- IGBT門級(jí)驅(qū)動(dòng)器與用戶接口之間的隔離解決方案
- iCoupler變壓器隔離技術(shù)
電磁爐由于操作簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉，已日益為消費(fèi)者所接受。電磁爐不需要使用明火或者其它直接熱源，而且它們的整體性能更佳，能夠迅速加熱，安全性更高。
雖然目前電感技術(shù)得到了良好的發(fā)展和驗(yàn)證，但是在設(shè)計(jì)電磁爐應(yīng)用電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須掌握不同范圍的物理原理和設(shè)計(jì)技術(shù)。雖然電磁爐實(shí)現(xiàn)的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但是其技術(shù)卻涉及眾多不同的領(lǐng)域，包括模擬和數(shù)字信號(hào)處理、電氣保護(hù)和隔離。
例如，安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用戶接口和電源之間的隔離，其中需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的隔離：
·控制邏輯所需的低壓電源的隔離
·絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）功率級(jí)與其控制信號(hào)之間的隔離
·用戶控制和系統(tǒng)控制器之間的隔離
一個(gè)安全的系統(tǒng)必須能夠滿足至少上述兩個(gè)條件。本文將討論幾種創(chuàng)新的解決方案，它們能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT門級(jí)驅(qū)動(dòng)器與用戶接口之間的隔離。
系統(tǒng)說(shuō)明
電感元件與變壓器類似，能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)。在將金屬鍋置于磁場(chǎng)中時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生渦電流，電能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)金屬的熱傳導(dǎo)來(lái)加熱食物。由電學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，電感元件驅(qū)動(dòng)有損LC諧振電路，損耗產(chǎn)生了熱量。圖1所示電感加熱系統(tǒng)框圖。
變壓器是主傳感器，它與電磁爐磁板串聯(lián)連接，監(jiān)測(cè)流過(guò)磁板的電流值，以便于針對(duì)用戶選擇的烹飪選項(xiàng)保持適當(dāng)?shù)碾娏髦?。在必要時(shí)降低電流，以避免出現(xiàn)過(guò)流條件，這可以防止損壞功率級(jí)，即電磁爐的磁板和IGBT。
由于磁板、鍋和變壓器的電感和電容構(gòu)成了諧振LC電路，因此某些人可能認(rèn)為設(shè)定L和C的值即能夠確定感應(yīng)頻率。但是，電感和電容值以及由此導(dǎo)致的諧振頻率取決于用戶使用的鍋的尺寸、形狀和材料。因此，通過(guò)用戶接口選擇的不同的加熱等級(jí)不能由固定頻率設(shè)定。一種更有效的方法是通過(guò)電流測(cè)量確定的功耗，以此設(shè)定加熱的等級(jí)。微控制器通過(guò)反饋回路調(diào)節(jié)電流，使其對(duì)應(yīng)于用戶選擇的加熱等級(jí)。微控制器調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）波形的頻率，以適應(yīng)鍋的特征。電磁爐的設(shè)計(jì)人員應(yīng)事先了解每個(gè)加熱等級(jí)所對(duì)應(yīng)的電流大小，繼而只需簡(jiǎn)單地對(duì)微控制器編程以調(diào)節(jié)PWM頻率，提供適當(dāng)?shù)碾娏鳌?br />
驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM信號(hào)的典型頻率范圍約20 kHz~100 kHz。相比于MOSFET，IGBT的關(guān)斷特性較慢，其開(kāi)關(guān)頻率僅為數(shù)十千赫。微控制器提供的PWM信號(hào)的占空比是固定的（如50%），通過(guò)用戶選擇的加熱等級(jí)要求的功率來(lái)調(diào)節(jié)該P(yáng)WM信號(hào)的頻率。
由于在大電流電感電路中可能會(huì)產(chǎn)生大電壓，因此在系統(tǒng)中的關(guān)鍵位置提供電氣隔離是十分重要的。特別是電磁爐的功率級(jí)與微控制器和其它數(shù)字電路隔離。一種隔離方法是使用隔離IGBT驅(qū)動(dòng)器。與傳統(tǒng)的隔離解決方案相比，基于ADI公司創(chuàng)新的iCoupler®技術(shù)的低成本隔離門級(jí)驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)電路具有很多優(yōu)點(diǎn)。
電流隔離是一種用于防止電流在兩個(gè)連通的電路之間直接流動(dòng)的技術(shù)。使用隔離的主要原因有兩個(gè)，第一個(gè)原因是在人員和設(shè)備暴露于大電壓或電流浪涌時(shí)，對(duì)他們進(jìn)行保護(hù)。第二個(gè)原因是在電路互連牽涉到不同的地電位時(shí)，避免地回路和破壞性的地電流。在這兩種情況中，隔離技術(shù)可以防止電流流動(dòng)，但是允許在兩個(gè)電路之間傳遞數(shù)據(jù)或功率。
iCoupler技術(shù)（圖2）是一種基于變壓器的隔離技術(shù)。由于集成了微型變壓器和電子電路，因此它具有光耦合器技術(shù)、分立變壓器技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還消除了光耦合器和分立變壓器的缺點(diǎn)。光耦合器的缺點(diǎn)在于功耗過(guò)高，大的定時(shí)誤差，數(shù)據(jù)速率限制以及對(duì)溫度的敏感性。在基于 iCoupler技術(shù)的產(chǎn)品中，通過(guò)在變壓器線圈之間使用20 µm厚的聚酰亞胺絕緣層，實(shí)現(xiàn)了滿足安全機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的絕緣。而且，它還能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)5 kV rms的隔離等級(jí)。該技術(shù)使用申請(qǐng)專利的刷新電路，在沒(méi)有輸入跳變的情況下，通過(guò)刷新電路使輸出狀態(tài)輸入狀態(tài)保持匹配，由此消除了分立變壓器的固有缺陷，可以獲得準(zhǔn)確的直流電平。
