Sterowniki bramki tranzystorów MOSFET w aplikacjach mocy
| TechnikaKażdy dyskretny tranzystor mocy w układach impulsowych potrzebuje sterownika, niezależnie od tego, czy jest to MOSFET krzemowy, SiC, czy IGBT. Sterownik jest pomostem pomiędzy niskonapięciowym i niskoprądowym wyjściem procesora a obwodami mocy zapewniającym spełnienie rygorystycznych wymagań dotyczących prądu sterującego, napięcia i czasu przełączania.
Wybór odpowiedniego sterownika do elementu przełączającego stanowi wyzwanie dla projektantów ze względu na specyfikę systemów zasilających oraz obecność nieuniknionych reaktancji pasożytniczych. Wymaga to dokładnego rozważenia parametrów przełącznika mocy i jego zastosowania. Producenci półprzewodników często sugerują, a nawet oferują odpowiednie sterowniki dopasowane do aplikacji, jednak niektóre funkcje muszą być dostosowane do specyfiki zastosowania.
Niektóre wartości elementów obwodu sterującego, takie jak wartość rezystora w obwodzie bramki, są określane iteracyjnie i muszą być zweryfikowane w testach prototypu. Niemniej liczba kroków zależy od wcześniejszych rozważań i obliczeń, stąd warto poświęcić temu zagadnieniu trochę czasu, aby nie spowalniać niepotrzebnie projektu.
Sterownik bramki
Mówiąc najprościej, sterownik bramki to wzmacniacz mocy, który dopasowuje sygnał wejściowy o niskim poziomie napięciowym i małej mocy z wyjścia układu scalonego sterownika (zwykle procesora) i wytwarza odpowiedni wysokoprądowy sygnał sterujący bramką w sensie napięciowym, prądowym i czasowym. Za tą prostą definicją kryje się złożone zagadnienie, poza wymienionymi parametrami także obejmujące oscylacje pasożytnicze, stany nieustalone i zabezpieczenia. Sterownik musi szybko sterować tranzystorem, bez przeregulowania lub oscylacji, nawet gdy reaktancje pasożytnicze i stany nieustalone stają się znaczące wraz ze wzrostem prędkości przełączania.
Sterowniki są dostępne w różnych konfiguracjach: pojedyncze dla dolnego tranzystora lub górnego w mostku oraz wersje podwójne. W pierwszym przypadku przełącznik znajduje się pomiędzy obciążeniem a masą, natomiast obciążenie znajduje się pomiędzy szyną zasilającą a przełącznikiem (rys. 1). W komplementarnym układzie dla przełącznika górnego obciążenie znajduje się pomiędzy przełącznikiem a masą (rys. 2), natomiast rysunek 3 ilustruje rozwiązanie podwójne zapewniające sterowanie tranzystorem górnym i dolnym jednocześnie.
A co z izolacją?
Układ podwójny sterujący tranzystorem dolnym i górnym wymaga dwóch istotnych funkcjonalności, jak pokazano na rysunku 4:
- "pływającego" (nieodniesionego do potencjału masy) zasilacza po stronie wysokiego napięcia zapewniającego zasilanie obwodów związanych ze sterowaniem tym tranzystorem
- przesuwnika poziomu przenoszącego sygnał sterujący do "pływającego" górnego obwodu sterownika
Górny sterownik i tranzystor są "pływające", czyli nie mają odniesienia do masy, co prowadzi do koniczności realizacji izolacji galwanicznej pomiędzy sterownikiem a kontrolowanym przełącznikiem.
Izolacja oznacza, że pomiędzy dwiema stronami bariery izolacyjnej nie ma połączenia umożliwiającego przepływ prądu, ale sygnał sterujący musi mimo to być przez nią przekazany. Izolację tę można osiągnąć za pomocą transoptorów, transformatorów lub kondensatorów (sprzężenie pojemnościowe). Bariera musi wytrzymać pełne napięcie panujące na szynie zasilającej (plus margines bezpieczeństwa), które może wynosić od dziesiątek do kilku tysięcy woltów. Większość izolatorów bez problemu spełnia te wymagania.
Sterowniki tranzystorów górnych (typu high-side) wymagają izolacji z uwagi na duże napięcie zasilające, ale w przypadku sterowników low-side izolacja jest też często wymagana, w falownikach i konwerterach dużej mocy ze względów bezpieczeństwa, aby zapobiec ryzyku porażenia prądem elektrycznym poprzez zapewnienie, że wysokie napięcie dosłownie nie dotrze do użytkownika. Separacja obwodów chroni również elektronikę sterującą przed uszkodzeniami wynikającymi z usterek w obwodzie WN.
W zasilaczach wiele topologii konwersji energii wymaga użycia izolowanego obwodu sterującego bramką, na przykład półmostkowa, pełnomostkowa, obniżająca napięcie (buck), two-switch forward i active clamp forward, ponieważ nie ma możliwości sterowania bezpośrednio tranzystorem połączonym z górną szyną zasilającą.
