Рекомендации по проектированию для использования изолированных драйверов затворов

В трехчастном руководстве по проектированию объясняется, как выбрать подходящий изолированный драйвер затвора для устройств коммутации мощности в приложениях силовой электроники, а также делится практическим опытом. Эта статья является первой частью, в основном включающей введение и руководство по выбору изолированных драйверов затвора.

Адрес для ссылки на эту статью:

Изолированные драйверы затворов ON Semiconductor разработаны для соответствия максимальной скорости переключения и ограничениям по размеру системы, требуемым такими технологиями, как SiC (карбид кремния) и GaN (нитрид галлия), для обеспечения надежного управления МОП-транзисторами. Многие проектировщики в отрасли силовой электроники имеют большой опыт работы с Si МОП-транзисторами, SiC и GaN МОП-транзисторами и являются опытными пользователями. Производители систем все больше заинтересованы в повышении энергоэффективности своих разработок. Для достижения лидирующих позиций на рынке решающее значение имеет сочетание высокой энергоэффективности и низкой стоимости. С точки зрения полупроводниковых материалов эта область достигла значительного прогресса, и теперь существуют продукты, способные переключаться на высоких скоростях, тем самым повышая эффективность на уровне системы при уменьшении размера.

Изолированные драйверы затворов--Что это такое, зачем они используются и как работают?

Силовые МОП-транзисторы — это управляемые напряжением устройства, используемые в качестве коммутационных элементов в силовых цепях, приводах двигателей и других системах. Затвор — это электрически изолированный управляющий вывод каждого устройства. Другие выводы МОП-транзистора — это исток и сток.

Для работы MOSFET обычно необходимо подать напряжение на затвор (а не на источник или эмиттер). Для подачи напряжения на затвор силового устройства и обеспечения тока управления используется специальный драйвер.

Драйверы затворов используются для включения и выключения силовых устройств. Для этого драйвер затворов заряжает затвор силового устройства до конечного напряжения включения VGS(ON), или схема драйвера разряжает затвор до конечного напряжения выключения VGS(OFF). Для преобразования между двумя уровнями напряжения затвора некоторая мощность рассеивается в контуре между драйвером затвора, резистором затвора и силовым устройством.

Сегодня в высокочастотных преобразователях для мало- и среднемощных приложений в основном используются устройства управления напряжением затвора, такие как МОП-транзисторы.

Для приложений высокой мощности лучшими устройствами, которые в настоящее время используются, являются МОП-транзисторы на основе карбида кремния (SiC), которым требуются более высокие токи управления для быстрого включения/выключения этих силовых переключателей. Драйверы затворов подходят не только для МОП-транзисторов, но и для новых устройств в широкой запрещенной зоне, о которых в настоящее время знают лишь немногие, таких как полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC) и полевые транзисторы на основе нитрида галлия (GaN).

Драйвер затвора — это усилитель мощности, который принимает входной сигнал от микросхемы контроллера и генерирует соответствующий большой ток для управления затвором устройства коммутации мощности.

Ниже приводится краткое изложение причин использования драйверов ворот:

Сопротивление затвора

Функция драйвера затвора заключается в быстром включении и выключении силовых устройств для снижения потерь. Чтобы избежать потерь перекрестной проводимости, вызванных эффектом Миллера или медленным переключением при определенных нагрузках, драйвер должен устанавливать выключенное состояние с более низким импедансом, чем включенное состояние на противоположном транзисторе. Отрицательный запас управления затвором играет важную роль в снижении этих потерь.

Индуктивность источника

Это индуктивность, разделяемая контуром тока драйвера затвора и контуром выходного тока. Отрицательный запас напряжения драйвера затвора в сочетании с индуктивностью вывода источника оказывает прямое влияние на скорость переключения выхода под нагрузкой, что является эффектом деградации источника индуктивности источника (индуктивность вывода источника связывает выходной ток переключения обратно с драйвером затвора, тем самым замедляя драйвер затвора).

