Wybór optymalnego sterownika bramki w konwerterach mocy
| TechnikaPraktycznie wszystkie współczesne aplikacje energoelektroniczne wykorzystują impulsową konwersję mocy i tym samym wymagają użycia driverów dla tranzystorów przełączających pracujących w stopniu mocy. Takie układy scalone sterowników bramki pełnią funkcję interfejsu między sygnałem sterującym wytwarzanym przez kontroler cyfrowy lub analogowy a przełącznikami mocy takimi jak tranzystory IGBT, MOSFET, zarówno krzemowymi, jak i z SiC lub GaN. Scalone rozwiązania takich sterowników nie tylko zmniejszają złożoność projektów konwerterów, ale także skracają czas ich opracowywania, zajmują mniej miejsca na płytce drukowanej i jednocześnie poprawiają niezawodność, dzięki zaimplementowanym licznym obwodom ochronnym. W tym artykule przedstawiono typowe zagadnienia związane z projektowaniem układów sterujących dla przełączników mocy oraz omówiono rozwiązania scalone do takich zastosowań firmy Infineon.
Infineon oferuje wiele różnych rozwiązań scalonych sterowników bramek przełączników mocy dla wszystkich kluczowych aplikacji konwerterów i topologii realizacji stopnia mocy. Kompleksowa rodzina o nazwie EiceDriver obejmuje różnorodne konfiguracje (liczbę kanałów), zakresy napięć zasilania, odporności izolacji między wejściem a wyjściem, liczbę funkcji ochronnych i warianty obudów.
Układy te uzupełniają ofertę dyskretnych podzespołów mocy i rozwiązań modułów IGBT oraz MOSFET (np. z rodzin CoolMOS i OptiMOS), a także komponentów z węglika krzemu (MOSFET-y CoolSiC). Obsługują one też zintegrowane moduły mocy IPM z rodziny CIPOS.
Użycie dopasowanego do charakterystyki tranzystora przełączającego sterownika bramki daje gwarancję możliwości pełnego wykorzystania możliwości klucza i jego bezpiecznej pracy w pełnym zakresie napięć i prądów obciążenia. Dopasowany sterownik (driver) jest szczególnie ważny w przypadku nowoczesnych elementów mocy z materiałów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak CoolGaN lub CoolSiC.
Tranzystory IGBT i MOSFET
W obszarze sterowania tranzystorami przełączającymi w układach mostkowych konstruktor ma wiele możliwości wyboru. Poszczególne sterowniki różnią się sposobem generowania napięcia zasilającego dla układu drivera, np. za pomocą bootstrapu, tym, w jaki sposób tworzą ujemne napięcie sterujące wymagane do szybkiego wyłączenia tranzystora, jaką mają wydajność prądową, a nawet jaka jest ich odporność na przepięcia pojawiające się na liniach zasilających.
Konstruktor musi wziąć pod uwagę częstotliwość przełączania, wymaganą sprawność, dostępność obwodów zabezpieczających, rozmiar sterownika i potem wykonać projekt płytki drukowanej ze szczególnym zwróceniem uwagi na minimalizację pasożytniczych reaktancji.
W przypadku tranzystorów MOSFET i IGBT ich wymagany do załączenia ładunek bramki determinuje wydajność prądową sterownika dla danej częstotliwości, czyli innymi słowy podczas wyboru liczy się pojemność bramka-źródło sterowanego tranzystora. Niemniej dobór sterownika powinien też uwzględniać wartość pojemności dren-bramka, bo ona poprzez efekt Millera wpływa na przełączanie tranzystora, a także ma nieliniową wartość zależną od napięcia dren-źródło
Tranzystory MOSFET SiC
Tranzystory z węglika krzemu dają możliwość działania konwertera przy wyższej częstotliwości kluczowania, stąd wymagania dla takiego sterownika obejmują więcej parametrów. Największe zmiany dotyczą wyższej wydajności prądowej, ale poza tym sterowniki dla kluczy SiC zapewniają też dokładne dopasowanie czasu propagacji sygnału wejściowego dla zminimalizowania czasu martwego podczas przełączania i tym samym poprawy wydajności konwertera bez narażania bezpieczeństwa.
To zagrożenie bierze się od przepływu prądu skrośnego pojawiającego się w chwilach, gdy dolny i górny tranzystor mostka (low side i high side) są załączone razem w tym samym czasie. Sterowniki specjalizowane pod kątem SiC pozwalają także na zasilanie napięciem zmieniającym się w szerokim zakresie i dają możliwość generowania ujemnego napięcia sterującego niezbędnego do szybkiego wyłączenia takich tranzystorów.
Zapewniają też dużą pewność przełączania i odporność obwodów sterownika na przebiegi nieustalone w trybie wspólnym (common mode transient immunity, CMTI), co jest ważne z uwagi na szybkie przełączanie wysokich napięć w obwodzie górnym mostka (tzw. high side).
Na koniec warto zwrócić uwagę czy sterownik ma pełny zestaw obwodów ochronnych, w tym koniecznie aktywny układ kasowania efektu Millera, a więc eliminujący negatywny wpływ pojemności bramka-dren przełącznika na proces komutacji. Istotne jest ponadto zabezpieczenie przed niepełnym nasyceniem po to, aby zapobiegać niekontrolowanemu załączeniu przełączników mocy lub ich działaniem w obszarze aktywnym (przewodzenia liniowego).