iCoupler 技術(shù)提供了五個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：
·集成度（尺寸/成本）
·性能
·功耗
·易用性
·可靠性
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使用iCoupler技術(shù)的IGBT隔離
ADI公司的隔離門級(jí)驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品采用iCoupler技術(shù)，其中雙通道 ADuM1233（圖3）提供了輸出通道和輸入通道之間的隔離以及兩個(gè)輸出通道之間的隔離，適用于IGBT控制通道的隔離。
輸入電路的功率由隔離電源提供，并且可能需要一個(gè)或幾個(gè)電壓轉(zhuǎn)換級(jí)。系統(tǒng)中的微控制器和其他電路部分需要5 V電源，而IGBT電路需要15 V的電源才能有效工作。iCoupler隔離門級(jí)驅(qū)動(dòng)器必須能夠提供高達(dá)100 mA的峰值驅(qū)動(dòng)電流，因此需要額外的增益級(jí)，如圖4中所示。
由于兩個(gè)通道之間的定時(shí)關(guān)系是十分重要的，而且PWM信號(hào)在反相階段驅(qū)動(dòng)IGBT，因此與LED和光電二極管相比，iCoupler技術(shù)的速度、穩(wěn)定性和可靠性是非常出色的。如圖5的曲線所示，在輸出電壓范圍為12 V~18 V，輸入電源電壓范圍為4.5 V~5.5 V的情況下，兩個(gè)通道的上升沿的傳播延遲是匹配的，約為100 ps，而且下降沿的傳播延遲優(yōu)于1 ns。
（a）輸出電壓（b）輸入電壓
這種定時(shí)容限確保了IGBT的全互補(bǔ)開(kāi)關(guān)操作，提高了功率級(jí)和整體系統(tǒng)的效率。
如上所述，ADuM1233提供了輸入電路和輸出電路之間以及兩個(gè)輸出電路之間真正的電流隔離。每個(gè)隔離輸出通道可以在與輸入電路電壓相差±700 V的電壓下工作，因此支持低端電源的負(fù)電壓（圖4中的-HV）。高端電源軌和低端電源軌（+HV和-HV）之間的電壓差必須不大于700 V，這與電磁爐使用的典型電壓軌兼容。
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使用iCoupler技術(shù)隔離用戶接口
如果采用電容鍵盤，那么可以利用SPI（Motorola公司提出的串行外圍接口）或者I2C（集成電路間總線，飛利浦半導(dǎo)體公司的注冊(cè)商標(biāo)）串聯(lián)實(shí)現(xiàn)微控制器和ADI公司的AD7147或AD7148電容鍵盤控制器之間的接口。雙向I2C®接口通常用于數(shù)據(jù)速率相對(duì)低的短程通信，在這些應(yīng)用中，低成本是關(guān)鍵因素，而I2C僅使用兩個(gè)雙向連接線就可滿足低成本要求。但是，如果采用光耦合器隔離I2C 總線，由于光耦合器是單向的，不能處理雙向信號(hào)，那么這一低成本的優(yōu)點(diǎn)是不起作用的。因?yàn)楸仨殞2C總線每個(gè)連接線上的傳送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行隔離，因此就要使用四個(gè)光耦合器來(lái)隔離四條連接線。此外，還需要使用專用的緩沖器消除隔離接口中的鎖定和毛刺信號(hào)，這些額外的元件增加了成本和復(fù)雜度，并且占用了較大的電路板面積。
iCoupler技術(shù)實(shí)現(xiàn)的集成隔離解決方案以較低的成本降低了電路板尺寸要求和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。圖6所示的ADuM1250和ADuM1251實(shí)現(xiàn)了真正的雙向隔離，并且集成了用于消除毛刺信號(hào)和鎖定的緩沖器。這種高度集成的解決方案僅需兩個(gè)旁路電容和兩對(duì)上拉電阻（I2C標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定），并且能夠以較低的成本提供I2C接口。有關(guān)這些器件的使用細(xì)節(jié)，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記AN-913“PC接口隔離”。
鍋檢測(cè)
檢測(cè)電磁爐上是否存在鍋是十分重要的。IGBT必須管理連接到其集電極（+HV）的高壓軌。使用電阻分壓器對(duì)該高壓信號(hào)采樣，將信號(hào)發(fā)送到微控制器，以檢測(cè)IGBT集電極處電壓的任何變化。如果用戶選定了加熱等級(jí)并且將鍋放置在電磁爐上，那么由此導(dǎo)致的電能傳輸和電流尖峰將使集電極處的電壓變化，并且引起電阻分壓器輸出端處的電壓變化。在將鍋從電磁爐上拿開(kāi)時(shí)，這些變化將以相反的方向發(fā)生。因此，通過(guò)比較電壓變化與固定閾值，例如ADI公司的 ADCMP3xx系列比較器，就可以檢測(cè)電磁爐上是否存在鍋。如果沒(méi)有檢測(cè)到，那么將中斷發(fā)送到微控制器，微控制器調(diào)節(jié)PWM的頻率直至IGBT停止向電感元件提供電流，在用戶忘記關(guān)閉電磁爐時(shí)，這一特性提供了額外的安全保護(hù)。
結(jié)論
電磁爐技術(shù)是ADI公司iCoupler數(shù)字隔離器件眾多應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例。如今iCoupler全系列產(chǎn)品可用于通用數(shù)字隔離應(yīng)用和專用應(yīng)用。產(chǎn)品選型表中列出了某些實(shí)例。欲了解iCoupler技術(shù)的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/iCoupler。