Драйвер затвора подает сигнал напряжения (VGS) между затвором (G) и истоком (S) силового МОП-транзистора, одновременно выдавая импульс высокого тока, как показано на рисунке 1.

·Включить быструю зарядку/разрядку CGS и CGD

·Быстрое включение/выключение MOSFET

Рисунок 1. Путь тока управления затвором

Зачем нужна гальваническая развязка?

Для приложений высокой мощности требуется гальваническая развязка для предотвращения срабатывания опасных контуров заземления, которые могут вызвать шум, приводящий к тому, что заземления двух цепей будут иметь разные потенциалы и, таким образом, ставить под угрозу безопасность системы. Токи в таких системах могут быть смертельными для человека, поэтому необходимо обеспечить наивысший уровень безопасности. Электрическая или гальваническая развязка относится к состоянию, в котором постоянный ток не циркулирует между двумя точками с разными потенциалами.

Точнее, в состоянии гальванической изоляции невозможно перемещать носители из одной точки в другую, но электрическая энергия (или сигналы) все еще может обмениваться посредством других физических явлений, таких как электромагнитная индукция, емкостная связь или свет. Это состояние эквивалентно бесконечному сопротивлению между двумя точками; на практике достаточно сопротивлений до 100 МОм. Если повреждение ограничено электронными компонентами, безопасная изоляция может не потребоваться, но если на стороне управления задействована человеческая деятельность, требуется гальваническая изоляция между стороной высокого напряжения и цепью управления низкого напряжения. Она защищает от любых неисправностей на стороне высокого напряжения, поскольку даже в случае повреждения или выхода из строя компонентов изоляционный барьер предотвращает подачу питания к пользователю. Изоляция является обязательной для регулирующих органов и органов по сертификации безопасности, чтобы предотвратить риск поражения электрическим током. Ниже приводится краткое изложение причин использования и методов гальванической изоляции во многих энергетических приложениях.

·Предотвращайте и безопасно выдерживайте скачки высокого напряжения, которые могут повредить оборудование или подвергнуть опасности людей.

·Защитите дорогие контроллеры - интеллектуальные системы

·Выдерживать большие разности потенциалов и разрушительные контуры заземления в цепях с высокой энергией или большими расстояниями

· Надежная связь с компонентами высокого напряжения в высокопроизводительных системах

Решения

Рисунок 2. Неизолированные и изолированные

Руководство по выбору изолированного драйвера затвора

Ниже объясняется, как выбрать изолированный драйвер затвора. Например, для системы с более низким рабочим напряжением коммутационное устройство может быть напрямую подключено к контроллеру, пока выдерживаемое напряжение контроллера находится в допустимом диапазоне. Однако драйвер затвора является обычным компонентом в большинстве преобразователей мощности. Поскольку схема управления работает при низком напряжении, контроллер не может обеспечить достаточно мощности для быстрого и безопасного открытия или закрытия силового переключателя. Поэтому сигнал контроллера отправляется на драйвер затвора, который способен выдерживать более высокую мощность и может управлять затвором MOSFET по мере необходимости. В приложениях с высокой мощностью или высоким напряжением компоненты в схеме подвергаются большим скачкам напряжения и высоким токам. Если ток протекает из силового MOSFET в схему управления, высокое напряжение и ток в схеме преобразования мощности могут легко сжечь транзистор, что приведет к серьезному выходу из строя схемы управления. Кроме того, приложения с высокой мощностью должны иметь гальваническую развязку между входом и выходом для защиты пользователей и других устройств.

Диапазон напряжения управления затвором

Рабочее напряжение преобразователя зависит от характеристик коммутационного элемента (например, Si MOSFET или SiC MOSFET). Необходимо убедиться, что выходное напряжение преобразователя не превышает максимального значения напряжения затвора коммутационного элемента.

