高瞬态共模抑制比片上变压器的设计研究

发布时间：2021-04-06 02:37

　　基于第三代半导体的新型功率开关管与传统硅基功率开关管相比具有更优越的性能,正获得越来越广泛的应用。然而与此同时,新型功率开关管更小的寄生电容和更快的开关速率也会带来与传统硅基功率开关管相比更高的dV/dt瞬态电压,这要求用于隔离栅极驱动的隔离器具有更高的共模瞬态抑制能力。与基于光耦合和电容耦合的隔离器相比,基于片上变压器的磁耦合隔离器具有更好的可靠性和共模瞬态抑制能力。因此,本文从片上变压器的层面进行了磁耦合隔离器的共模瞬态抑制能力研究。本文首先对用于隔离式信号传输的片上变压器的基础知识进行了介绍,包括片上变压器的器件结构、片上变压器的物理等效电路模型及参数计算方法、片上变压器的差模信号传输简化电路模型和参数提取方法。之后,针对共模瞬态抑制能力的研究,本文建立了片上变压器的共模瞬态等效电路,并阐释了其共模瞬态失效机理。当片上变压器被加载上一个非常大的共模瞬态噪声时,两个线圈之间的寄生电容中产生的位移电流流入副边线圈,副边线圈两端就会形成一个噪声电压,这个噪声电压将会对电路产生干扰,从而使信号的传输出现错误。紧接着,本文通过仿真研究了片上变压器的物理参数对于片上变压器共模瞬态耐受能力以及... 

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

隔离器在生活中的应用

电子科技大学硕士学位论文6正常应用于强磁的工作场景中，但由于电容式数字隔离器传输信号的方式是时变电场，外界电场的干扰会更容易对它造成影响，因此当存在高共模瞬态电压（即瞬态电场）时，电容式数字隔离器就无法正常完成信号的隔离传输功能。1.2.3片上变压器式数字隔离器与光电隔离器和电容式数字隔离器相比，片上变压器式数字隔离器在很多方面都具有优势，包括较小的器件尺寸、较低的制造成本、较低的功耗、较强的隔离能力和较快的传输速度等。片上变压器利用两个电感之间的耦合来进行信号传输，其结构如图1-7所示。片上变压器主要由原边线圈和副边线圈组成，前级电路产生的变化电流流经原边线圈便产生一个变化的磁场，由于原边与副边线圈之间的磁场耦合，副边线圈中也会相应地产生一个感生电动势，该电动势的大小与原边线圈中的电流变化率成正比，再根据该电动势转化为数字信号进行输出，这就完成了前后级电路之间数字信号的隔离传输，其传输机制如图1-8所示。图1-7片上变压器结构图信号调节电路信号调节电路图1-8片上变压器工作原理图

电子科技大学硕士学位论文8以应用于高危区域内的电气设备，由于该款数字隔离器的印刷电路板区域大大降低了，所以减少了二极管以及电阻器的使用，使设计的复杂程度降低了。此外该数字隔离器的功耗非常低，减少了高危环境下所消耗的电能。图1-9Coreless片上变压器芯片组照片[14]目前，基于第三代半导体的功率开关管的引入在提供更高的开关速度的同时，也使片上变压器面临着更大的共模瞬态噪声，这就要求片上变压器具有更高的共模瞬态抑制比。目前提出的提高片上变压器共模瞬态抑制比的方式主要有三种。S.Kaeriyama[16]在研究中发现，在逆变器控制系统中，共模瞬态噪声的频率大约处于10kHz到100kHz之间，而需要进行传输的信号的频率通常以GHz在计算。此外，副边线圈端受瞬态共模噪声影响产生的电压幅值基本小于副边线圈两端由有效信号产生的电压的幅值。作者据此提出，在片上变压器的副边线圈端增加一个由电容和电阻构成的RC高通滤波器以及一个由带偏置电压的二极管构成的门槛电压电路来提高数字隔离器的瞬态共模抑制比，电路结构如图1-10所示。但这种方法仅能过滤特定频率范围或低于特定幅值的噪声，能够应用的范围相当有限。图1-10S.Kaeriyama提出的用于抑制瞬态共模噪声的结构[16]

【参考文献】：
期刊论文
[1]ADI推出业界首款认证的本质安全数字隔离产品[J]. 高泰.  计算机与网络. 2017(04)
[2]传输线中趋肤效应的介绍及仿真[J]. 卢秋朋,张清鹏,秦润杰.  电子测量技术. 2015(06)
[3]GB4943-2001危险电压的基本概念[J]. 王威.  认证技术. 2011(03)

硕士论文
[1]具有高共模瞬态抑制的片上变压器设计与研究[D]. 陈举龙.电子科技大学 2018



本文编号：3120585