中心議題：

• IGBT門級驅動器與用戶接口之間的隔離解決方案

解決方案：

• iCoupler變壓器隔離技術

dianciluyouyucaozuojiandanqiejiagedilian，yiriyiweixiaofeizhesuojieshou。diancilubuxuyaoshiyongminghuohuozheqitazhijiereyuan，erqietamendezhengtixingnenggengjia，nenggouxunsujiare
，anquanxinggenggao。

雖sui然ran目mu前qian電dian感gan技ji術shu得de到dao了le良liang好hao的de發fa展zhan和he驗yan證zheng
，但dan是shi在zai設she計ji電dian磁ci爐lu應ying用yong電dian路lu時shi，設she計ji人ren員yuan必bi須xu掌zhang握wo不bu同tong範fan圍wei的de物wu理li原yuan理li和he設she計ji技ji術shu。雖sui然ran電dian磁ci爐lu實shi現xian的de原yuan理li相xiang對dui簡jian單dan，但dan是shi其qi技ji術shu卻que涉she及ji眾zhong多duo不bu同tong的de領ling域yu，包bao括kuo模mo擬ni和he數shu字zi信xin號hao處chu理li、電氣保護和隔離。

例如，安全標準規定用戶接口和電源之間的隔離，其中需要實現三個方麵的隔離：

·控製邏輯所需的低壓電源的隔離
·絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）功率級與其控製信號之間的隔離
·用戶控製和係統控製器之間的隔離

一個安全的係統必須能夠滿足至少上述兩個條件。本文將討論幾種創新的解決方案，它們能夠實現IGBT門級驅動器與用戶接口之間的隔離。

係統說明

dianganyuanjianyubianyaqileisi
，nenggouchanshengcichang。zaijiangjinshuguozhiyucichangzhongshi，zehuichanshengwodianliu
，diannengzhuanhuanweireneng，tongguojinshuderechuandaolaijiareshiwu。youdianxuedeguandianlaikan，dianganyuanjianqudongyousunLC諧振電路

，損耗產生了熱量。圖1所示電感加熱係統框圖。
電感中的電流由一個高效率的開關直流電源和一對IGBT開關產生。IGBT開關由微控製器驅動，微控製器響應反饋回路的信號進行操作，反饋回路根據用戶設置的條件調整傳感器的監測
，使它保持在安全限度內。

變(bian)壓(ya)器(qi)是(shi)主(zhu)傳(chuan)感(gan)器(qi)，它(ta)與(yu)電(dian)磁(ci)爐(lu)磁(ci)板(ban)串(chuan)聯(lian)連(lian)接(jie)，監(jian)測(ce)流(liu)過(guo)磁(ci)板(ban)的(de)電(dian)流(liu)值(zhi)
，以(yi)便(bian)於(yu)針(zhen)對(dui)用(yong)戶(hu)選(xuan)擇(ze)的(de)烹(peng)飪(ren)選(xuan)項(xiang)保(bao)持(chi)適(shi)當(dang)的(de)電(dian)流(liu)值(zhi)。在(zai)必(bi)要(yao)時(shi)降(jiang)低(di)電(dian)流(liu)，以(yi)避(bi)免(mian)出(chu)現(xian)過(guo)流(liu)條(tiao)件(jian)，這(zhe)可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)損(sun)壞(huai)功(gong)率(lv)級(ji)，即(ji)電(dian)磁(ci)爐(lu)的(de)磁(ci)板(ban)和(he)IGBT。

由於磁板
、鍋和變壓器的電感和電容構成了諧振LC電路

，因此某些人可能認為設定L和C的值即能夠確定感應頻率。但是
，電感和電容值以及由此導致的諧振頻率取決於用戶使用的鍋的尺寸、xingzhuanghecailiao。yinci
，tongguoyonghujiekouxuanzedebutongdejiaredengjibunengyougudingpinlvsheding。yizhonggengyouxiaodefangfashitongguodianliuceliangquedingdegonghao，yicishedingjiarededengji。weikongzhiqitongguofankuihuilutiaojiedianliu，shiqiduiyingyuyonghuxuanzedejiaredengji。weikongzhiqitiaojiemaikuantiaozhi（PWM）波形的頻率
，以適應鍋的特征。電磁爐的設計人員應事先了解每個加熱等級所對應的電流大小，繼而隻需簡單地對微控製器編程以調節PWM頻率，提供適當的電流。

驅動IGBT的PWM信號的典型頻率範圍約20 kHz~100 kHz。相比於MOSFET，IGBT的關斷特性較慢，其開關頻率僅為數十千赫。微控製器提供的PWM信號的占空比是固定的（如50%），通過用戶選擇的加熱等級要求的功率來調節該PWM信號的頻率。

由you於yu在zai大da電dian流liu電dian感gan電dian路lu中zhong可ke能neng會hui產chan生sheng大da電dian壓ya
，因yin此ci在zai係xi統tong中zhong的de關guan鍵jian位wei置zhi提ti供gong電dian氣qi隔ge離li是shi十shi分fen重zhong要yao的de。特te別bie是shi電dian磁ci爐lu的de功gong率lv級ji與yu微wei控kong製zhi器qi和he其qi它ta數shu字zi電dian路lu隔ge離li。一yi種zhong隔ge離li方fang法fa是shi使shi用yong隔ge離liIGBT驅動器。與傳統的隔離解決方案相比，基於ADI公司創新的iCoupler®技術的低成本隔離門級驅動器串聯電路具有很多優點。

電(dian)流(liu)隔(ge)離(li)是(shi)一(yi)種(zhong)用(yong)於(yu)防(fang)止(zhi)電(dian)流(liu)在(zai)兩(liang)個(ge)連(lian)通(tong)的(de)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)直(zhi)接(jie)流(liu)動(dong)的(de)技(ji)術(shu)。使(shi)用(yong)隔(ge)離(li)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)有(you)兩(liang)個(ge)，第(di)一(yi)個(ge)原(yuan)因(yin)是(shi)在(zai)人(ren)員(yuan)和(he)設(she)備(bei)暴(bao)露(lu)於(yu)大(da)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)浪(lang)湧(yong)時(shi)
，對(dui)他(ta)們(men)進(jin)行(xing)保(bao)護(hu)。第(di)二(er)個(ge)原(yuan)因(yin)是(shi)在(zai)電(dian)路(lu)互(hu)連(lian)牽(qian)涉(she)到(dao)不(bu)同(tong)的(de)地(di)電(dian)位(wei)時(shi)
，避(bi)免(mian)地(di)回(hui)路(lu)和(he)破(po)壞(huai)性(xing)的(de)地(di)電(dian)流(liu)。在(zai)這(zhe)兩(liang)種(zhong)情(qing)況(kuang)中(zhong)，隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)

，但(dan)是(shi)允(yun)許(xu)在(zai)兩(liang)個(ge)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)傳(chuan)遞(di)數(shu)據(ju)或(huo)功(gong)率(lv)。

iCoupler技術（圖2）是一種基於變壓器的隔離技術。由於集成了微型變壓器和電子電路，因此它具有光耦合器技術
、fenlibianyaqijishuhebandaotijishudesuoyouyoudian
，erqiehaixiaochuleguangouheqihefenlibianyaqidequedian。guangouheqidequedianzaiyugonghaoguogao
，dadedingshiwucha，shujusulvxianzhiyijiduiwendudeminganxing。zaijiyu iCoupler技術的產品中，通過在變壓器線圈之間使用20 µm厚的聚酰亞胺絕緣層

，實現了滿足安全機構標準的絕緣。而且，它還能夠實現超過5 kV rmsdegelidengji。gaijishushiyongshenqingzhuanlideshuaxindianlu，zaimeiyoushurutiaobiandeqingkuangxia，tongguoshuaxindianlushishuchuzhuangtaishuruzhuangtaibaochipipei，youcixiaochulefenlibianyaqideguyouquexian，keyihuodezhunquedezhiliudianping。

iCoupler 技術提供了五個方麵的優點：

·集成度（尺寸/成本）
·性能
·功耗
·易用性
·可靠性

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使用iCoupler技術的IGBT隔離

ADI公司的隔離門級驅動器係列產品采用iCoupler技術

，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輸出通道之間的隔離
，適用於IGBT控製通道的隔離。

輸入電路的功率由隔離電源提供，並且可能需要一個或幾個電壓轉換級。係統中的微控製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隔離門級驅動器必須能夠提供高達100 mA的峰值驅動電流，因此需要額外的增益級，如圖4中所示。

由於兩個通道之間的定時關係是十分重要的，而且PWM信號在反相階段驅動IGBT，因此與LED和光電二極管相比，iCoupler技術的速度、穩定性和可靠性是非常出色的。如圖5的曲線所示
，在輸出電壓範圍為12 V~18 V，輸入電源電壓範圍為4.5 V~5.5 V的情況下
，兩個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於1 ns。

