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[导读]随着双碳计划的推进,在光伏、风力发电、新能源汽车、储能等行业蓬勃发展,而这些行业的发展都离不开大功率电源方案。在这种大功率隔离电源方案中,隔离电源器件起到了至关重要的作用。隔离器件分为哪几种?哪一类隔离技术会有更好的应用表现?隔离这一器件应用的市场趋势如何?

随着双碳计划的推进,在光伏、风力发电、新能源汽车、储能等行业蓬勃发展,而这些行业的发展都离不开大功率电源方案。在这种大功率隔离电源方案中,隔离电源器件起到了至关重要的作用。隔离器件分为哪几种?哪一类隔离技术会有更好的应用表现?隔离这一器件应用的市场趋势如何?针对一系列的问题,MPS专门召开了MPS隔离电源产品发布会,MPS DCDC产品线业务拓展经理殷亮进行了精彩的分享。

三大隔离技术对比

在很多高压的应用中,采用隔离技术是十分必要的。第一是可以起到保护人体和低压设备的作用;第二是可以实现模拟信号地和功率地连接隔离,提高器件的连接质量,起到降低噪声抗干扰的作用;第三是起到电平转换的作用,一次性完成隔离和电平转换的双重作用。

针对隔离技术,业内也有不同的技术分类。其中主要包括光耦隔离、磁隔离和电容隔离三大类。其中光耦隔离技术是通过发光二级光和光敏晶体管来实现电-光-电的转换,从而达到隔离的效果。这种技术的缺点在于器件寿命较短,随着光敏器件工作时间增加,LED发光亮度会逐渐降低,最终无法穿透隔离介质,也就无法进行所谓的信号或者驱动能力的传输。另外光耦隔离所需的供电电流也是相对偏大(mA级)的。第三是受到光电器件的体积影响,所以整体隔离器件的封装体积也较大。第四点事因为电-光-电属于双重转换,所以数据传输速率通常为10Mbps,传输延迟也较高达到了百纳秒级。另外光电隔离器件对外部的共模干扰非常敏感,通常是低于20kV/us。

因为光电隔离器件有着诸多的不足之处,所以后来行业内出现了两种基于硅的隔离技术:分别是磁隔离和电容隔离。因为是基于硅的技术,所以本身也可以跟进硅晶圆开发的路线,减少了上述光电隔离器件的功耗、传输速率和延迟的缺点。据殷亮介绍,传输速率两者都能够达到100Mbps以上。对外部的共模抗干扰也是极好的,会有大于100kV/us 的共模抗干扰能力,传输延迟也是只有光耦隔离器件的10分之一左右,通常是在50ns左右。

这两种隔离技术虽然都是基于硅的,但本身的原理上并不相同。据殷亮介绍,磁隔离是基于微型变压器,对外部会有比较强的放射,就像我们通常的变压器一样,对外部有EMI的干扰。因为它本身是磁场的传输,所以对磁抗扰度也比较低。相对来说,因为高压电容隔离是基于高频信号耦合到载波信号然后传递过结缘介质的传输机制。所以它的EMI的特性会比较好,另外它是不通过磁场的这种传输方式,所以它的噪声干扰度会比较好一些。基于针对这三种技术的考量,MPS选择了电容隔离技术这一路线来进行自己的隔离产品的布局。

MPS隔离电源器件分类

针对具体的行业应用,隔离器件可以分为几个不同的类型。按照MPS的隔离产品布局,其中包括隔离栅极驱动器、变压器驱动器、隔离电源模块、数字隔离器和隔离放大器这几类。接下来我们逐一进行介绍。

隔离栅极驱动器:MP(Q)18831/51/71

隔离栅极驱动器通常是作为普通硅MOS、IGBT或碳化硅的外部驱动。如下图所示是一个比较常见的AC/DC变换拓扑,通常分为PLC、LLC和同步整流三级。副边侧的数字控制器需要跨隔离和变压器去对原边一侧的MOSFET、SiC或GaN等开关管。这时候需要在隔离信号上加一个驱动信号,传统的方法是先对信号做隔离,然后再做驱动级,最后做一个电平转换。现在这三个功能全部都集成到了隔离栅极驱动器上,一步就可以实现信号隔离、驱动和电平转换的功能。

