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            磁隔離柵驅動的電流雙極調制和數字濾波解調技術研究

            作者:卜寧(電子科技大學,成都 611730)時間:2021-08-27來源:電子產品世界收藏
            編者按:提出了一種適用于磁隔離柵驅動的電流雙極調制和數字濾波解調技術,該技術以電流模式作為柵驅動在信號傳輸過程中的主要工作模式,使磁隔離線圈由重載變為輕載并降低信號驅動功耗;在信號檢測方面,通過電平位移產生一對高電平互補信號,并在后續解調中使用數字邏輯電路濾除共模噪聲,并以不同平臺為主進行多次混合仿真,以改善磁隔離變壓器模型與外圍電路的匹配問題。最后,將信號的最大驅動電流減小到19 mA,通過數字濾波解調技術實現了50 kV/μs的共模噪聲抑制能力,并實現了與脈沖極性編碼傳輸方案相同級別的傳輸延遲(7.1 ns)


            本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/202108/427860.htm

            0   引言

            基于片上變壓器的隔離式柵極驅動器已有廣泛研究。然而,由于變壓器線圈的驅動問題,難以同時實現的低功耗和高能力(CMR),也限制了傳輸延遲的進一步優化。圖1 為磁隔離柵極驅動器的結構框圖,其中PWM 信號經過調制后由初級驅動模塊(Drv)驅動變壓器初級線圈,并在次級線圈上感應出待解調信號V2。一種差分結構的片上變壓器模型見圖2,由于在集成中工藝和尺寸的限制,其通帶頻率的低頻點一般需達到100 MHz,因此在工作頻帶內變壓器的增益難以超過-3 dB,其電感也在100 nH 左右[1]。初級調制信號V1 需有足夠驅動能力以在有限的增益下使待解調信號V2 的幅值能夠被檢測,這種情況下的峰值驅動電流將超過60 mA 以上[2],同時有限的dI/dt 也限制了電路延遲的減小。另一方面,不同的信號調制方式也將以通頻帶不同的方式影響變壓器模型的設計,而當應用幅度調制時,電路功耗的增加換取了高的能力。

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            圖1 簡化的結構框圖

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            圖2 片上差分變壓器的ANSYS-HFSS模型

            針對能力的進一步提升,已有多種方案:信號和噪聲的不同傳輸路徑,可提供(隔離器)的噪聲分離和抑制思路。文獻[3] 通過分析隔離器接收器側線圈上電壓偏移的噪聲和信號頻譜特征,利用高通濾波器和電壓閾值來改善CMR;此外,還可通過時域的方法對噪聲進行抑制。文獻[4] 引入2個次級線圈,分別將兩線圈的同名端和異名端作為高側柵極控制信號輸入和浮動地,這樣通過次級線圈的交叉配置可將有用的差模信號加倍,抵消無用的共模噪聲信號,以此來抑制隔離器的噪聲;文獻[5] 另辟蹊徑,以數字的方式改善隔離器的信噪比。其將隔離器的噪聲考慮為柵極控制信號的信號抖動,該抖動信號通過隨機改變信號轉換的時間瞬間而將相當大的寬帶噪聲引入隔離器的輸出?;诖朔N分析,文獻在傳統隔離器中新增了一路具有低頻率抖動的時鐘信號隔離通道,該時鐘信號與控制信號共同作為觸發器的輸入,利用時鐘信號屏蔽控制信號的抖動,從而達到抑制噪聲,提高信噪比的目的。針對以上問題,本文以電流模式作為隔離器在信號傳輸過程中的主要工作模式,而在隔離器次級采用與上述傳統共模噪聲分離和抑制方案不同的數字濾波解調技術。本文完成了基于ANSYS Electromagnetics Suite 平臺的混合仿真(見圖3),并與Cadence 平臺的結果進行了比較,以保證仿真的準確性。最后,實現了磁隔離柵驅動的低功耗,高CMR 和低傳輸延遲。

            1   電路分析

            如圖4 所示,Q1~Q4 構成雙極性調制電路,其形成的B 類驅動級用作電流源,并將變壓器從重負載變為輕負載。在這種情況下,磁場的變化直接受到dI/dt 的影響,相比電壓模式,反向的dI/dt 使差分變壓器完全消磁,并通過雙極性電流調制產生更少的諧波。圖中的鉗位二極管進一步限制線圈驅動信號中的電壓信號。次級線圈的信號檢測仍然由電流主導(見圖5),避免了初級線圈的驅動問題,并降低了峰值驅動電流。檢測電路的高通濾波網絡HPF 產生有效電流信號isecse,并通過電流鏡生成i2(或i1)。為限制VDEC_in2(或VDEC_in1)超過電源軌,在圖中設置了吸收電阻R1 和R2。

