你的探头是放在下面芯片是在上面

那这个的话中间就有一英尺

大概两到三厘米的距离

但这两到三厘米的距离

就会增加你的测试电路的误差

这误差有多大呢

我们这张波形给出了

在一个测试条件下

一个是在 device under test

就是实际的测试芯片 粉色的

另外一个就是测试的是你在电路板子下面

靠近你的开关点测试的电压

我们可以看到这两张波形是不一样的

粉色的电压离你的实际产生点越远

你的 overshoot 过冲就越高

你的过冲越高你的 dv/dt 越大

在这个情况下的测试条件

就是你是175V 如果说你在板子下面测量

和201V 你在芯片的旁边测量

这个实验是在常温下面去做的

可以看到将近 25V 的这个差别

如果我们把这个差别从 100V 到 180V

或是 200V 这个范围之内

我们看到上升沿和下降沿它到底有多少误差呢

左边这张图就是上升沿的误差

它这个误差基本上是在 20V 到 30V 范围之内

下降沿的话是 30V 到 40V 范围

我们都通过线性拟合给出了这样的一个例子

所以就是说你实际读取的电压

和你在真正这个器件看到的电压是不一样

如果是你读取的是

比如说是 140V

那你就必须加上这个 offset 加上这个偏置

就是 20V 对上升沿

或者是说 30V 对下降沿

这个补偿是要加进去的

这样的话才能够反应芯片的

正常的这个 CMTI 的一个特性

这个误差当然随着你 CMTI 的降低

就会越来越小

因为我们现在讨论的 CMTI

都是超过一百伏每纳秒

是一个非常高的一个 CMTI

任何的这种寄生参数对它的影响

都是不可忽视的

所以我们这页就给出了 UCC21520

它在两个通道上升沿和下降沿

一个典型的测试曲线

那它的低温测试是

它的整个这个里面最低的点

它的高温下面它的 CMTI 是更好的

所以我们可以看得到它这个最低的 CMTI

也是超过一百五十伏每纳秒

这是我们的一个典型芯片测试值

实际的芯片实际的参数是一百伏每纳秒

这个就是考虑的这个

process voltage 和 temperature

整个变化过程当中

我们留住了一些 margin 裕量

所以一百伏每纳秒就是保质保量

在大的质量

电压变化范围温度变化范围之内

我们都保证一百伏每纳秒的 CMTI 的这个参数

TIDA 参考设计 01159

是给出了 UCC21520 和 SN6505

隔离驱动器再加辅助电源的一个设计单元

它可以用来驱动一个半桥

如果是全桥的话可以需要两个单元

然后整个的这个电路设计参数可以在

ti.com/search

搜索 TIDA-01159看到详细的信息

TIDA-01160

它主要是针对单通道驱动 UCC53

对于 IGBT 或者是 MOSFET

在马达驱动 charger

很多场合做的一个设计单元

详细的信息

可以参照 ti.com/TIDA-01160

然后这一页我们做个总结

我们在这个讲座当中阐述了隔离驱动器

什么是隔离

怎么实现隔离

隔离器驱动器的一个重要参数

CMTI common mode transient immunity

怎么去定义

怎么去测试

怎么能够模拟实际电路当中的

有过冲的 CMTI 对驱动器的影响

所以非常感谢大家

如果有什么问题可以发邮件询问

大家好 我叫张巍

是德州仪器系统工程师

今天我主要讲的话题是深度掌握

隔离驱动器瞬态共模噪音抑制及其特性

Mastering the Isolated Gate Driver Robustness

A Deep Dive of CMTI

什么是 CMTI

CMTI 就是 Common mode transient immunity 的简写

就是共模噪音抑制

它主要是处理两个地之间的电压瞬态的变化

对器件的一些影响

然后我们这个讲座的话

主要是讨论 CMTI 和它的一些测试的标准

实验室的验证 测量及其涉及的一些考量

我们这个讲座的话里面包含的产品有

UCC21520 它的系列

UCC20520 UCC21220 和 222

UCC53 系列

一些包括的设计参考有

TIDA 的01159 01160 TIDA-00951

然后我们主要针对的这个场合就是

UPS telecom servers 光伏 马达驱动

和电池的充电器

首先第一个要解决的问题就是

