Sterowniki bramek tranzystorów - z technologią transformatorów bezrdzeniowych

| Technika

Elementy półprzewodnikowe dużej mocy odgrywają ważną rolę w aplikacjach przemysłowych i samochodowych. Aby sprostać specyficznym wymogom tego typu systemów i skrócić czas wprowadzania nowych produktów na rynek, firma Rohm Semiconductor opracowała technologię produkcji miniaturowych transformatorów bezrdzeniowych realizowanych bezpośrednio na chipie, zapewniających niezawodną izolację, szczególnie ważną w przypadku technologii SiC. Podzespoły z węglika krzemu są obecnie szeroko stosowane na rynku przemysłowym i samochodowym, w tym w falownikach do instalacji fotowoltaicznych, wszelkiego typu zasilaczach wysokonapięciowych i samochodowych systemach ładowania akumulatorów.

Sterowniki bramek tranzystorów - z technologią transformatorów bezrdzeniowych
Rys. 1. Technologia transformatora bezrdzeniowego

Wszystkie sterowniki bramek produkowane przez Rohm Semiconductor bazują na strukturze bezrdzeniowego transformatora, którego sposób produkcji przedstawiono na rysunku 1. Znajdują się tu trzy oddzielne sekcje. Po lewej stronie widoczna jest sekcja niskonapięciowa z liniami interfejsowymi do współpracy z mikrokontrolerem lub procesorem DSP. W sekcji środkowej widoczna jest struktura transformatora bezrdzeniowego z 10 zwojami w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym oraz izolatorem z dwutlenku krzemu. Po prawej stronie widoczna jest sekcja wysokonapięciowa zapewniająca sterowanie bazy tranzystora IGBT lub bramki tranzystora MOSFET.

Węglik krzemu

W przeszłości półprzewodnikowe podzespoły przełączające SiC musiały sprostać wielu wymogom, aby mogły być zaakceptowane w tradycyjnych systemach zasilania. We wczesnych latach stosowania węglika krzemu cena tego typu podzespołów była wysoka, a korzyści ograniczone. Jeszcze do niedawna wiele firm stosowało tranzystory SiC tylko w instalacjach solarnych i w kilku typach układów konwersji mocy, które były w stanie rzeczywiście wykorzystać ich zalety pomimo wysokiej ceny. Wraz z rozwojem technologii następowała jednak ciągła poprawa parametrów tych podzespołów i obniżała się ich cena. Obecnie ceny znacznie spadły, a rynek samochodów elektrycznych szybko migruje w stronę podzespołów z węglika krzemu.

Brak nośników mniejszościowych w stanie przewodzenia tranzystora SiC MOSFET oraz bardzo mały ładunek Qrr wewnętrznej diody zapewniają małe straty przy przełączaniu i pozwalają na stosowanie dużych częstotliwości pracy. Prowadzi to do zmniejszenia liczby i wymiarów podzespołów pasywnych, a w konsekwencji zmniejszenia wymiarów i masy całych urządzeń. Węglik krzemu charakteryzuje się trzykrotnie większą przewodnością termiczną od krzemu, ograniczając wymogi odnośnie chłodzenia.

Tranzystory SiC MOSFET 4. generacji z węglika krzemu są oparte na technologii double trench. Charakteryzują się mniejszą o około 40% rezystancją RDS(ON) od tranzystorów MOSFET obecnej generacji przy tych samych wymiarach chipa oraz mniejszymi od 25% do ponad 40% stratami przy przełączaniu. Ponadto, zapewniają mniejszy prąd regeneracji, minimalizujący ryzyko fałszywego włączenia tranzystora wskutek występowania pojemności pasożytniczych.

Projektanci układów zasilania zauważą znacznie zredukowany prąd regeneracji podczas przełączania w konfiguracji półmostkowej, co jest związane z brakiem fałszywego włączania tranzystora MOSFET przy szybkich zboczach dv/dt i wynika z poprawy stosunku wewnętrznych pojemności CGD/CGS w tranzystorach 4. generacji.

Sterownik bramki

BM6112FV-C to jeden z najnowszych sterowników bramki firmy Rohm Semiconductor, charakteryzujący się izolacją 3750 VRMS i czasem opóźnienia I/O równym 150 ns. Zawiera różne funkcje wbudowane, w tym zabezpieczenie podnapięciowe, zabezpieczenie zwarciowe, układ Millera zapobiegający przypadkowemu włączeniu tranzystora, OSFB (output state feedback) i funkcję monitorowania temperatury. Charakteryzuje się największym prądem wyjściowym spośród sterowników produkowanych przez Rohm i jednym z największych spośród wszystkich tego typu układów dostępnych na rynku, co eliminuje konieczność umieszczenia dodatkowego bufora pomiędzy sterownikiem i tranzystorem mocy.

Wbudowany układ kontroli temperatury korzysta z termistora pomiarowego NTC, wbudowanego w strukturę tranzystora lub z diody pomiarowej. Sygnał pomiarowy jest modulowany (PWM) i przesyłany przez transformator izolacyjny do mikrokontrolera lub układu DSP po stronie pierwotnej. Wbudowane oprogramowanie analizuje współczynnik wypełnienia sygnału PWM i decyduje o podejmowaniu odpowiednich działań, np. przyspieszenia chłodzenia lub ograniczenia cyklu pracy, mających na celu utrzymanie temperatury pod kontrolą.

Sterowniki bramek z oferty Rohm występują w wersjach o kategorii izolacji 2500 VRMS i 3750 VRMS. Każdy z nich przechodzi 60-sekundowy test przy tym napięciu. Technologia transformatora bezrdzeniowego zapewnia znacznie lepsze właściwości od dwóch pozostałych, stosowanych obecnie metod izolacji. Wszystkie sterowniki firmy Rohm gwarantują odporność na impulsy napięciowe o czasie narastania do co najmniej 100 kV/μs, co jest wynikiem około dwukrotnie lepszym niż w przypadku sterowników z izolacją optyczną. Technologia transformatora bezrdzeniowego może być przydatna we wszystkich aplikacjach wymagających zapewnienia odpowiedniego współczynnika CMTI (commonmode transient immunity) i może być łatwo łączona z innowacyjnymi, cyfrowymi funkcjami sterowania. (TD)

Zobacz również

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie