Biến áp gate drive cho IGBT/SiC: cách điện an toàn nhỏ gọn, không cần vách ngăn, bằng dây cách điện ba lớp (TIW)

Bài này viết cho các kỹ sư nguồn, linh kiện từ và thu mua đang thiết kế mạch lái cổng (gate drive) cho tầng công suất IGBT/SiC. Bạn phải gói gọn tín hiệu cổng, công suất lái và cách điện cao áp vào một biến áp rất nhỏ, đóng cắt rất nhanh, trong một lần; và khi lớp cách điện này còn phải "bảo vệ con người", tức nâng lên cấp an toàn, thì chiều dài đường rò vốn được tạo bằng băng dán theo cách truyền thống sẽ làm tràn cửa sổ quấn dây vốn đã chật chội. Bài này giải thích vì sao biến áp gate drive (gate-drive transformer, biến áp lái cổng) là sân nhà của dây cách điện ba lớp (TIW, Triple Insulated Wire), khi nào "cách điện chức năng" phải nâng lên "cách điện an toàn", và vì sao dùng TIW trên hai hoặc ba cuộn dây là có thể bỏ vách ngăn cách điện và đạt reinforced insulation (cách điện tăng cường) trong một linh kiện nhỏ, tần số cao. Mọi giá trị sản phẩm DAH JIN đều "theo tài liệu phê duyệt quy cách".

1. Biến áp gate drive làm gì: một mạch từ truyền cùng lúc "tín hiệu + công suất + cách điện"

Các bộ biến đổi đóng cắt trên 400 V (xe điện, nguồn máy chủ, truyền động công nghiệp) thường dùng cấu hình nửa cầu, và IC lái cổng của nửa cầu phải lấy nút chuyển mạch, tức điện áp bus, làm điểm tham chiếu thì mới lái được IGBT hoặc SiC FET cấp 400 V, 800 V. Để vượt qua rào cản cao áp này, một cách làm kinh điển là đặt một biến áp vào vòng lái cổng: biến áp gate drive.

Theo tài liệu ứng dụng của Texas Instruments (TI), lợi ích mà biến áp gate drive mang lại có thể gom thành mấy điểm:

• cung cấp cách ly điện (galvanic isolation) cho vòng lái cổng;
• truyền đồng thời "tín hiệu và công suất", bỏ được một bộ nguồn phân cực (bias) riêng;
• dễ tạo phân cực cổng âm (nhiều datasheet của SiC FET và IGBT khuyến nghị thêm phân cực âm để triệt hiện tượng tự dẫn ký sinh Miller turn-on);
• trễ lan truyền cực ngắn (tín hiệu đi qua biến áp gần như với tốc độ ánh sáng, trễ có thể xem bằng 0);
• dùng tỷ số vòng dây (turns ratio) để đổi tỷ lệ điện áp và dòng điện trực tiếp.

Thứ làm được những điều này là một biến áp xung (pulse transformer) "physically small", nhỏ về mặt vật lý, truyền sóng vuông PWM với méo tối thiểu. Nói cách khác, biến áp gate drive xử lý tín hiệu và công suất thấp đến trung bình (nguồn phụ cách ly thường gặp chỉ cỡ vài watt), chứ không phải cuộn dây công suất chính. Đây chính là khác biệt lớn nhất giữa nó và "biến áp chính", cũng là lý do căn bản khiến dây cách điện ba lớp phát huy được ở đây.

2. Cách điện chức năng vs cách điện an toàn: khi nào "cách điện" phải nâng lên "bảo vệ con người"

Đằng sau "cách điện" của mạch lái cổng thực ra có hai lý do khác nhau:

• Cách điện chức năng (functional isolation): để mạch lái vượt đúng rào cản cao áp và mạch hoạt động được, bản thân nó không nhằm chống điện giật.
• Cách điện an toàn (safety isolation): khi rào cản này vượt qua ranh giới có thể gây nguy hiểm cho con người (ví dụ liên quan đến điện lưới, hoặc khi có sự cố có thể khiến người bị điện giật), cách điện phải nâng lên cấp an toàn basic/reinforced để chống điện giật.

Theo tài liệu sản phẩm trong ngành, biến áp gate drive "phải đáp ứng yêu cầu cách điện basic hoặc reinforced tùy ứng dụng"; còn reinforced (cách điện tăng cường) có nghĩa là dùng một cấu trúc cách điện duy nhất để đạt khả năng chống điện giật tương đương bảo vệ kép, đồng thời có điện áp làm việc cao hơn và chiều dài đường rò / khe hở không khí rộng hơn. Hệ tiêu chuẩn an toàn tương ứng chủ yếu là IEC 62368-1 (thiết bị công nghệ thông tin, truyền thông và nghe nhìn, linh kiện quấn dây được đánh giá theo Annex J) và bộ IEC 61558 (gồm IEC 61558-2-16 dành cho biến áp của bộ nguồn đóng cắt).