Jednostki dużej mocy wymagają izolowanego sterownika bramki i sygnałów sterujących, ponieważ bloki te nie mają połączenia z potencjałem masy, gdyż na przykład sterują one stopniem trójfazowym. Z tego powodu izolowane sterowniki bramek są bardzo popularne, a ich użycie upraszcza układ stopnia mocy i jednocześnie ułatwia spełnienie wymogów regulacyjnych w zakresie bezpieczeństwa.
Połączenie sterownika z elementami mocy
Układy scalone sterownika bramki muszą działać z dużą szybkością przełączania ponad 100 kHz i współpracować z MOSFET-ami SiC, na których tempo zmiany napięcia sięga 50 kV/μs. Tranzystory krzemowe sterowane są typowo napięciem ±12 V, z kolei wersje SiC potrzebują od +15 do +20 V do włączenia i od –5 do 0 V do wyłączenia. Z tego powodu wersje dla SiC mają zdublowane linie – jedno do włączania i drugie do wyłączania. Tranzystory MOSFET SiC zapewniają małe straty tylko wtedy, gdy ich bramki są zasilane napięciem Vgs od 18 do 20 V. Jest ono wyższe niż wartość Vgs dla krzemowych MOSFET-ów lub IGBT, tj. od 10 do 15 V.
Inną różnicą między sterowaniem elementami Si i SiC jest to, że ładunek zwrotny (Qrr) diody podłożowej w SiC jest relatywnie niewielki. Z tej przyczyny tranzystory te wymagają wysokoprądowego napędu obwodu bramki, aby szybko wtłoczyć pełną wartość wymaganą do przełączenia (Qg).
Ustalenie właściwej pary sterownika i tranzystora ma kluczowe znaczenie. Istotnym krokiem jest tutaj określenie optymalnej wartości zewnętrznego rezystora szeregowego, oznaczonego jako RG,ext (rys. 5), gdyż oprócz niego konieczne jest uwzględnienie rezystancji wewnętrznej RG,int.
Dobór realizuje się w czteroetapowym iteracyjnym procesie, ponieważ niektóre aspekty działania należy ocenić podczas pomiarów prototypu. W skrócie procedura jest następująca:
- Określenie prądu szczytowego (Ig) w oparciu o wartości z karty katalogowej i dobór odpowiedniego sterownika.
- Obliczenie wartości rezystora RG,ext w oparciu o zakres napięć sterujących.
- Obliczenie straty mocy PD dla układu scalonego sterownika i zewnętrznego rezystora bramki.
- Sprawdzenie obliczeń na stanowisku laboratoryjnym, czy wysterowanie jest poprawne a sterownik i rezystor się nie przegrzewają, czy nie występują niepożądane włączenia od stanów nieustalonych dV/dt.
Pomiary powinny potwierdzić bezpieczne warunki pracy (brak oscylacji, właściwy czas) tranzystora MOSFET SiC. Jeżeli nie, projektant musi powtórzyć kroki od 1 do 4 z dostosowaną wartością rezystora bramki.
Podobnie jak w przypadku prawie wszystkich decyzji inżynierskich, przy wyborze wartości komponentu konieczne są kompromisy między wieloma kryteriami wydajności. Na przykład, jeśli występują oscylacje, zmiana wartości rezystora bramki może je wyeliminować. Zwiększanie oporności zmniejsza prędkość narastania napięcia, niższa wartość zapewni szybsze przełączanie, ale i większe stany nieustalone. Ilustrację wpływu regulacji wartości zewnętrznego rezystora bramki na wydajność sterownika pokazano na rysunku 6.
Nie ma konieczności kompromisów
Chociaż w każdym projekcie jest wiele kompromisów, odpowiednie komponenty mogą znacznie go zmniejszyć. Na przykład układy scalone sterownika bramki EiceDRIVER firmy Infineon mają dużą wydajność energetyczną, odporność na zakłócenia i niezawodność. Ich funkcjonalność obejmuje szybkie obwody ochrony przed zwarciem, wykrywanie i ochrona tranzystorów przed płytkim nasyceniem (desaturacją), aktywny układ obcinający Millera, kontrola szybkości narastania zboczy, ochrona przed przewodzeniem skrośnym, zabezpieczenie przed awarią, niekontrolowanym wyłączeniem i przeciążeniem oraz cyfrowy interfejs I²C do konfiguracji.
Sterowniki te doskonale nadają się zarówno do elementów krzemowych, jak i tranzystorów o szerokiej przerwie energetycznej. Seria obejmuje zarówno nieizolowane układy niskonapięciowe o małej mocy, jak i izolowane wersje kilowoltowo-kilowatowe. Dostępne są również sterowniki dwu- i wielokanałowe.