为什么需要隔离

然后我这边列了几点需要隔离的原因

然后我这边这个拓扑是输入

就是我们线电压

它可能可以是 110V 的线

也可以是 220V 的线

它的输电范围是 85V 到 265V

然后输出呢

我这个例子里面输出 12V server

或者是 48V 的 telecom

然后它是第一个需要做隔离的原因就是

要保证安全 安全的话主要是抗雷击

第二个理由就是 Breaking ground loop

就是把这两个地能够分开

使得在两个地之间没有共模电流的流动

或者共模噪音

第三个就是电力传输

电力传输的话

就是我们的 power transformer

功率变压器 400V 到 12V

如果说做 BUCK Converter 占空比就非常小

那做隔离就可以增加它的有效占空比

使得电路的效率增加

在我们的工频变压器

也可以比如说 10kV 的电压

到我们家庭用户电压 220V

第四个目的就是它可以做信号的隔离

作为信号的通讯当中信号的隔离

那我们普通说的隔离有几种办法呢

第一个就是光耦

光耦我们用的比较早

从七零年就有商用的产品出来

它是通过有信号的时候有电流通过 led 发光

通过光敏三极管接收信号来分析 0 到 1 的区别

第二个办法是高频变压器

它是把变压器做的非常小

通过高频通过原边的信号传输到副边

电容也是一样

它是高频的信号

从电容器的左边到右边

把信号传输到另一侧

一般这种高频的 0 和 1 处理办法就是

开和关的这种叫 ON-OFF-Keying modulation

高频变压器和高频电容器的这种隔离办法

都是在 2000 年之后才大规模商业应用

TI 用的隔离办法是高频电容隔离

它的隔离材料选的是二氧化硅

这个是随着温度变化和湿度变化

目前比较认可的最稳定的隔离材料

我们通过下面这张靠近下部的这张图

可以看得出来它这个隔离是通过

两个串联电容 左边一个右边一个

在每个电容

两个导体之间的材料就是二氧化硅

二氧化硅的抗压能力的话

是五百到八百伏每微米

这个已经超过了十倍以上

目前我们光耦里面所选取的隔离材料

所以它天然就可以做的更小密度更高

然后它的这个工作时间

1.5kV 的隔离电压可以工作四十年以上

这个也保证了加强隔离

目前业界标准的一些需求

然后它也有很好的这个瞬态保护和抗压能力

在瞬态的抗压可以超过 12.8kV

最重要的就是电容隔离

通过半导体内部电路的设计

可以实现非常高的 CMTI

就是共模抑制比

对比 TI 的这个电容隔离和

目前用的比较广泛的就是

我们从七零年代之后比较广泛的光耦隔离

它的一个比较最大的优势就是

针对这个光耦隔离的最大的优势就是

它在出现电路故障之后故障损害之后

因为它是一个双电容

它在一侧如果出现了电路故障

或者这个电容失去了隔离性能

它另一侧的电容还可以承受基本的隔离

就是说它可以承受 3kV 的隔离电压

针对一个加强隔离 5kV 的器件来讲

它仍然有另外一半的承受能力

它不会造成另外一部分电路的损坏

而光耦隔离就不一样

它只有一个隔离层

如果说一旦出现电路的故障损坏的话

它这个产生的热就会严重影响到整个器件

从原边到副边的隔离性能

为了对比更全面的这个

容隔 光隔和磁隔的其它特性

这一页里面它分别讲了这个

第一个就是鲁棒性能 Robustness

它的波动 工作电压

对容隔来讲都比其它两个

而且它的这个用了这个 Material Group

就是指的它的材料 Material Component

它是材料组的第一

这个直接会影响到爬电距离

用的材料越好爬电距离越短

你的整个的这个系统的

功率密度 它的使用的这变化整个都会越小

功率密度越高

然后这个 EMI Capacitor 有天然的 Shield

它就比较低

然后 CMTI 对容隔来讲

我们市场上第一个做到超过一百伏每纳秒

就是一百千伏每微秒的隔离驱动器

然后它的传输延时和

每一个部分到另外一个部分的一些区别

都是世界上最好的

然后同时它的一些静态功耗是一毫安

也相对我们的竞争对手要好一些

什么是 CMTI

它的具体的定义是什么呢

这页就给出了它的定义

左下角是指的一个隔离器件

从原边到副边

CMTI 定义的就是

在左边一个地和右边一个地之间

最大能够承受的瞬态电压变化

从低到高从或者是从高到低