Większość izolowanych sterowników bramki produkowanych przez Infineona idealnie nadaje się do współpracy z ultraszybkimi przełącznikami mocy z węglika krzemu o napięciu do 1200 V, takich jak tranzystory MOSFET CoolSiC.
Tranzystory HEMT GaN
W ofercie firmy dostępne są także specjalizowane sterowniki bramki dla tranzystorów HEMT GaN E-mode Infineona, jak np. 1EDF5673K. Zapewniają one małą impedancję wyjścia, dają możliwość programowania maksymalnej wartości prądu bramki za pomocą rezystora oraz pozwalają na ustalanie wartości ujemnego napięcia bramki, aby zapobiec fałszywej komutacji.
Do wielu aplikacji z tranzystorami z GaN odpowiednie są również standardowe izolowane sterowniki Infineona, takie jak 1EDI20N12AF. Mają one oddzielne linie do włączania (source) i wyłączania (sink) takich kluczy.
Dalsze, ale istotne parametry, które trzeba brać pod uwagę przy projektowaniu obwodów sterujących dla konwerterów energii z przełącznikami GaN obejmują dobór minimalnej wartości rezystorów bramkowych, wybór poziomu napięć sterujących oraz odpowiednie właściwości dynamiczne sterownika.
Nie ma uniwersalnego sterownika pasującego do każdej aplikacji
Sterowniki bramki tranzystorów przełączających mocy to produkty o bardzo szerokim zastosowaniu: sprzęt AGD, urządzenia zasilane z akumulatorów, ładowarki solarne, zasilacze, napędy i wiele innych.
Mają one różną specyfikę, dlatego wyzwania, przed którymi stoją ich projektanci, wymagają dobrego dopasowania tych produktów do specyfiki wykorzystywanych przełączników mocy i ich parametrów. Poniżej omówiono przykładowe aplikacje i przedstawiono pasujące do nich produkty z tego obszaru.
Obszary aplikacyjne i sterowniki bramki
Napędy przemysłowe są używane w windach, wózkach widłowych lub robotach przemysłowych. Postęp w tej dziedzinie napędzany jest głównie przez sterowniki silników, które zwiększają stopień kontroli prędkości, położenia i momentu obrotowego, a także zapewniają wyższą sprawność. Zalecane sterowniki bramki dla napędów przemysłowych przedstawiono w tabeli 1.
Wymagania prawne w coraz większym stopniu narzucają minimalną sprawność sprzętu AGD, zmuszając producentów do implementacji inwerterów dla silników. W lodówkach, pralkach lub klimatyzatorach elementy półprzewodnikowe odgrywają kluczową rolę w zwiększaniu efektywności energetycznej bez uszczerbku dla wydajności.
Ponadto klienci końcowi domagają się zwiększenia funkcjonalności, co ogranicza projektanta w zakresie wielkości i dostępnej powierzchni PCB. Półprzewodniki, które umożliwiają wyższe częstotliwości przełączania, są naturalnie tutaj preferowane. Zalecane rozwiązania sterowników bramki dla "małego" AGD i aplikacji zasilanych z akumulatorów są pokazane w tabeli 2.
Szybkie ładowanie pojazdów elektrycznych jest kolejną popularną aplikacją sterowników bramek dla tego obszaru. Zalecane rozwiązania sterowników bramek do ładowania EV przedstawiono w tabeli 3.
Odnawialne źródła energii mają coraz większy udział w bilansie energetycznym i w przyszłości nie tylko będzie ich więcej, ale także należy oczekiwać wzrostu wymagań co do sprawności i wydajności takich systemów. Powszechność instalacji spowoduje wzrost zapotrzebowania na małe jednostki, tzw. mikroinwertery. Zalecane rozwiązania sterowników bramek dla konwerterów energii słonecznej zebrano w tabeli 4.
Jeśli chodzi o zasilacze impulsowe (tabela 5), to ciągła presja kosztowa, rosnące wymagania klientów, tak samo jak konieczność sprostania przez producentów coraz większym wymaganiom klientów oraz wymogom prawnym, zmuszają ich producentów do coraz większego zaawansowania technicznego. Sterowniki bramek pomagają takie cele osiągnąć.
Trzy klasy układów
Rozwiązania sterowników bramki można ogólnie podzielić na trzy klasy:
- Pierwsza to klasa sterowników nieizolowanych (non-isolated class). Są to układy do sterowania dolnym tranzystorem mostka, a więc takim, gdzie masa jest poziomem odniesienia. Są zasilanie niskim napięciem rzędu kilkunastu woltów.
- Druga to klasa przesuwników napięcia (level-shift class). Są zasilane napięciem od 100 do 1200 V i wykonane w technologii SoI (silicon on insulator) lub izolowanego złącza JI (junction isolation). Przesuwnik napięcia w technologii SoI z wbudowaną diodą bootstrapu zapewnia znakomite parametry i odporność na stany nieustalone na linii zasilania.
- Trzecia klasa to rozwiązania z izolacją galwaniczną (isolated class). Ich wejście jest odseparowane galwanicznie od wyjścia. Izolacja może być funkcjonalna, podstawowa lub wzmocniona. Jest realizowana drogą indukcyjną za pomocą dwóch cewek sprzężonych magnetycznie.
