向全數(shù)字發(fā)展的驅(qū)動(dòng)核

1、    向全數(shù)字發(fā)展的驅(qū)動(dòng)核摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte圖1. 基于數(shù)字的信號(hào)傳輸原理圖。圖2顯示了原邊產(chǎn)生的脈沖到副邊形成一個(gè)脈沖信號(hào)的全過(guò)程。傳輸半

2、橋通過(guò)邏輯門以一種簡(jiǎn)化的形式展示，差分窗口放大器被差動(dòng)接收器所取代。圖2. 脈沖模式。由于用于傳輸數(shù)字化信號(hào)的變壓器被設(shè)計(jì)成使用高磁導(dǎo)率的核心材料，因此它的磁化電流相對(duì)較低，約為10mA。流經(jīng)副邊的電流則高得多。通過(guò)保持磁化電流如此之低，對(duì)于原邊來(lái)說(shuō)，將電流減為零直到只有剩磁，要相對(duì)容易。因此，重復(fù)脈沖間的等待時(shí)間也相當(dāng)?shù)亩?。由于磁化電流相?duì)較小，因此，變壓器磁芯中的儲(chǔ)能也少，可實(shí)現(xiàn)1MHz的重復(fù)脈沖頻率。重復(fù)脈沖可在任意時(shí)間被相反的脈沖中斷。典型的關(guān)斷脈沖時(shí)序如圖3所示。在差分信號(hào)傳輸?shù)囊粋€(gè)引腳上測(cè)得該時(shí)序。所傳輸?shù)膶?dǎo)通和關(guān)斷脈沖有確定的脈沖形狀。圖3 .重復(fù)關(guān)斷脈沖。通過(guò)調(diào)節(jié)重復(fù)傳輸?shù)拿}沖

3、，即改變重復(fù)脈沖間的脈寬和間距，可實(shí)現(xiàn)原邊和副邊之間的通訊。可以傳輸差分狀態(tài)和故障信號(hào)。此外，傳輸某種傳感器信號(hào)也是可能的。這意味著，隔離信號(hào)傳輸可以用來(lái)從副邊向原邊傳輸信息，例如，IGBT模塊內(nèi)部溫度傳感器信息。因此，有可能對(duì)溫度進(jìn)行連續(xù)的評(píng)估。因?yàn)閭鬏旑l率大約為1MHz，因此原邊和副邊之間的通訊被指定用于慢速變化的傳感器信號(hào)。使用眼圖分析數(shù)字信號(hào)的完整性眼圖是一種用于推斷數(shù)字信號(hào)傳輸中數(shù)據(jù)信號(hào)重要參數(shù)的測(cè)量方法。該方法的名字來(lái)自一個(gè)事實(shí)，即顯示的圖形像人的眼睛。由于傳輸?shù)倪^(guò)程，信號(hào)的上升和下降沿不再尖銳。因此，矩形脈沖變成了圓角信號(hào)。當(dāng)這些脈沖疊加后，形狀看起來(lái)似乎像一個(gè)眼睛。眼圖是在寬帶

4、數(shù)字示波器上由差分線的信號(hào)疊加產(chǎn)生的。圖形本身可以根據(jù)眼睛的張開和信號(hào)圓角而變化。根據(jù)眼睛的高度和寬度，可以評(píng)估信號(hào)的幅值和以延遲形式表示的失真、誤碼率、噪聲和抖動(dòng)。睜開的眼睛表示信號(hào)質(zhì)量好。然而，如果眼睛閉上了，就不可能再區(qū)分信號(hào)。強(qiáng)烈的失真可以使眼睛完全閉上。這意味著，不能夠可靠的檢測(cè)信號(hào)。圖4 .副邊數(shù)據(jù)流傳輸?shù)难蹐D顯示。眼圖測(cè)量方法被用于評(píng)估和定性分析所開發(fā)的隔離數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)。圖9顯示了被凍結(jié)在單一圖片中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流。眼睛睜的很大。此外，失真非常低。這意味著，噪聲小，信號(hào)幅度高，這說(shuō)明數(shù)字信號(hào)的完整性好。通過(guò)這種傳輸方法，可以實(shí)現(xiàn)非?？焖俚膫鬏?，并且抖動(dòng)可以忽略。使用基于數(shù)字技術(shù)

5、的信號(hào)傳輸數(shù)字驅(qū)動(dòng)器核心SKYPER® 52使用基于數(shù)字的信號(hào)傳輸。該驅(qū)動(dòng)器電路包括兩個(gè)獨(dú)立的輸出通道。圖5顯示了數(shù)字驅(qū)動(dòng)器核心的布局。其特點(diǎn)在于原邊和副邊有用于信號(hào)處理的FPGA。圖5 .數(shù)字驅(qū)動(dòng)器核心 SKYPER®52的布局。兩臺(tái)用于信號(hào)傳輸?shù)拿}沖變壓器所組成的隔離屏障和用于能量傳輸?shù)腄C/DC變換器被設(shè)計(jì)用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體，集電極-發(fā)射極間的電壓在1200-1700V之間。通過(guò)將原邊和副邊間的小耦合電容減小至幾pF，可實(shí)現(xiàn)高約100kV/µs的dv/dt強(qiáng)度。由于采用了隔離DC/DC變換器為副邊電路供電，驅(qū)動(dòng)器可由24V非隔離電源供電。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，這意味

