具有真正差分输入（TDI）栅极驱动器IC的下一代混合开关电容器高密度（HSC-HD）转换器的高水平系统性能
作者：Antonello Laneve、Roberto Rizzolatti博士、Christian Rainer、Mario Ursino博士、Diogo Varajao博士，均来自英飞凌科技
 
实现人工智能（AI）计算的最大挑战之一是增加固定转换器占位面积的处理能力。因此，如此强烈的功率需求正在将机架功率水平转移到30kW范围以上。“开放计算项目”（OCP）试图通过在电源架构级别定义新标准来解决这些挑战，从传统的12 V配电转变为机架级别的48 V配电。由于在该电压域中不需要电流隔离，因此正在研究和启用新的DC/DC功率转换器拓扑结构和设备。
在当今的48V电源架构中，通常采用两级方法来满足高降压比要求和瞬态性能。在该架构中，通常第一级充当DCX（固定比率）中间总线转换器（IBC），第二级是用多相降压转换器实现的电压调节模块（VRM），用于精确的电压调节。
在用于基于人工智能（AI）的数据中心和计算应用的传统加速器卡中，IBC和多相降压的可用占位面积是有限的。因此，在第一级和第二级都需要高开关频率操作。然而，VRM级上的高开关频率将导致高损耗（即，开关、驱动、核心和传导损耗）。因此，需要高比率DCX转换器来维持整个系统的效率和功率密度。
作为一种高比率DCX转换器，英飞凌最近推出了一种混合开关电容器（HSC）转换器，如图1所示。该转换器结合了非隔离转换器的优点和多抽头自耦变压器（MTA）的高降压转换能力。HSC转换器通过电容器和磁铁传递能量，从而降低磁性和功率MOSFET的整体应力，从而提供高性能。然而，仅靠DC/DC转换器拓扑级别的创新无法跟上人工智能应用所需的功率密度。
 


图1a和1b：HSC拓扑结构（a）和HSC-HD硬件实现（b）
 
实现高功率密度的关键因素
图1中的HSC-HD转换器是一个500 W的双相多电平谐振转换器，其峰值效率为98%，功率密度为2.2 kW/in²。根据所示的拓扑结构，需要四个小尺寸的高侧单沟道栅极驱动器IC来实现上述功率密度。为了支持这一需求，英飞凌最近推出了EiceDRIVER 1EDN7550U单通道非隔离栅极驱动器IC，具有超小型封装的真正差分输入（TDI），如图2（a）所示。



 
图2a和2b：在TSNP 1.1x1.5 mm²封装中的EiceDRIVER 1EDN7550U（a）和放置在HSC-HD顶侧（b）
 
TDI功能使高侧和低端驱动成为可能，同时与其他栅极驱动解决方案相比，单通道驱动器的工业占为面积小。
EiceDRIVER 1EDN7550U栅极驱动器IC在HSC-HD转换器和其他多电平拓扑结构中提供了一些优势。这些好处包括：
•得益于TDI，能够直接驱动高侧开关
•TSNP封装中的超小型驱动级区域，尺寸为1.1 x 1.5 mm²。每个开关的总布局面积小于14 mm²，包括共模电阻器和电源旁路电容器
•驱动器的多功能放置，可更好地优化区域、驱动回路或两者
•与市场上所有其他封装相比，RthJB减少了50%
•与电流隔离栅极驱动器IC相比，显著节约了成本。
 
利用TDI实现高侧驱动
EiceDRIVER 1EDN7550U的主要功能是TDI级。它与通用的单通道非隔离栅极驱动器IC有很大不同，因为TDI级允许驱动高侧开关，而不使用体积大、价格昂贵和功能过度指定的隔离驱动器。
TDI输入级的工作原理类似于差分放大器。如图3（b）所示，差分输入级能够在不需要信号移位的情况下与驱动器进行通信。因此，它能够抑制相对于GND的共模电压，直到配置的共模鲁棒性（CMR）。因此，该驱动器可以可靠地用于驱动高侧开关，因为由于TDI级，开关节点电压VSW将作为共模“噪声”被拒绝。