它的单位就是每千伏每微秒或者是伏每纳秒

一般来讲 伏每纳秒的话

它的 Physical meaning

就是它的物理意义更明确一些

因为对于大部分电力电子来讲

它的电压变化范围基本上都是在纳秒级的

比如说从 0V 到 400V

如果是一百伏每纳秒的话

那它就是4纳秒

这个也是针对大部分隔离驱动器

它在实际测试过程当中

或者实际应用当中使用的电压

在实际应用当中如果是 400V 的母线

那就是 400V

如果是 800V 的母线

那就是 800V

在实际的这种实验室的测量当中

它的电压可以到 1200V

或者是 1500V

CMTI 一般包括静态的 CMTI

就是 Static CMTI

和动态的 CMTI

叫 Dynamic CMTI

静态的 CMTI 就指的是

在一个隔离驱动器输入

它保持为高或者低

输出也保持为高或者低

在承受瞬态电压变化

从低到高或者是从高到低的时候

电路仍然能够承受你的瞬态电压变化

而它的输入和输出的逻辑仍然是正确的

不会受到影响或者损害

什么是动态的 CMTI

动态的 CMTI 就是指的在输入有变化

从低到高或者是从高到低

在这个图当中

我们给了一个脉冲宽度的

一定频率一定占空比周期的一个输入

然后它的输出根据这个隔离器的

隔离驱动器的定义输出就应该跟随输入

但是在很多时候

如果说隔离驱动器出现故障

它就不一定能够跟随输入

比如我们这边给的这个例子

第一个脉冲就是一个正常的

第二个脉冲就是说你有输入没有输出

那第三个就是你这个传输延迟已经超过了

这个数据手册里面的传输延迟给出的值

第四个这个例子就是你输入为高

输出因为你的瞬态电压的变化

使得它从高到低有一个逻辑的误传输

比如说输入为高

然后输出变低的一段时间

然后又回来

然后第五个例子就是说你输入为低

然后有共模瞬态电压变化

它输出又变成高

最后一个例子就是你输入为高

然后它这个在结束之后

它输出没有回到它应有的电平

那这个整个过程我们就叫 Dynamic CMTI

它指的具体就是这个瞬态的共模电压

发生在输入或者输出逻辑变化的

之前 当时或者之后

为什么 CMTI 是非常重要

我们为什么要讨论 CMTI

为什么它在电力电子电路当中的

起到了非常关键的作用

我们这页给了一个对比实验

主要是针对 600V 的 Silicon 和 600V 的 GaN

我们选取同样的电压

同样的动态电阻

然后

但是它们的瞬态的特性

比如说输出电容呀

还有它的反向恢复特性

在宽禁带产品当中就有非常大的减小

我们做了一个这个 dv/dt

就是关断十五安培

关断测试它的 dv/dt 的变化

然后我们的横坐标是

它的外部的驱动电阻从零欧姆的二十欧姆

然后我们可以看到这条红线

氮化镓的话它在 dv/dt

基本上是接近硅的三倍以上

就是它对 CMTI 的要求可能会超过 100V 以上

对于这种普通的硅的超级结

SuperJunction MOSFET

它的 dv/dt 基本上在 50V 以内

在十五安培关断的时候

我们可以看到

随着电力电子器件功率器件不断的发展

它对 dv/dt 瞬态电压的要求会越来越高

高的这个 CMTI 对电路的特性

在整个的驱动特性到整个的功率电路里面

有什么不良的影响呢

我们这边给了一个简单的示意

这个粉色的区域是

我们的原边的地和功率的地

然后我们的上管是通过电平转换

或者是隔离把信号传输到右边

如果在这个开关管的中点

就是 switch node

它有一个很高的 di/dt 或者是 dv/dt

这个 dv/dt 通过这个寄生的电容

就是隔离的电容也好

或者是隔离电源原副边的电容也好

它会把这个 dv/dt 通过这个电容传输到

这个低压侧

那低压侧通过这个瞬态的

Cdv/dt 产生的寄生电流

就会产生噪音

如果说我们在这个电路里面

给一个上管给一个单独的一个脉冲

我们可以看看它的特性

粉色的是输入

灰色的这个是输出 Gate

蓝色的是 switch node

绿色的是电感电流

我们可以看到以这个关断的一瞬间为例

它产生了很大的 dv/dt

这个 dv/dt 干扰到原边产生强烈的振荡

这个振荡如果说超过一定的时间

或者它的阈值

它就会在输出产生一个误开通

如果说你是同步整流

这个时候下管如果开通