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            圖3 基于ANSYS Electromagnetics Suite的混合仿真

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            圖4 電流電路

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            圖5 電流檢測電路

            圖6 為帶電平位移輸出的電流差分放大器,其由Rcb產生2 個500 mV 的電平移位信號Dec_pu 和Dec_nu。此兩路信號配合Dec_p 和Dec_n 將得到一對高電平互補的數字邏輯信號,它們在PWM 高電平調制時互為反相,而在PWM 低電平調制時均為低電平。圖7 為檢測比較器的預放大電路,其輸入部分與圖6的電流差分放大器的輸出仍可看為電流鏡像的形式。該預放大電路具有額外的啟動電路和正反饋環路,其輸出具有鎖存能力,能快速識別出5 ns 內兩輸入波形的大小。圖8 為本文提出的數字濾波解調技術的簡化核心電路,該電路能正常解調出PWM 控制信號,并分離出噪聲信號。OUT_R 和OUT_F 信號為由比較器輸出的一對高電平互補數字邏輯信號,圖6 所示電流差分放大器輸出的四路信號共同產生Err 信號,當其為高時表示可能存在錯誤。噪聲分離的基本思路是利用鎖存器、Err、OUT_R 和OUT_F 信號分別準確有效地識別PWM 控制信號的高電平和低電平,并分別輸出包含該信息的數字信號low_active 和high_active,再通過鎖存器合成最終解調信號OUT。表1 為圖8 中兩類鎖存器Latch1 和Latch2 的真值表。

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            圖6 電流差分放大器電路

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            圖7 預放大電路

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            圖8 簡化的電流濾波解調電路

            表1 Latch1和Latch2的真值表

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            注: D = Input data H =Hold X = Don’t care.

            2   仿真結果與討論

            圖9 展示了由圖6 電流差分放大器輸出的四路信號通過比較得到一對高電平數字邏輯信號的過程。Design & Application 元器件圖10 為圖8 所示數字濾波解調電路濾除共模噪聲并輸出正常PWM 控制信號的過程,圖中分別給出了單個IGBT 橋高側和低側驅動解調過程的信號波形。VCM為模擬的50 kV/μs 共模噪聲信號,該信號加在低側磁隔離柵驅動次級輸出級的浮動地和初級信號輸入級的理想地之間。在未出現共模噪聲時,高低側的low_active和high_active 均正常并正常輸出OUT 控制信號;當共模噪聲信號在高側的PWM 信號高電平和低側的PWM低電平出現時,高低側的Err 信號做出反應并分別破壞low_active_H 和high_active_L 信號的正常電平狀態,而不影響low_active_L 和high_active_H 信號;同樣,當共模噪聲信號在高側的PWM 信號高電平和低側的PWM 低電平出現時,高低側的Err 信號仍做出反應,并不影響low_active_H 和high_active_L 信號。如此,再經過圖8 的鎖存器Latch1 的處理,輸出正??刂菩盘朞UT,屏蔽了共模噪聲信號VCM 對正??刂菩盘柕妮敵龅挠绊?。圖11 展示了分別以Cadence 和ANSYS 平臺為主進行混合仿真所得結果的對比, 圖中比較了單個IGBT 橋高側和低側驅動的變壓器電流和解調后的信號,所得變壓器峰值驅動電流小于19 mA(Cadence) 和18.5 mA(ANSYS),傳輸延遲為6.8 ns(Cadence)和7.1 ns(ANSYS)。

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            圖9 電平位移信號和其比較結果

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            圖10 通過數字濾波解調得到正常輸出信號

            3   結束語

            本文提出了一種適用于磁隔離柵驅動的電流和數字濾波解調技術,進一步降低了磁隔離柵驅動的動態功耗,并確保了其50 kV/μs 的共模噪聲抑制能力。磁隔離柵驅動采用OOK 調制模式,其變壓器的峰值驅動電流降低至19 mA,為文獻[6] 和文獻[2] 的32%;傳輸延遲降低為7.1 ns,達到與脈沖極性編碼相同的水平,表2 總結了相關性能指標的對比。

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            參考文獻:

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            [5] MAUERER M,TüYSüZ A,KOLAR J W.Low-jitter GaN E-HEMT gate driver with high common-mode voltage transient immunity[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2017,64(11): 9043-9051.

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            (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年8月期)

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