随着对更高电压运行和更高效率的要求，的电动汽车和工业电源系统趋势推动了电力系统设备的更高集成度和安全性。实现这些功能的关键要素是隔离栅极驱动器。在隔离栅极驱动器的几种方法中，无芯变压器技术的创新正在为高压系统的紧凑高效栅极驱动器铺平道路。
传统的隔离栅极驱动器技术，包括分立变压器、光电隔离和电容方法，尽管在某些应用中可行，但对的电动汽车和工业电源系统提出了挑战。例如，分立变压器成本低廉，但仅允许从微控制器到功率器件的单向通信，并且不允许将信息传回微控制器，例如温度和过流/短路。就光隔离器而言，这种方法会因较高的工作温度和老化而导致 LED 输出下降，这需要随时间和温度的变化而增加的电流输入，以补偿 LED 输出的下降。，电容式栅极驱动器需要正弦波信号输入来打开输出，
无芯变压器改变 SiC 栅极驱动器
无芯变压器另一方面，栅极驱动器不会带来其他隔离式栅极驱动器技术的任何挑战，并且通过创新设计，可以提供多种系统增强功能。尽管有多种无芯变压器实施方案，但 ROHM 的无芯变压器技术是使用三个内部板构建的，其中低压部分提供与 DSP 或微控制器的硅接口，高压部分驱动 IGBT 或 MOSFET。ROHM 无芯变压器的铜线圈由一块二氧化硅隔开，二氧化硅是一种非常坚固的电介质，具有非常高的熔化温度，并且具有与石英相似的特性。低压部分采用 3.3 V 至 5 V 信号运行，与各种 3.3 V 或 5V 微控制器或 DSP 兼容。
图 1：无芯变压器栅极驱动器提供系统增强功能
与光隔离器栅极驱动器不同，无芯变压器栅极驱动器在整个温度范围内呈现出相对平坦的开启和关闭时间。另一方面，光隔离器栅极驱动器往往会随着温度变化而显着改变行为，开启和关闭时间之间的差异更长，这相当于由于死区时间较长而导致效率降低。
异或配置
图 2：异或配置
无芯变压器栅极驱动器的主要特性
具有 XOR 功能的 HS LS 交叉传导预防
交叉连接半桥栅极驱动器的 XOR 输入可防止低侧和高侧同时开启，这是无芯变压器栅极驱动器相对于基于光隔离器的驱动器的一个关键优势，因为这在以下情况下不可行光隔离器。如果没有此功能，则可能会进入高侧和低侧同时开启的破坏性模式，除了器件故障之外，甚至可能导致小规模爆炸。
去饱和检测可防止过度的电源损坏 标称运行的功率器件的源极和漏极之间大约有 3 V 的电压差。然而，在负载发生重大故障时，例如电机或电源短路，通过设备的电流可能达到标称工作电流范围的10至20倍。这种过大电流的结果是源极和漏极之间的电压差大于 3V，从而导致功率器件产生大量耗散，并使器件面临过热风险。
去饱和电路
图 3：去饱和电路
解决这个问题的方法是使用去饱和检测和软关断。去饱和检测可监控器件两端的电压，并在过压的情况下轻柔地关闭器件，防止功率过大造成损坏。
通过 PWM 温度信号实现温度监控灵活性
典型的功率器件温度监控使用负温度系数热敏电阻，其中电阻随着器件温度的变化而变化。这些热敏电阻由次级侧馈电驱动，并通过热敏电阻提供恒定电流，器件两端的电压提供作为热敏电阻温度系数函数的电压。
在发生灾难性设备故障的情况下，众所周知，无法产生导电等离子体可能会导致热敏电阻过压。功率器件接合线或直流总线走线甚至可能与其焊盘分离并与热敏电阻走线或热敏电阻本身接触，从而导致过压事件。热敏电阻过压事件的结果可能是设备故障，如果没有来自热敏电阻的必要温度信息，这使得缓解措施变得困难。
ROHM 的无芯变压器技术解决方案是使用脉宽调制 (PWM) 信号来承载温度信号，该信号根据温度曲线进行调制。这样可以与初级侧隔离，并能够连续监控基板温度，同时降低灾难性故障的风险。
集成米勒钳位可减轻瞬变
对于典型的半桥功率器件，当低侧器件关闭并且高侧器件与低侧器件的漏极电压接合时，会经历从 0 到 800 V 的 10 纳秒的非常突然的 dv/dt。侧面尖峰朝向电源轨。这是有问题的，因为低侧器件的固有栅漏电容可能会充电并产生超过 2V 至 2.5V 的电压凸块，该电压接近较低器件的开启电压。这种情况可能会导致半桥功率器件的低侧和高侧同时导通的击穿问题。
使用正电压和负电压是防止这种情况发生的一种方法，使用米勒钳位也是如此。由于使用负电源会带来额外的成本和设计复杂性，因此许多可行应用的方法是使用米勒钳位。
米勒钳位是一种晶体管，设计用于提供从 MOSFET 源极的栅极到钳位瞬态电压的低电阻路径，防止从低侧器件的栅极到漏极产生过高的电压。在某些功率器件中，内置米勒钳位，或者在栅极驱动器中打开一个端口以引入米勒钳位。ROHM 的无芯变压器栅极驱动器包括集成的有源米勒钳位功能，带有用于有源米勒钳位的栅极控制引脚以及用于米勒钳位功能的驱动 MOSFET 的电源引脚。
结论
ROHM 的无芯变压器栅极驱动器为的电动汽车和工业电源系统应用带来了许多功能和性能优势。除了极高的隔离电压外，ROHM 的栅极驱动器（例如 BM6112FV-C）还包含许多增值功能，可减少驱动器 BOM 并确保关键电源电路参数的安全性、效率和监控。