那你就会产生上下管的共通产生短路和

整个功率电路部分的损坏

UCC21520是 TI 上市的第一款隔离驱动器

加强隔离 5.7kV 双通道

它的 CMTI 最低的参数是一百伏每纳秒

是市场上第一款最高一百伏每纳秒的

隔离驱动器

现在又陆陆续续有一些竞争对手迎头赶上

spike 100V/ns 最低的 CMTI

但是 UCC2152x 系列是

整个市场第一个一百伏每纳秒的隔离驱动器

我们看到它有一些死区的保护 欠压

而且它动态性能传输延时是二十纳秒

也是市场上表现非常好的传输延时特性

它可以用成一个高压和低压的半桥驱动

它也可以用输出的两路驱动

作为同步低压侧整流

也可以用来驱动两个高压侧

是一个设计来说非常方便

UCC21520 这个CMTI 在

整个测试当中是怎么测试的呢

这张图它是数据手册当中给的

那实际测试的它是怎么实现的呢

它是先是把三个 9V 的电池串联

通过 LDO 接到这个 VCC

这个是 VCC 的正常工作电压范围

3V 到 18V

然后三个探针两个测 OUTPUT A 和通道 B

然后另外一个测试两个地变化

主要是测试它的这个瞬态电压产生的波形

我们可以看到这个

Common Mode Surge Generator 瞬态电压发生器

是接在原边地和副边地之间

OUT A 和 OUT B

它的 VSSA 和 VSSB 的参考

短路连到一块儿

所以这三个探头它都是

Passive Probe 它可以把它的地都接到一块儿

通过这种 petite 就是小 LOOP

来测试它信号的真实和完整性

看看输出到底是有没有

跟随输入的逻辑的变化

瞬态电压发生器它有很多产生办法

一般的普通的都是从市场上

买到的这个 Surge Generator

一般都是 RC 的充电和放电

然后在这个办法当中

一般它们都是通过各种的 dampening

使得这个输出的波形

就以这个右侧这个例子为例

它基本上都非常有很少有的过冲

或者说下冲就是说它是一个从低到高

在给定的时间之内一个比较理想的波形

有些电压可能是 400V 以内

有些可能到 4kV

然后它这个电压范围也很难做一个稳定的

或者是简单的调整

而且这些不考虑寄生参数的波形

在实际的电力电子电路当中

它是不匹配的

就是在实际的电力电子电路当中

它是因为寄生参数会产生 overshoot

或者是过冲或者是 undershoot 下冲

这个波形显然就不和实际的电路相匹配

那我们怎么能够去模仿

这个实际电力电子电路当中的特性

来做一个 CMT 的发生器呢

为了能够模拟实际电路当中的工作范围

从 0V 到 400V 800V

或者 1200V 的母线电压

最好的办法就是说

我们把我们的隔离驱动器

放在这个实际的电路当中去测试

这个这一页的话

我们给出了它瞬态工作电压

从 0V 到 BUS 电压

就是一个我们叫 positive 的

或者是上升瞬态电压的发生器

它就是其实是一个 Boost 电路

然后当开关管开通的时候

它的 Switch node 就是开关点的电压

是连到地的

然后电感电流

通过输入电压去充电

当开关管关断之后积累到电感上的电流

给这个二极管的结电容和 MOS 管的

输出电容充电放电

稳定状态就是从零升到 BUS 电压

通过右边这个等式 简单的等式

我们可以看到在给定这个 on-time 的时间

就是开关管的开通的时间是固定的

你的电感是固定

那这个开关点 dv/dt

就跟随输入电压的变化而变化

在这个的过程当中我们认为母线电压

就是 common voltage 共模电压

BUS 电压是400V

或者是800V 或者是1200V

它是一个稳定的

通过调整输入电压来控制 CMTI 上升的斜率

这张图就给出了在实际测试过程当中

一个实际的波形

蓝色的是瞬态电压的变化

从 0V 到 400V

绿色的是电感电流

然后两个在上面这个信号

紫色的和黄色的是通道 A 和通道 B

我们可以看到在有这个瞬态电压变动的时候

它的通道 A 和通道 B 的输出波形

它是有噪音的

但这个噪音它不是这个

隔离驱动器的逻辑发生了变化

它是因为这个 CMTI 在非常高的时候

通过示波器可以 pick up 的一些 noise

我们讨论了这个隔离驱动器的

旁边周围的电路连接

再加上怎么产生隔离驱动器

