芯耀
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數(shù)據(jù)的快速增長使數(shù)據(jù)中心面臨巨大的壓力，我們在享受云端服務(wù)帶來的各種便捷時(shí)，也不得不面對它的發(fā)展困境。不管是在工業(yè)領(lǐng)域，還是消費(fèi)領(lǐng)域，高壓單元和低壓單元在一個(gè)系統(tǒng)中共存不可避免，當(dāng)操作人員在兩者之間進(jìn)行交互時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)故障，而任何故障和從高壓單元向低壓單元漏電都會(huì)對人員造成致命傷害，還會(huì)損壞所有電壓元件。這時(shí)候我們就要考慮采取措施保護(hù)操作人員和低壓單元不受影響。
怎樣實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)？最佳方式自然是隔離。德州儀器亞太區(qū)模擬產(chǎn)品汽車方案業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳渭強(qiáng)解釋，“半導(dǎo)體集成電路隔離設(shè)備使數(shù)據(jù)和電力在高壓和低壓單元之間順利傳輸，同時(shí)防止雷擊等危險(xiǎn)性直流或來自電網(wǎng)的不受控制的瞬態(tài)電流?！?/p>
德州儀器亞太區(qū)模擬產(chǎn)品汽車方案業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳渭強(qiáng)
未來數(shù)據(jù)不斷增加，云端存儲(chǔ)壓力越來越大。為了同時(shí)滿足安全要求和增長的信息需求有人提出兩種解決辦法：增加功率密度和提供魯棒隔離。為了增加功率密度，需要大幅提高電源效率，以及電源傳輸速率，這樣可以使電源單元尺寸更小。為了提供魯棒隔離，需要確保隔離器是系統(tǒng)的組成部分，通過將高速柵極驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵電源元件與隔離器集成在一起，可以節(jié)省電源主板空間，這就是隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。
目前，工業(yè)自動(dòng)化與控制行業(yè)向下一代升級(jí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和能源存儲(chǔ) / 運(yùn)輸系統(tǒng)中能源效率的階梯函數(shù)增長需求提高，為了滿足這些隔離需求，TI 推出了隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器 UCC21520。吳渭強(qiáng)介紹，“? UCC21520 為對系統(tǒng)防護(hù)和可靠性有高要求的高壓應(yīng)用而開發(fā)，可提供 5.7 k VRMS 的增強(qiáng)隔離，其浪涌抗擾度經(jīng)測試高達(dá) 12.8 kV，普通模式的瞬態(tài)過壓抗擾度在 100 V/ns 以上。它擁有業(yè)內(nèi)最快的 19ns 傳播延遲，以及業(yè)內(nèi)最緊密的低于 5ns 的通道至通道延遲匹配，UCC21520 可提供高功率密度和高效率，使解決方案尺寸更小，在終端設(shè)備使用壽命內(nèi)運(yùn)行更可靠?！?/p>
高度兼容，自由組合
工程師在做設(shè)計(jì)的時(shí)候往往需要進(jìn)行多次驗(yàn)證，而 UCC21520 的兼容性恰好可以幫他們簡化設(shè)計(jì)流程。吳渭強(qiáng)指出，“UCC21520 內(nèi)部有兩組驅(qū)動(dòng)器，可以給客戶彈性自由的組合。它可以把兩組驅(qū)動(dòng)器變成低端的驅(qū)動(dòng)器，或者改成兩組高端，或者一組高端一組低端，最后還可以把它改成半橋的方案。這種彈性可以提升用戶的使用體驗(yàn)，工程師不需要驗(yàn)證很多不同的器件，用一個(gè) IC 的不同的組合就可以用在不同的應(yīng)用上，如 PFC 控制或者馬達(dá)控制。”
功率密度更高，尺寸更小
UCC21520 能提供最大到 4A 的源電流和 6A 反向電流。其電源是開關(guān)電源，有兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)是開，第二個(gè)是關(guān)。首先考慮快速開啟，需要高速地把一個(gè)很大的電流輸出到功率管里，讓功率管打開，開完之后要關(guān)的時(shí)候，需要 6A 的反向電流把功率管關(guān)掉。
為什么開的時(shí)候需要源電流，關(guān)的時(shí)候需要反向電流呢？吳渭強(qiáng)解釋，“我們針對的功率管絕大部分是 MOS 管、IGBT 和碳化硅。這幾種驅(qū)動(dòng)元件本身都是以 MOS 管的輸入為主，把 MOS 管的輸出端看成是一個(gè)電容到地電平，還有另外一個(gè)電容從柵極到輸出極。開的時(shí)候需要先把電容充電，需要很大電流沖過去，讓它的電容在最短的時(shí)間內(nèi)充滿。當(dāng)要關(guān)的時(shí)候，需要更大的電流量把電流從功率管中攝取回來，這就是攝取電流。”
為什么源電流是 4A，拉回來的電流是 6A？吳渭強(qiáng)表示，“這是因?yàn)槔酶?，關(guān)得更快。當(dāng)功率管開關(guān)的時(shí)候，如果速度比較慢，上升的斜率就會(huì)低，斜率低就代表功耗大。如果功率管的開 / 關(guān)時(shí)間縮短，代表著功耗降低，低功耗可以減小本身的散熱系統(tǒng)。UCC21520 的 4A 源電流與 6A 灌電流使得高頻開關(guān)電源應(yīng)用 1.8nF 負(fù)載上升時(shí)間和下降時(shí)間加快為 6ns 和 7ns，從而降低開關(guān)損耗。它可以同時(shí)搭配 MOS 管、IGBT 和碳化硅方案。”
浪涌防護(hù)高達(dá) 12.8 kV，防護(hù)能力更強(qiáng)
在應(yīng)用中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電源外圍有很多干擾，假如有一個(gè)干擾剛好在輸入輸出端兩個(gè)隔離層之間發(fā)生，抗干擾能力差就會(huì)影響到信號(hào)的傳輸，或者影響到開關(guān)里的應(yīng)用。吳渭強(qiáng)解釋，“除了 UCC21520 的浪涌防護(hù)經(jīng)測試高達(dá) 12.8 kV 之外，我們還可以達(dá)到 100V/ns 的抗噪聲能力，這是業(yè)界最高的指標(biāo)，允許客戶在非常高的干擾情況下安全運(yùn)作?！?/p>
UCC21520 結(jié)構(gòu)圖
在半橋式組合中，兩個(gè)通道同時(shí)開關(guān)可能會(huì)把電源短路到地電平。吳渭強(qiáng)分析，“為了避免這個(gè)問題，UCC21520 里整合了死區(qū)時(shí)間功能。當(dāng)你在半橋應(yīng)用的時(shí)候，這個(gè)死區(qū)的時(shí)間可以通過一個(gè)外圍的電阻設(shè)定，保證兩個(gè)開關(guān)不會(huì)同時(shí)開。因?yàn)橥瑫r(shí)開，大的話會(huì)變成短路，小的話變成功耗。這也可以確?？蛻粼趹?yīng)用的時(shí)候，既提升可靠性又進(jìn)一步降低功耗?！?/p>
“同時(shí)，UCC21520 擁有 3V 至 18V 寬范的輸入電壓范圍、可編程死區(qū)時(shí)間控制以及雙通道和并行輸出，能為設(shè)計(jì)師提供適用于多種應(yīng)用的單個(gè)靈活元件。另外，其的待機(jī)電流低至每個(gè)通道 1mA，可提高用電效率?！?吳渭強(qiáng)補(bǔ)充。
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