 
图3a和3b：标准单通道非隔离驱动器中的输入PWM电压检测（a）以及在带有TDI的EiceDRIVER 1EDN7550U
 
HSC拓扑中功率MOSFET Q1、Q2和Q3的驱动配置如图4所示。功率MOSFET Q4、Q5和Q6的驱动级是对称的。
 

图4：EiceDRIVER 1EDN7550U在HSC拓扑中的应用示例
 
如图所示，控制器的数字输出可以通过小型串联电阻器直接连接到EiceDRIVER 1EDN7550U。
CMR定义TDI级可以拒绝的最大共模电压。可以通过将两个小电阻器RIN+和RIN-放置在输入引脚的上游来配置此参数。通过选择适当的值、公差和尺寸，可以实现高达静态±200 V（相节点标称电压）和动态±400 V（相结点振铃）的CMR。
图5显示了EiceDRIVER 1EDN7550U的CMR功能。当通过LC谐振器将400 V振铃或200 V DC偏移施加到驱动器的浮地（黑色）时，可以实现驱动器的干净切换（TDI PWM输入为青色，TDI输出为红色）。表1报告了可实现的最大CMR。英飞凌的EiceDRIVER 1EDNx550器件数据表包括如何为所需CMR配置驱动的说明。


 

 
图5a和b：EiceDRIVER 1EDN7550U TDI输入级的共模抑制测试
 
在HSC拓扑结构（图1）中，每个1EDN7550U浮动接地所经历的最大共模电压等于晶体管Q1、Q4、Q2和Q5的源极电压，因为驱动PWM信号与微控制器IC一起参考GND。对于Q1和Q4，DC共模电压等于最大输入电压VIN＝60V，而对于Q2和Q5，它等于Q3和Q6关断期间的Vx和Vy电压，即VIN,max /4 = 15 V。
一旦已知最大共模电压和控制器PWM电压，就可以配置TDI级所需的静态CMR参数，以驱动高侧开关。
 
将驱动级推向更小
可以在双通道隔离的EiceDRIVER 2EDF7275K和单通道EiceDRIVER 1EDN7550U之间进行面积比较，以说明TSNP封装在系统级的空间优势。
EiceDRIVER 2EDF7275K和EiceDRIVER 1EDN7550U都可以操作HSC拓扑中的高端开关。特别地，开关Q1、Q2、Q4和Q5可以使用两个双通道隔离驱动器（例如EiceDRIVER 2EDF7275K）或四个单通道TDI非隔离驱动器（如EiceDRIVER 1EDN7550U）来驱动。
两个开关所需的总体驱动区域为：
•35 mm²，用于1x EiceDRIVER 2EDF7275K，包括所有无源
•13.5 mm²，用于2x EiceDRIVER 1EDN7550U，包括所有无源和输入电阻器。
图6显示，使用EiceDRIVER 1EDN7550U可以减少50%的驱动级面积，从而在高功率密度DC/DC转换器中实现更好的布局、变压器布置和散热。


 

图a和6b：双通道隔离解决方案（a）和EiceDRIVER 1EDN7550U之间的驱动面积比较（b）
 

表1：EiceDRIVER 1EDN7550U拒绝的最大共模电压与输入电阻器标称值
 
此外，由于1EDN7550U是一个单通道驱动器，它允许更高的布局通用性，因为每个驱动器可以单独放置。这为设计者在放置过程中带来了更多的自由度，然后可以针对区域占用、驱动环路或两者对硬件进行优化。
 
低热阻TSNP封装
在许多功率设计中，PCB的内部铜层用于从功率MOSFET中提取热量，并缓解功率级中的温度上升。当源极下MOSFET用作同步整流器（SR）MOSFET时，这对于接地平面尤其如此。这种广泛使用的温度分布技术在可靠性和整体效率方面有利于整个系统。然而，它显著提高了铜平面的温度，这是功率MOSFET和栅极驱动器的PCB参考温度。因此，为了保持栅极驱动器IC的低Tj，非常希望低RthJB以实现尽可能低的ΔTJB。
 

表2：不同行业封装的典型热性能
 
首先通过EiceDRIVER 1EDN7550U低欧姆输出级提高了热性能，其典型的RDS(on)，SRC为0.85Ω，RDS(on)，SNK为0.35Ω，可降低驱动器内部的功耗。此外，与其他封装相比，TSNP封装的热性能允许RthJB额外降低50%。
通过将EiceDRIVER 1EDN7550x的低欧姆输出级与TSNP封装的高热性能相结合，可以将ΔTJB最小化。这减少了驱动损耗并提高了整个系统的可靠性。
 
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