Driver tranzystorów mocy z izolacją galwaniczną

Rys. 1. Schemat blokowy sterownika STGAP2S

STGAP2S zapewnia dużą funkcjonalność i bezpieczeństwo dla elementów mocy i jest dostępny w kilku wykonaniach różniących się funkcjonalnością. I tak, w strukturę wersji STGAP2SCM został wbudowany ponadto aktywny układ eliminujący wpływ efektu Millera na proces przełączania tranzystora mocy, zapobiegający możliwości niekontrolowanego załączenia tranzystora na skutek istnienia pasożytniczej pojemności dren-bramka.

Działanie układu polega na zwieraniu bramki tranzystora do masy przez cały czas, gdy tranzystor powinien być wyłączony. Dzięki temu zapewnione zostało prawidłowe działanie sterownika nawet przy szybkich zmianach napięć (dV/dt do ±50...±100 V/ns) w układzie mostkowym, bez przypadkowych załączeń tranzystorów wywołanych np. wysokoenergetycznymi oscylacjami powstającymi na reaktancjach pasożytniczych.

Z kolei wersja STGAP2SM ma rozdzielone obwody drivera odpowiedzialne za załączanie tranzystora i jego wyłączanie co pozwala na optymalizację czasów przełączania i wartości maksymalnych prądu wyjściowego drivera za pomocą dwóch rezystorów szeregowych. Taka możliwość jest też wymagana przy sterowaniu tranzystorami SiC, gdzie nie ma symetrii napięć sterujących.

Dla wszystkich wersji maksymalne napięcie wyjściowe sterujące bramką zawartego w nim drivera sięga 26 V, wejście sterujące jest galwanicznie izolowane od drivera. Maksymalna wartość prądu wyjściowego drivera (typu rail-to-rail) sięga 4-5 A (sink/source) w zależności od wersji, co zapewnia szybkie przeładowanie pojemności bramka-źródło nawet dla tranzystorów dużej mocy, a więc o znacznej wartości pojemności CGS. Kolejny atut to krótki czas propagacji sygnału - tylko 80-100 ns - umożliwiający komutację z dużą szybkością i pełne wykorzystanie możliwości kryjących się w SiC-ach.

Rys. 2. Zestaw ewaluacyjny

Izolacja galwaniczna między częścią sterującą a driverem tranzystora wytrzymuje napięcie 1700 V, co otwiera możliwość użycia sterownika nie tylko w aplikacjach zasilanych z sieci energetycznej, ale także w urządzeniach zasilanych napięciami od 600 do 1200 V, np. inwerterach przemysłowych lub urządzeniach transportu szynowego, ładowarkach, zasilaczach bezprzerwowych, spawarkach i podobnych.

Aplikację ułatwia wbudowane zabezpieczenie UVLO, blokujące pracę przy zbyt niskim napięciu zasilającym, jest także blokada termiczna i układ sprzętowy blokujący możliwość jednoczesnego załączenia górnego i dolnego tranzystora mostka, co spowodowałoby przepływ prądu skrośnego o dużej wartości i zniszczenie tranzystorów mocy (realizowany przez połączenie pinów sterujących dwóch sterowników: górnego i dolnego).

Warto też wspomnieć, że jest nawet tryb pracy standby mode, który ogranicza pobór prądu przez sterownik w stanie bezczynności, przy utrzymaniu tranzystorów w bezpiecznym stanie odcięcia. Lista obwodów zabezpieczających jest dłuższa i obejmuje zabezpieczenie przepięciowe OVLO, wykrywanie niepełnego nasycenia tranzystorów, dwupoziomowy układ wyłączania tranzystora, monitoring prądu płynącego przez tranzystory mostka, wykrywanie przeciążenia tranzystorów IGBT i inne.

Stan zabezpieczeń może być odczytywany z poziomu hosta za pomocą interfejsu SPI, jak również w ten sposób można programować wybrane parametry układu, np. filtru przeciwzakłóceniowego, czas przerwy między załączeniami tranzystorów (deadtime).

Rys. 3. Przykładowy schemat aplikacyjny

Od strony wejścia sterownik akceptuje sygnały sterujące TTL/CMOS 3,3/5 V i ma histerezę w buforach wejściowych. Obwody wejściowe są izolowane galwanicznie od drivera połączonego z tranzystorami za pomocą dwóch sprzężonych cewek rozdzielonych warstwą izolacyjną tlenku krzemu.

Zasilanie drivera może być zrealizowane za pomocą bootstrapu lub przetwornicy DC-DC małej mocy. To drugie rozwiązanie wykorzystano w zestawie ewaluacyjnym pokazanym na rysunku 2.

Dostępność

STGAP2S to nowe opracowanie STMicroelectronics. Wersja STGAP2SCM jest już produkowana (w obudowie SO-8 jest wyceniana na 1,49 dol. dla zamówień 1000 sztuk), a STGAP2SM będzie dostępna pod koniec 2018 roku.

Dla konstruktorów producent przygotował zestaw projektowy EVALSTGAP2SCM pozwalający szybko wypróbować układ w działaniu. Na koniec warto dodać, że układ spełnia wymagania motoryzacyjne definiowane przez normę AEC-Q100, a izolacja galwaniczna zapewnia bezpieczeństwo wymagane przez UL 1577.