怎么去连接它的探针

这一页的话把整个的系统框图放在一页里面

给大家一个概貌

所以它是原边有电池

这个电池是隔离的电池

那就是一个 float 悬浮的

然后 common transient 它这个产生器

switch node 是接倒原边的地

所以原边的地它在从 0 到 400V 在变动

然后副边就是 VSSA 和 VSSB

它都是接到示波器的地

所以我们可以用 1GHz 带宽的测量的探头

这种办法的好处就是

你可以通过高带宽的探头

清晰地看到输出的信号

和你的瞬态电压变化

地和 VSS 之间的电压变化情况

和这个就是镜像的另外一种办法

就是把这个 switch node

能够接到输出 输出在变动

然后再看通道 A 和通道 B 怎么变化

就是反过来你的 GND 确实是你的示波器的地

但是你输出是接在 switch node 输出在变动

这种办法的话

它的一个缺点就是

因为你输出的 VSSA 和 VSSB 在变动

就没办法用普通的 Passive Probe

去看它的信号

去看它的信号

如果说你用差分探头去看

那它的带宽就只有 200MHz

一些瞬态的变化是非常难看得到

当然你也可以用示波器

Passive Probe 两个电压去减

如果说输出电压只有5V

你的母线电压 400V

你用 400V 的电压就减出一个逻辑信号的差别

这个是在实际当中是非常难操作

所以我们这页给出的就是

系统的 CMTI 测试框图

包括隔离驱动器

包括它的 CMTI 的脉冲发生器

包括你的隔离的电池还有探头的连接

刚才讲了怎么产生从 0V 伏到母线电压

高压侧脉冲的产生

那你怎么从母线电压能够到零呢

就是我们的下降沿

下降沿产生的话我们是

通过这个 Buck-Boost 电路来实现

左侧就是我们教科书当中

看到的 Buck-Boost 电路

它的输出是一个 inverting output

然后我们把这个左边这个电路

通过重新的一个画法是同一个电路

但是不同的分布和不同的摆放

你就可以看到

它长得形状稍有些不一样

但是它实际上是一个电路

然后 VCM 的话就是我们的母线电压

它是400V 800V 或者1200V

然后 Vchg 就是我们以前讲过的

它来调节 CMTI 的电压

当开关管开通的时候

它的 VCMT pulse 是 Vchg 加上 VCM 它就是

如果说我们 Vchg 10V 的话

那就是加上 VCM 就是410V

然后给这个电感充电

当它关断的时候电感是要

通过充电放电 COSS 和 CD

使得 VCMT 这个电压从刚才讲的

比如说 410V 要变到 0V

这个就是怎么产生下降沿的

CMTI 脉冲发生器

这张图就给出了

下降沿 CMTI pulse generator 产生的波形

同样是蓝色的就是从母线电压一直降到零

它有下冲来模拟实际电力电子当中

下降沿的波形

然后我们也可以同样看到

通道 A 和通道 B 的输出它有震荡

但是它的逻辑是正确的

是因为高频高带宽探针

它在产生瞬态电路的时候拾取的一些噪音

这个我们是我们实现的一个 PCB 的示意图

左侧是底层右侧是顶层

那左侧的话我们可以看到

它有上升沿产生电路部分

有下降沿产生电路部分

然后在顶层的话

我们是有一个 Daughter Card

我们可以看到这个 Daughter card

它针对不同的隔离驱动器不同的封装

然后我们通过一个跳线来连到 Falling edge

下降沿或者是上升沿的电路

来看它的实际的电路的输出情况

所以到目前为止我们基本上讲了

我们什么是 CMTI

怎么测试 CMTI

怎么在实际的电路当中去模仿实际电路

它有过冲下冲情况下

看它的 CMTI 的一些特性

这个在设计这个硬件的时候

有一些考量就是选择 MOSFET

650V 1200V 或者1700V

或者是 SiC GaN

这个 Coss 输出电容要小

同时我们也推荐这个 SiC Diode

它这个 Junction Cap 非常小

就能够更容易实现高的 CMTI 的脉冲 dv/dt

第三点就是选取 Air core 就是空心电感

不带磁 它的 core 它的气隙

因为没有 core 没有气隙的电感

它在实体的工作当中

就不会有 OUTPUT 噪音

一般这种发生电路

都是在几百赫兹

它是远低于 20k