Положительное напряжение драйвера затвора должно быть достаточно высоким, чтобы гарантировать, что затвор полностью включен. Также необходимо гарантировать, что напряжение управления не превышает абсолютного максимального напряжения затвора. Si-MOSFET обычно используют напряжение управления +12В, +15В обычно используется для управления SiC, а напряжение затвора для GaN составляет +5В. Напряжение затвора 0-В может удерживать все устройства в выключенном состоянии. Вообще говоря, MOSFET не требуют отрицательного смещения управления затвором, которое иногда используется для SiC и GaN MOSFET. В коммутационных приложениях настоятельно рекомендуется использовать отрицательное смещение управления затвором для SiC и GaN MOSFET, поскольку паразитная индуктивность, вносимая неидеальной компоновкой печатной платы во время переключения с высоким di/dt и dv/dt, может вызвать звон в напряжении управления затвор-исток силового транзистора. Ниже приведены применимые напряжения управления затвором для каждого коммутационного устройства.

Изолирующая способность

Эта способность определяется рабочим напряжением системы. Рабочее напряжение системы прямо пропорционально способности изоляции. Одним из ключевых параметров изолированного драйвера затвора является его номинал напряжения изоляции. Номинал изоляции предназначен для предотвращения повреждения других цепей, подключенных к источнику питания, неожиданными переходными напряжениями, поэтому наличие правильного номинала изоляции является ключом к защите пользователя от потенциально опасных токовых разрядов. Кроме того, этот номинал защищает сигналы внутри преобразователя от помех, вызванных шумом или неожиданными переходными напряжениями синфазного сигнала. Значение изоляции обычно выражается как величина напряжения, которое может выдержать изоляционный барьер. В большинстве технических описаний изолированных драйверов затвора напряжение изоляции указано в виде таких параметров, как максимальное повторяющееся пиковое напряжение изоляции (VIORM), рабочее напряжение изоляции (VIOWM), максимальное переходное напряжение изоляции (VIOTM), максимальное импульсное напряжение изоляции (VIOSM) и среднеквадратичное напряжение изоляции (VISO). Чем выше рабочее напряжение системы, тем выше требуется изоляционная способность преобразователя.

Изолированные драйверы затворов компании ON Semiconductor проходят производственные испытания на тестере MPS (модель MSPS-20).

Емкость изоляции

Изоляционная емкость — это паразитная емкость между входной и выходной сторонами преобразователя. Из следующей формулы видно, что изоляционная емкость пропорциональна току утечки.

Среди них: Ileak: ток утечки, fS: рабочая частота, CISO: емкость изоляции. VSYS: рабочее напряжение системы.

Потеря мощности пропорциональна току утечки. Если система должна работать на высокой рабочей частоте и высоком напряжении, нам нужно уделять больше внимания размеру изоляционной емкости преобразователя, чтобы избежать чрезмерного повышения температуры.

Устойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI)

Устойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI) является одной из основных характеристик, связанных с изолированными драйверами затворов, особенно когда система работает на высоких частотах переключения. Это важно, поскольку переходные процессы с высокой скоростью нарастания (высокой частотой) могут повредить передачу данных через изоляционный барьер. Емкость через изоляционный барьер (т. е. между плоскостями заземления изоляции) обеспечивает путь для этих быстрых переходных процессов, чтобы пересечь изоляционный барьер и повредить выходную форму сигнала. Единица этого характеристического параметра обычно составляет кВ/мкСм.

Если CMTI недостаточно высок, мощный шум может проникать через изолированный драйвер затвора, создавая токовую петлю и вызывая появление заряда на затворе переключателя. Этот заряд, если он достаточно велик, может привести к тому, что драйвер затвора неправильно интерпретирует этот шум как сигнал управления, и этот сквозной сигнал может вызвать серьезный сбой в цепи.

Текущие соображения о возможностях привода

Чем выше ток затвора, который может быть подан/отведен за короткий промежуток времени, тем короче время переключения драйвера затвора и тем ниже потери мощности переключения в управляемом транзисторе.