25-woltowy sterownik low-side
1ED44176N01FXUMA1 to 25-woltowy sterownik bramki low-side w obudowie DS-O8 (rys. 7) do MOSFET-ów i IGBT wykonany w technologii CMOS odpornej na zjawisko na zatrzaskiwania (latch), która gwarantuje niezawodność. Wejście jest kompatybilne ze standardowymi poziomami napięć CMOS lub LSTTL 3,3, 5 i 15 V i ma wbudowaną histerezę, aby zminimalizować fałszywe wyzwolenia. Sterownik jest w stanie obsłużyć tranzystory 50 A/650 V przy częstotliwości do 50 kHz i jest przeznaczony do sprzętu AGD i komponentów infrastruktury zasilanych z sieci prądu przemiennego, takich jak pompy ciepła.
Kluczową specyfikacją tego układu jest wyjściowy chwilowy impulsowy prąd zwarciowy (<10 μs) wynoszący 0,8 A przy 0 V dla kierunku source oraz 1,75 A przy 15 V dla sink. Czas włączenia i wyłączenia wynosi jedynie 50 ns (typ.) i 95 ns (maks.), czas narastania 50/80 ns (typ./ maks.), a czas opadania 25/35 ns.
Podłączenie 1ED44176N01F jest proste – jest pin do realizacji zabezpieczenia nadprądowego (OCP) oraz wyjście Fault (rys. 8). Na VCC jest blokada podnapięciowa, a oddzielne masy logiczne i zasilania zwiększają odporność na zakłócenia.
Chociaż schemat aplikacyjny jest prosty, projektanci mogą sięgnąć po płytkę ewaluacyjną EVAL1ED44176N01FTOBO1 (rys. 9). Z jej użyciem można wygodnie dobrać wartość rezystora bocznikowego w układzie kontroli prądu (RCS), parametry filtru RC do OCP i wartość pojemności ustalającej zwłokę działania po wykryciu zwarcia.
Sterownik bramki wysokonapięciowego MOSFET-a SiC
Układ 1EDI3031ASXUMA1 to izolowany, jednokanałowy sterownik bramki MOSFET-a SiC 12 A, którego bariera galwaniczna wytrzymuje napięcie probiercze 5700 VRMS (rys. 10). Jest przeznaczony do aplikacji w napędach silników o mocy powyżej 5 kW działających z użyciem tranzystorów na napięcia znamionowe 400, 600 i 1200 V.
Konstrukcja wykorzystuje technologię bezrdzeniowego transformatora (coreless transformer, CT) do zapewnienia izolacji galwanicznej (rys. 11).
Taki sposób separacji pozwala na to, aby strony pierwotne i wtórne były na poziomie napięciowym różniącym się aż o ±2300 V lub więcej, zapewnia odporność na ujemne i dodatnie stany nieustalone oraz charakteryzuje się niskimi stratami mocy. Ponadto charakteryzuje się wyjątkowo dobrym transferem sygnału sterującego, niezależnym od poziomu szumów w trybie wspólnym. Dopuszczalna wartość szybkości narastania napięcia w trybie wspólnym (common-mode transit immunity, CMTI) to aż 300 V/ns. Ponadto układ zapewnia powtarzalność czasu opóźnienia propagacji (w ramach rodziny produktów) oraz niezależność tej wartości od starzenia, prądu i temperatury.
1EDI3031ASXUMA1 współpracuje z MOSFET-ami SiC o napięciu do 1200 V, w stopniach mocy z wyjściem typu "rail-to-rail" i z prądem szczytowym 12 A przy typowym opóźnieniu propagacji wynoszącym 60 ns. Jego CMTI sięga 150 V/ns przy 1000 V. Jest też zintegrowany układ Miller clamp o wydajności 10 A, który eliminuje wpływ pasożytniczej pojemności bramka-dren CGC i jest odpowiedzialny za niekontrolowane (fałszywe) załączenia tranzystora. Zwiera on bramkę w odpowiednim momencie, nie pozwalając na wzrost napięcia w czasie, kiedy tranzystor ma być wyłączony.
Omawiany układ jest przeznaczony do pracy w falownikach trakcyjnych pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Z tego powodu zintegrowano w nim kilka specyficznych rozwiązań, aby spełniał wymagania klasy ASIL B(D) w zakresie bezpieczeństwa, a także pozwalał na walidację produktu zgodnie z AEC-Q100. Obejmują one redundantne obwody DESAT i OCP, monitorowanie pracy obwodu bramki i stopnia wyjściowego, ochronę przed przepływem prądu skrośnego, monitorowanie napięć zasilania po stronie pierwotnej i wtórnego. Izolacja wytrzymuje napięcie probiercze 8 kV i spełnia wymagania VDE V 0884-11:2017-01 oraz jest uznawana przez UL1577.
Ponadto sterownik ma zaimplementowany diagram stanów zapewniający prawidłowe działanie (rys. 12), a funkcje diagnostyczne zapewniają możliwość przejścia w "stan bezpieczny" w przypadku wykrycia awarii.
Do układu oferowana jest płytka ewaluacyjna 1EDI30XXASEVALBOARD- -TOBO1 (rys. 13). Realizuje ona półmostkowy stopień mocy i umożliwia montaż modułu IGBT HybridPACK DSC lub tranzystorów dyskretnych w obudowie TO247 (rys. 14).
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