（a）輸出電壓（b）輸入電壓
這種定時容限確保了IGBT的全互補開關操作，提高了功率級和整體係統的效率。

如上所述
，ADuM1233提供了輸入電路和輸出電路之間以及兩個輸出電路之間真正的電流隔離。每個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於700 V
，這與電磁爐使用的典型電壓軌兼容。

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使用iCoupler技術隔離用戶接口

如果采用電容鍵盤，那麼可以利用SPI（Motorola公司提出的串行外圍接口）或者I2C（集成電路間總線
，飛利浦半導體公司的注冊商標）串聯實現微控製器和ADI公司的AD7147或AD7148電容鍵盤控製器之間的接口。雙向I2C®接口通常用於數據速率相對低的短程通信
，在這些應用中，低成本是關鍵因素，而I2C僅使用兩個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，由於光耦合器是單向的，不能處理雙向信號，那麼這一低成本的優點是不起作用的。因為必須將I2C總zong線xian每mei個ge連lian接jie線xian上shang的de傳chuan送song信xin號hao和he接jie收shou信xin號hao進jin行xing隔ge離li，因yin此ci就jiu要yao使shi用yong四si個ge光guang耦ou合he器qi來lai隔ge離li四si條tiao連lian接jie線xian。此ci外wai，還hai需xu要yao使shi用yong專zhuan用yong的de緩huan衝chong器qi消xiao除chu隔ge離li接jie口kou中zhong的de鎖suo定ding和he毛mao刺ci信xin號hao，這zhe些xie額e外wai的de元yuan件jian增zeng加jia了le成cheng本ben和he複fu雜za度du
，並bing且qie占zhan用yong了le較jiao大da的de電dian路lu板ban麵mian積ji。

iCoupler技術實現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計複雜度。圖6所示的ADuM1250和ADuM1251實現了真正的雙向隔離，並且集成了用於消除毛刺信號和鎖定的緩衝器。這種高度集成的解決方案僅需兩個旁路電容和兩對上拉電阻（I2C標準的規定）
，並且能夠以較低的成本提供I2C接口。有關這些器件的使用細節，請參考應用筆記AN-913“PC接口隔離”。

鍋檢測

檢測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。使用電阻分壓器對該高壓信號采樣
，將信號發送到微控製器，以檢測IGBT集(ji)電(dian)極(ji)處(chu)電(dian)壓(ya)的(de)任(ren)何(he)變(bian)化(hua)。如(ru)果(guo)用(yong)戶(hu)選(xuan)定(ding)了(le)加(jia)熱(re)等(deng)級(ji)並(bing)且(qie)將(jiang)鍋(guo)放(fang)置(zhi)在(zai)電(dian)磁(ci)爐(lu)上(shang)，那(na)麼(me)由(you)此(ci)導(dao)致(zhi)的(de)電(dian)能(neng)傳(chuan)輸(shu)和(he)電(dian)流(liu)尖(jian)峰(feng)將(jiang)使(shi)集(ji)電(dian)極(ji)處(chu)的(de)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)，並(bing)且(qie)引(yin)起(qi)電(dian)阻(zu)分(fen)壓(ya)器(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)處(chu)的(de)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)。在(zai)將(jiang)鍋(guo)從(cong)電(dian)磁(ci)爐(lu)上(shang)拿(na)開(kai)時(shi)
，這(zhe)些(xie)變(bian)化(hua)將(jiang)以(yi)相(xiang)反(fan)的(de)方(fang)向(xiang)發(fa)生(sheng)。因(yin)此(ci)
，通(tong)過(guo)比(bi)較(jiao)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)與(yu)固(gu)定(ding)閾(yu)值(zhi)，例(li)如(ru)ADI公司的 ADCMP3xx係列比較器，就可以檢測電磁爐上是否存在鍋。如果沒有檢測到
，那麼將中斷發送到微控製器
，微控製器調節PWM的頻率直至IGBT停止向電感元件提供電流，在用戶忘記關閉電磁爐時
，這一特性提供了額外的安全保護。

結論

電磁爐技術是ADI公司iCoupler數字隔離器件眾多應用的一個實例。如今iCoupler全係列產品可用於通用數字隔離應用和專用應用。產品選型表中列出了某些實例。欲了解iCoupler技術的更多信息，請訪問www.analog.com/iCoupler。