Пиковые токи источника и стока (ISOURCE и ISINK) должны быть выше средних токов (IG, AV), как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Определение текущей производительности привода

Для каждого номинального тока драйвера приблизительный максимальный заряд затвора QG, который может быть переключен за указанное время, можно рассчитать следующим образом: Требуемый номинальный ток драйвера зависит от того, какой заряд затвора QG должен быть перемещен за какое время переключения tSW−ON/OFF, поскольку средний ток затвора во время переключения равен IG.

Где tSW,ON/OFF представляет, как быстро должен переключаться MOSFET. Если неизвестно, начните с 2% от периода переключения tSW.

Приблизительные пиковые токи источника и стока драйвера затвора можно рассчитать с помощью следующих формул.

Вкл. (Источник тока)

В выключенном состоянии (ток снижается)

Где QG — заряд затвора при VGS=VCC, tSW, ON/OFF=время включения/выключения, 1.5=эмпирически определенный фактор (зависит от задержек на входном каскаде драйвера и паразитных компонентов)

Соображения по поводу резистора затвора

При выборе размера резистора затвора важно учитывать снижение напряжения звона, вызванного паразитной индуктивностью и емкостью. Однако это ограничит токовую нагрузочную способность выхода драйвера затвора. Ограниченные значения токовой нагрузочной способности из-за резисторов затвора включения и выключения можно получить с помощью следующих формул.

Среди них: ISOOURCE: пиковый ток источника, ISINK: пиковый ток стока, VOH: падение выходного напряжения высокого уровня, VOL: падение выходного напряжения низкого уровня

Изолированные драйверы затворов компании ON Semiconductor

Компания ON Semiconductor предлагает широкий выбор изолированных драйверов затворов на основе интегрированных магнитно-связанных трансформаторов без сердечника, подходящих для приложений, где скорости переключения очень высоки и существуют ограничения по размеру системы, и которые могут надежно управлять Si MOSFET и SiC FET.

Мы предлагаем функциональные и усиленные изоляционные продукты, сертифицированные по UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 и CQC GB 4943.1. Наши изолированные драйверы затворов включают как промышленные, так и автомобильные сертифицированные продукты.

Эти изолированные драйверы затворов объединяют в себе множество функций, позволяющих выдерживать высокие уровни CMTI, имеют несколько вариантов UVLO и обеспечивают быстрые задержки распространения (включая короткие несоответствия задержек) и минимальные искажения ширины импульса.

В частности, будущие новые продукты ON Semiconductor предоставят простой метод для генерации отрицательного смещения в контуре управления затвором, подходящего для управления SiC MOSFET. Это отрицательное смещение полезно, если разводка печатной платы и/или выводы корпуса создают высокий звон в силовом транзисторе Vg. Этот звон напряжения затвора обычно возникает при высоких условиях переключения di/dt и dv/dt. Чтобы поддерживать звон ниже порогового напряжения для предотвращения ложного включения, к драйверу затвора обычно применяется отрицательное смещение. Доступны различные варианты для генерации -2V, -3V, -4V и -5V для всех конфигураций. Изолированные драйверы затвора ON Semiconductor доступны в различных вариантах корпуса, включая небольшие варианты LGA и SOIC 8-pin to 16-pin.

Ниже приведены основные характеристики, электрические характеристики и сертификаты безопасности семейства изолированных драйверов затворов компании ON Semiconductor.

Таблица 1.

- В разработке

- Опционально, доступно по запросу

- Планируется

Изолированные инструменты поддержки драйвера ворот

Все соответствующие документы по гальванически изолированным драйверам затворов доступны на домашней странице ON Semiconductor, включая технические описания, инструменты проектирования и разработки, имитационные модели, примечания по применению, документацию по оценочным платам, отчеты о соответствии и т. д.

К основным сопутствующим факторам относятся:

● NCP51560

● NCP51561 и NCV51561

● NCP51563 и NCV51563