Ở đây không đi sâu vào số điều khoản (chỉ điểm qua); để xác định thiết kế của bạn đi theo hướng nào, trước hết hãy làm rõ hai bên rào cản cách điện là điện thế gì và tình huống sự cố có gây nguy hiểm cho con người không. Thử nghiệm điển hình giữa IEC 62368-1 Annex J và IEC 61558 Annex K đối chiếu ra sao, xem thêm Đối chiếu thử nghiệm điển hình Annex J/K/L.

• Cách điện chức năng (functional) — Mục đích：Để mạch lái vượt rào cản cao áp, mạch hoạt động；Hệ tiêu chuẩn tương ứng điển hình：Không nhằm chống điện giật
• Cách điện chính (Basic) — Mục đích：Bảo vệ chống điện giật một lớp；Hệ tiêu chuẩn tương ứng điển hình：IEC 62368-1 / IEC 61558
• Cách điện tăng cường (Reinforced) — Mục đích：Một cấu trúc tương đương bảo vệ kép chống điện giật, điện áp làm việc / đường rò và khe hở cao hơn；Hệ tiêu chuẩn tương ứng điển hình：IEC 62368-1 / IEC 61558
• Giá trị áp dụng cho dây DAH JIN — Mục đích：—；Hệ tiêu chuẩn tương ứng điển hình：Theo tài liệu phê duyệt quy cách

3. Nhỏ, tần số cao, điện dung thấp: ba điều kiện khắc nghiệt của biến áp gate drive

Biến áp gate drive khó làm là vì nó phải thỏa mãn cùng lúc ba việc kéo nhau theo ba hướng.

Nhỏ. Phần lớn là linh kiện dán bề mặt (SMT) cỡ nhỏ; các kiểu vỏ thường gặp trong ngành như EP7 (khoảng 11.3 × 10.95 × 11.94 mm) hay ER9 (khoảng 10.5 × 18.6 × 9 mm), nên không gian cửa sổ quấn dây vốn đã rất ít.

Tần số cao, điện áp làm việc cao. Tài liệu sản phẩm trong ngành cho biết biến áp gate drive tần số cao có thể làm việc ở tần số tới khoảng 500 kHz, điện áp làm việc tới khoảng 1.5 kV; các linh kiện vùng cấm rộng (WBG) như SiC/GaN đóng cắt còn nhanh hơn, dv/dt cao hơn.

Điện dung giữa các cuộn dây (interwinding capacitance) thấp. dv/dt cao sẽ ghép dòng rò qua điện dung ký sinh giữa sơ cấp và thứ cấp, gây méo dạng sóng, tổn hao thêm, vấn đề tương thích điện từ (EMC), nặng thì thậm chí làm hỏng mô-đun lái; vì vậy ngành khuyến nghị giữ điện dung giữa các cuộn dây dưới 10 pF, một số sản phẩm đạt dưới 1 pF.

Chồng ba điều này lên nhau, áp lực lộ ra ngay: bạn phải nhét đủ số vòng, điện dung giữa các cuộn dây đủ thấp vào một cửa sổ quấn dây rất nhỏ, đồng thời còn phải đáp ứng cách điện an toàn cấp basic, thậm chí reinforced. Không gian cửa sổ quấn dây trở thành nơi tranh giành từng chút.

4. Vì sao TIW ở đây "không cần vách ngăn": lấy lại không gian cửa sổ quấn dây

Theo cách truyền thống, để đạt cách điện reinforced giữa các cuộn dây phải dựa vào băng lề (margin tape) cộng băng cách lớp, tạo chiều dài đường rò và vách ngăn cơ học trên lõi quấn (bobbin). Cách này ổn với bobbin lớn, nhưng cửa sổ quấn dây của biến áp gate drive vốn đã nhỏ: thêm băng vào là số vòng không quấn đủ, hoặc phải đổi sang lõi từ lớn hơn; thể tích, điện dung ký sinh đều tăng, đối đầu trực diện với yêu cầu "nhỏ, điện dung thấp".

Giá trị của dây cách điện ba lớp nằm đúng ở đây: cách điện do chính cấu trúc ba lớp của dây cung cấp. Khi bạn dùng TIW cho cuộn dây, chiều dài đường rò / khe hở không khí giữa sơ cấp và thứ cấp vốn phải tạo bằng băng dán có thể giảm xuống gần bằng không, bỏ được vách ngăn cách điện, nhờ đó không gian cửa sổ quấn dây được giải phóng. Ngành gom hai cách làm chủ đạo của biến áp gate drive thành hai hướng "PCB planar (phẳng)" và "bobbin + dây cách điện (bobbin + insulated wire)"; hướng sau chính là đất dụng võ của TIW.