因为驱动的管子不同,所以具体的控制要求也不相同,包括开关频率、轨电压、功率范围,驱动电压、欠压锁定的要求都是不一样的。针对这些需求,MPS开发的型号是MP(Q)18831/51/71。31是双输入半桥型拓扑,51是一个独立的双通路拓扑结构,71是针对半桥应用。这三种不同型号的产品用来覆盖客户所需的不同拓扑结构。据殷亮介绍,该系列器件原副边的耐压等级达到了业内领先的5kV以上水平,能够极大地增加系统安全性;CMTI、共模抗干扰能力是100kV/μs以上;针对不同类型的管子,会有不同的欠压锁定的选型,方便客户使用同一类的产品来适配不同的半导体器件。另外该产品副边侧的供电电压能够达到30V,比市面上主流的产品24V-25V高出约5V,这个裕量能够极大地减小副边侧因为开关中点被拉负而导致击穿的风险。

数字隔离器和模块:MP(Q)276xx、MIDxxW0505、MP(Q)278xx

数字隔离器传递的是数字信号,原副边中间会有若干路的信号传输,原副边两侧都会有相应的供电。据殷亮介绍,原边侧的一个数字信号通过滤波以后,会有一个高频的载波信号,耦合到载波信号以后,会传递过高压电容的隔离介质,传递到副边侧以后进行解调的工作,再把它还原成逻辑信号。这种变压器。

MPS针对数字隔离器推出的新产品是MP(Q)276系列,这是一款2~6通道的数字隔离器产品。供电范围可以兼容3.3V或5V两种不同的逻辑电平信号,能够传递高达150Mbps每秒数据传输率,适配各种不同的总线要求和IO信号传输需求。共模抗干扰能力能够达到100kV/μs以上,最大能够到达5kVrms隔离耐压。

针对这一产品,MPS还搭配了隔离电源模块MIDxxW0505系列。据悉,某些客户在设计当中,需要一个单独的隔离供电给到其它的IO口,例如一些总线协议等;收发器里面可能需要单独的5V转5V的电源转换。在这种客户的应用设计需求上,MIDxxW0505隔离电源模块就非常契合。

虽然是模块,但该产品采用的开发理念是IC封装形式,把包括变压器在内的整个电源转换设计集成在IC封装里。相较传统灌胶式模块实现了更薄的设计,厚度仅为2mm左右,而且可靠性表现更好,非常适合贴片式的紧凑设计应用。

为了进一步实现更高集成度,进一步缩减电源设计的面积。MPS还提供了集成度更高的整合型数字隔离器产品MP(Q)278系列,这是MP(Q)276和MIDxxW0505以及外围电路的一个高度集成的方案。殷亮表示MP(Q)278系列的参数与MP(Q)276保持一致,客户也非常欣赏这种架构,因为可以帮助其实现一个简化度较高的设计,而无需负担额外单独的变压器带来的开发周期和成本。

变压器驱动和模块:MPQ18913-AEC

变压器驱动器主要是通过变压器造一个辅助的供电系统,将原边侧的输入电压进行隔离,驱动副边侧进行供电应用,副边级也需要单独的一路供电设计。随着大功率系统这样的市场趋势发展,对开关频率要求越来越高,会有更高的dv/dt(斜坡爬升和下降速率)。这时候就需要讲反激拓扑优化成LLC的拓扑。如下图所示的驱动电路中 ,采用的是LLC拓扑的形式。

针对这类应用MPS开发的产品型号为MPQ18913,这是一个能够适配5V~30V输入电压的半桥式LLC拓扑结构的驱动器。它的优势在于拓扑上软开关的实现极大地减少了变压器的体积。另外,因为其能够进行外部时钟同步,或者使用可选自动识别谐振频率功能,能够方便客户做不同的板级设计,能够单独实现一个6W左右的供电给到不同要求的驱动器。

同样的,针对这款产品MPS也开发了MIDxW2424这样的模块化的产品,将所有的拓扑封装到一个Package里面,从而帮助需要精简化板级设计的客户。

总结

除了以上的芯片级、模块级的隔离产品外,MPS还提供了“大功率解决方案的演示板”,上面搭载了MPS诸多不同类型的优势隔离和电源产品,整体设计的功率密度达到了241W/cm3,方便客户在选型阶段进行器件评估,也可以参考这个高功率的设计来设计自己所需的供电方案。

总的来看,MPS提供了具有竞争力的全套电容隔离产品,随着当前大功率市场的发展,MPS的产品相信也会为客户的应用提供更好的表现。

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