6、著不需要額外的隔離電源。該驅(qū)動(dòng)電路具有下列特點(diǎn)功能：o50A峰值驅(qū)動(dòng)電流o關(guān)斷電壓為負(fù)電壓o可單獨(dú)調(diào)整的互鎖/死區(qū)時(shí)間模式o臨界頻率檢測(cè)o欠壓控制，以確保工作在飽和區(qū)o具有可調(diào)式智能軟關(guān)斷特點(diǎn)的個(gè)性化動(dòng)態(tài)短路檢測(cè)o緩慢變化傳感器信號(hào)的隔離傳輸（如溫度）o獨(dú)立故障處理oCAN總線兼容型診斷I/O由于使用了數(shù)字信號(hào)處理，一些不同的參數(shù)以及數(shù)字驅(qū)動(dòng)器核心在正常和故障條件下的運(yùn)行性能可以單獨(dú)配置。該驅(qū)動(dòng)器核心本身可以焊接到印刷電路板上或使用連接器組裝。差動(dòng)數(shù)字信號(hào)高噪聲抑制能力由微控制器或DSP（fsw(max)= 100kHz，無(wú)占空比限制）強(qiáng)制柵極驅(qū)動(dòng)電路放大脈沖模式，并提供導(dǎo)通和關(guān)斷切換柵極信號(hào)

7、。該數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器核心原邊的輸入和輸出信號(hào)都兼容3.3V和5V I/O標(biāo)準(zhǔn)。這意味著，驅(qū)動(dòng)器電路可直接連接與微控制器或DSP相連，無(wú)需額外電平轉(zhuǎn)移。為了在電力電子環(huán)境中獲得高性能和可靠的信號(hào)傳輸，采用了差分?jǐn)?shù)字信號(hào)。此項(xiàng)差動(dòng)接口技術(shù)的特點(diǎn)是利用兩根單獨(dú)的線進(jìn)行信號(hào)的傳輸。通過(guò)使用低阻抗終端和對(duì)所傳輸?shù)膬蓚€(gè)電壓的差分分析，實(shí)現(xiàn)了高噪聲抑制以及非常低的電磁干擾（EMI）?？稍谠\斷接口處獲得隔離傳送的傳感器信號(hào)和差分狀態(tài)信號(hào)，該接口具有CAN總線的特征，使用帶有“占有”“閑置”電平的差動(dòng)信號(hào)傳輸。故障處理的調(diào)整可在不同的點(diǎn)檢測(cè)出功率晶體管故障，并且對(duì)故障所作的反應(yīng)可以有所不同。在許多應(yīng)用中，當(dāng)在已切換

8、的裝置本身或驅(qū)動(dòng)器電路中檢測(cè)到發(fā)生了故障，所有功率晶體管都由柵極驅(qū)動(dòng)器電路直接關(guān)斷。故障信號(hào)傳送給柵極驅(qū)動(dòng)器電路的中央故障處理單元以及所連接的微控制器或DSP。為防止短路過(guò)程中發(fā)生導(dǎo)通，隨后的導(dǎo)通信號(hào)路徑仍然被封鎖，直到由復(fù)位脈沖進(jìn)行了復(fù)位。相比之下，在多電平逆變器的應(yīng)用中，在發(fā)生故障時(shí)并不是所有功率晶體管全部被立即關(guān)斷。相反，每個(gè)功率半導(dǎo)體都在監(jiān)控單元的控制下按順序關(guān)斷；為了保護(hù)電路中的所有功率晶體管，這樣做是必要的。然而，有了數(shù)字驅(qū)動(dòng)器芯，驅(qū)動(dòng)器電路的特性，即發(fā)生故障時(shí)電力電子系統(tǒng)的行為，可由用戶單獨(dú)定義。大電流驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)被設(shè)計(jì)成由兩個(gè)MOSFET構(gòu)成推挽結(jié)構(gòu)，具有50A的

9、峰值驅(qū)動(dòng)電流。兩個(gè)MOSFET的柵極由內(nèi)部數(shù)字邏輯所產(chǎn)生的兩個(gè)單獨(dú)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)其中的一個(gè)信號(hào)為高電平，N溝道MOSFET導(dǎo)通，當(dāng)信號(hào)為低電平，P溝道MOSFET導(dǎo)通。這樣做的一個(gè)好處是輸出級(jí)兩個(gè)晶體管之間的互鎖或重疊可以被精確地調(diào)整。這樣一來(lái)，驅(qū)動(dòng)器MOSFET開關(guān)時(shí)所產(chǎn)生的最不可避免的從VG+到 VG-的交叉電流就能避免了。結(jié)果帶來(lái)的是兩個(gè)晶體管的推挽輸出配置。此輸出級(jí)有兩個(gè)輸出，便于不對(duì)稱柵極控制。這使得柵極電阻被分成兩個(gè)電阻的RG(on)和RG(off)，分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)通和關(guān)斷。然而，主要優(yōu)點(diǎn)在于該解決方案可對(duì)有關(guān)導(dǎo)通過(guò)電流、關(guān)斷過(guò)電壓尖峰和短路特征進(jìn)行單獨(dú)的導(dǎo)通和關(guān)斷優(yōu)化。由于柵極電阻不是用來(lái)限制推挽輸出配置中的交叉電流，如果基于切換的原因認(rèn)為有必要的話，可以用數(shù)字的方法徹底去除其中的一個(gè)柵極電阻。此外，數(shù)字邏輯芯可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制帶平行柵極電阻的兩個(gè)輸出級(jí)。這樣做考慮到了要確定的時(shí)間依賴性，因此可用于確定開關(guān)IGBT的有效柵極電阻值，從而確定要調(diào)制的IGBT開關(guān)時(shí)間序列。這反過(guò)來(lái)又意味著開關(guān)損耗的減少，并且仍然顧及將被限制的過(guò)電壓峰值?？偨Y(jié)為了實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健和精確的信號(hào)傳輸，已開發(fā)出可以傳輸隔離傳感器信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)。從