Có một chi tiết then chốt nhưng hay bị bỏ qua: chỉ "một" cuộn dây dùng dây cách điện ba lớp thì không đạt yêu cầu theo các tiêu chuẩn an toàn đòi hỏi phải có đỡ cơ học giữa các cuộn dây; muốn bỏ vách ngăn mà đạt reinforced, thường phải dùng dây cách điện cho "hai hoặc ba" cuộn dây. Trong ngành đã có sản phẩm nhờ cách này vượt qua đánh giá reinforced theo IEC 61558 / IEC 60601 (một dòng đạt khả năng cách điện 4250 Vrms), cũng có dòng ghi phù hợp IEC 62368-1 / IEC 61558-2-16. Điều này cũng cho thấy vì sao "dùng TIW" không chỉ là đổi một loại dây, mà là chiến lược cách điện của cả cách quấn.

Kết luận rất thẳng: trong những ứng dụng gate drive "nhỏ, tần số cao, cần cách điện an toàn", dùng dây cách điện ba lớp đạt chuẩn để đưa reinforced vào kích thước nhỏ hơn là lời giải khả thi để thiết kế thành hình. Bước chọn đầu tiên (như B 130 °C vs F 155 °C) có thể tham khảo Hướng dẫn chọn TIW.

5. Vì sao "linh kiện nhỏ, nhiều mẫu" trúng ngay thế mạnh của DAH JIN: dây mảnh, dây xoắn và giao nhanh số lượng nhỏ

Biến áp gate drive bẩm sinh đã là "linh kiện nhỏ, nhiều mẫu": cùng một dây chuyền thường phải phủ nhiều nền điện áp khác nhau (400 V / 800 V / 1250 V...), mỗi dòng lại có nhiều bộ ngõ ra lưỡng cực cách ly khác nhau, và trên thực tế một bo mạch thường mỗi IGBT đi với một biến áp (ví dụ sáu chiếc xếp cạnh nhau). Với phía cung cấp dây, điều này có nghĩa là rất nhiều mã nhỏ, mỗi mã số lượng ít; đúng với thế mạnh của DAH JIN: sở trường dây mảnh và dây xoắn, chấp nhận giao nhanh số lượng nhỏ.

Về dòng sản phẩm của DAH JIN (mã sản phẩm, chứng nhận theo dữ kiện chuẩn, giá trị đều theo tài liệu phê duyệt quy cách):

• Đi được theo hướng reinforced của IEC 62368-1, đại diện là TLW-F (Class F, 155 °C): được VDE 40008834 Annex J (IEC 62368-1) và UL 2353 đánh giá là Reinforced; thuộc dây đơn mảnh, dải đường kính theo tài liệu phê duyệt quy cách.
• TLW-B7S là dây xoắn bảy sợi (từng sợi mảnh hơn), cấp chịu nhiệt 130(B), là linh kiện của hệ thống cách điện DJ-130 (UL E318181); ở tần số cao, các sợi phân tán dòng điện mà vẫn dễ quấn, hợp với linh kiện nhỏ tần số cao.
• TLW-B / TLW-BB là dây đơn, cấp chịu nhiệt 130(B). Trong đó TLW-BB và TLW-B7S là linh kiện DJ-130, khi áp dụng hệ thống cách điện này cần có Authorization Letter.

• TLW-F — Đặc tính (tóm tắt)：Class F 155 °C; VDE Annex J (IEC 62368-1) + UL 2353 đánh giá Reinforced；Phù hợp gate drive：Hướng cách điện reinforced cho ITE / công nghiệp；Giá trị：Theo tài liệu phê duyệt quy cách
• TLW-B7S — Đặc tính (tóm tắt)：Dây xoắn bảy sợi, từng sợi mảnh hơn; 130(B); linh kiện DJ-130；Phù hợp gate drive：Linh kiện nhỏ tần số cao cần phân dòng qua các sợi；Giá trị：Theo tài liệu phê duyệt quy cách
• TLW-BB — Đặc tính (tóm tắt)：Dây đơn; 130(B); linh kiện DJ-130；Phù hợp gate drive：Basic / reinforced (theo tài liệu phê duyệt quy cách)；Giá trị：Theo tài liệu phê duyệt quy cách
• TLW-B — Đặc tính (tóm tắt)：Dây đơn; 130(B)；Phù hợp gate drive：Cuộn dây cách ly thông thường；Giá trị：Theo tài liệu phê duyệt quy cách

Dải đường kính cụ thể, điện áp chịu đựng và các giá trị khác lấy tài liệu phê duyệt quy cách làm chuẩn, bài này không liệt kê lại, cũng không công bố bất kỳ hạng mục kiểm tra nội bộ hay giá trị chấp nhận nào; vui lòng liên hệ bộ phận kinh doanh để xác định theo ứng dụng thực tế. Cũng cần lưu ý: cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của thành phẩm / hệ thống cách điện là hai đăng ký khác nhau, đừng lấy 155 °C của dây làm phân cấp nhiệt độ của thành phẩm, xem chi tiết tại Cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện.

DAH JIN là nhà sản xuất dây (không phải công ty thương mại), sản xuất tại nhà máy của chính mình ở Quy Nhân (Guiren), Đài Nam, Đài Loan; địa điểm sản xuất ghi trong hồ sơ UL chính là nhà máy này, sản xuất tại Đài Loan.