所以空心电感它不但有比较低的 OUTPUT 噪音

而且它的寄生电容

通过合理的连接可以把这个寄生电容做小

然后隔离驱动器的左边原边和右边副边

这两个之间的耦合要最小

我们之前讲到的这个电池在原边侧的电池

我们是推荐用电池而不是用隔离电源

因为隔离电源

它和另一侧也有这种电容耦合

为了减小这个电容耦合

我们推荐用这种悬空的悬浮的电池来支持

就是来支持原边电路的正常工作

还有一点我们这边要着重讲的

就是它的测试的位置

和你实际加在测试芯片两端的电压的一些区别

左侧我们给出的这张图就是

在实际的芯片原边和副边

来测量它的 CMTI 的特性

但是在温度测试的时候

它芯片是被固定在一个 Thermal Stream

就是整个的一个热的热风枪

那你的探头就没办法承受这个高温

没办法放到那个热风枪里面

那一个比较容易实现的办法

就是我通过我的示波器探头放在下方

然后我把我的热风枪放在上面

我们这样的话就可以做一些温度的测试

这个区别是什么呢

就是你的探头是放在下面芯片是在上面

那这个的话中间就有一英尺

大概两到三厘米的距离

但这两到三厘米的距离

就会增加你的测试电路的误差

这误差有多大呢

我们这张波形给出了

在一个测试条件下

一个是在 device under test

就是实际的测试芯片 粉色的

另外一个就是测试的是你在电路板子下面

靠近你的开关点测试的电压

我们可以看到这两张波形是不一样的

粉色的电压离你的实际产生点越远

你的 overshoot 过冲就越高

你的过冲越高你的 dv/dt 越大

在这个情况下的测试条件

就是你是175V 如果说你在板子下面测量

和201V 你在芯片的旁边测量

这个实验是在常温下面去做的

可以看到将近 25V 的这个差别

如果我们把这个差别从 100V 到 180V

或是 200V 这个范围之内

我们看到上升沿和下降沿它到底有多少误差呢

左边这张图就是上升沿的误差

它这个误差基本上是在 20V 到 30V 范围之内

下降沿的话是 30V 到 40V 范围

我们都通过线性拟合给出了这样的一个例子

所以就是说你实际读取的电压

和你在真正这个器件看到的电压是不一样

如果是你读取的是

比如说是 140V

那你就必须加上这个 offset 加上这个偏置

就是 20V 对上升沿

或者是说 30V 对下降沿

这个补偿是要加进去的

这样的话才能够反应芯片的

正常的这个 CMTI 的一个特性

这个误差当然随着你 CMTI 的降低

就会越来越小

因为我们现在讨论的 CMTI

都是超过一百伏每纳秒

是一个非常高的一个 CMTI

任何的这种寄生参数对它的影响

都是不可忽视的

所以我们这页就给出了 UCC21520

它在两个通道上升沿和下降沿

一个典型的测试曲线

那它的低温测试是

它的整个这个里面最低的点

它的高温下面它的 CMTI 是更好的

所以我们可以看得到它这个最低的 CMTI

也是超过一百五十伏每纳秒

这是我们的一个典型芯片测试值

实际的芯片实际的参数是一百伏每纳秒

这个就是考虑的这个

process voltage 和 temperature

整个变化过程当中

我们留住了一些 margin 裕量

所以一百伏每纳秒就是保质保量

在大的质量

电压变化范围温度变化范围之内

我们都保证一百伏每纳秒的 CMTI 的这个参数

TIDA 参考设计 01159

是给出了 UCC21520 和 SN6505

隔离驱动器再加辅助电源的一个设计单元

它可以用来驱动一个半桥

如果是全桥的话可以需要两个单元

然后整个的这个电路设计参数可以在

ti.com/search

搜索 TIDA-01159看到详细的信息

TIDA-01160

它主要是针对单通道驱动 UCC53

对于 IGBT 或者是 MOSFET

在马达驱动 charger

很多场合做的一个设计单元

详细的信息

可以参照 ti.com/TIDA-01160

然后这一页我们做个总结

我们在这个讲座当中阐述了隔离驱动器

什么是隔离

怎么实现隔离

隔离器驱动器的一个重要参数

CMTI common mode transient immunity

怎么去定义

怎么去测试

怎么能够模拟实际电路当中的

有过冲的 CMTI 对驱动器的影响

所以非常感谢大家

如果有什么问题可以发邮件询问