Інструкції з проектування для використання драйверів ізольованих воріт

Посібник із проектування, що складається з трьох частин, пояснює, як вибрати відповідний драйвер ізольованого затвора для пристроїв перемикання живлення в додатках силової електроніки, і ділиться практичним досвідом. Ця стаття є першою частиною, яка в основному включає введення та посібник із вибору драйверів ізольованих воріт.

Посилання на цю статтю:

Ізольовані затворні драйвери ON Semiconductor розроблені для забезпечення максимальної швидкості перемикання та обмежень розміру системи, необхідних для таких технологій, як SiC (карбід кремнію) та GaN (нітрид галію), щоб забезпечити надійне керування MOSFET. Багато розробників у галузі силової електроніки мають великий досвід роботи з Si MOSFET, SiC і GaN MOSFET і є досвідченими користувачами. Виробники систем все більше зацікавлені в підвищенні енергоефективності своїх конструкцій. Для досягнення лідируючої позиції на ринку поєднання високої енергоефективності та низької вартості є вирішальним. З точки зору напівпровідникових матеріалів, галузь досягла значного прогресу, і тепер є продукти, здатні перемикатися на високій швидкості, тим самим підвищуючи ефективність на рівні системи при зменшенні розміру.

Драйвери ізольованих воріт--Що це таке, навіщо вони використовуються та як вони працюють?

Силові МОП-транзистори — це пристрої з керуванням напругою, які використовуються як комутаційні елементи в ланцюгах живлення, приводах двигунів та інших системах. Шлюз є електрично ізольованим терміналом керування кожним пристроєм. Інші термінали MOSFET - витік і сток.

Щоб працювати з МОП-транзистором, напругу зазвичай потрібно прикладати до затвора (на відміну від джерела або емітера). Спеціальний драйвер використовується для подачі напруги на затвор силового пристрою та забезпечення струму приводу.

Драйвери воріт використовуються для вмикання та вимикання силових пристроїв. Для цього драйвер затвора заряджає затвор пристрою живлення до кінцевої напруги включення VGS(ON), або схема драйвера розряджає затвор до кінцевої напруги вимикання VGS(OFF). Для перетворення між двома рівнями напруги затвора деяка потужність розсіюється в контурі між драйвером затвора, резистором затвора та пристроєм живлення.

Сьогодні високочастотні перетворювачі для застосувань малої та середньої потужності в основному використовують пристрої керування напругою на затворі, такі як MOSFET.

Для додатків із високою потужністю найкращими пристроями, що зараз використовуються, є МОП-транзистори з карбіду кремнію (SiC), які потребують вищих струмів приводу для швидкого вмикання/вимкнення цих перемикачів живлення. Драйвери затворів підходять не тільки для МОП-транзисторів, але й для нових пристроїв із широкою забороненою зоною, про які наразі знають лише деякі люди, наприклад, польові транзисти з карбіду кремнію (SiC) і нітриду галію (GaN).

Драйвер затвора — це підсилювач потужності, який приймає вхідні дані від мікросхеми контролера та генерує відповідний високий струм для керування затвором пристрою перемикання живлення.

Нижче наведено короткий виклад причин використання драйверів воріт:

Імпеданс затвора

Функція драйвера воріт полягає в швидкому вмиканні та вимиканні силових пристроїв для зменшення втрат. Щоб уникнути втрат на перехресну провідність, викликаних ефектом Міллера або повільним перемиканням під певними навантаженнями, драйвер повинен встановити вимкнений стан із нижчим опором, ніж увімкнений стан на протилежному транзисторі. Негативний запас затвора відіграє важливу роль у зменшенні цих втрат.

Індуктивність джерела

Це індуктивність, спільна для петлі струму драйвера затвора та петлі вихідного струму. Від'ємний запас напруги приводу затвора в поєднанні з індуктивністю виводу джерела має прямий вплив на швидкість перемикання виходу під навантаженням, що є ефектом погіршення індуктивності джерела (індуктивність виводу джерела поєднує вихідний струм перемикання назад із приводом затвора, таким чином уповільнення приводу воріт).

Драйвер затвора подає сигнал напруги (VGS) між затвором (G) і витоком (S) силового MOSFET, одночасно надаючи імпульс сильного струму, як показано на малюнку 1.

· Увімкнути швидку зарядку/розрядку CGS і CGD

· Швидке вмикання/вимкнення живлення MOSFET

Рисунок 1. Шлях струму затвора

Чому гальванічна ізоляція?

Застосунки з високою потужністю вимагають гальванічної розв’язки, щоб запобігти запуску небезпечних петель заземлення, які можуть спричинити шум, спричиняючи різні потенціали заземлення двох ланцюгів і, таким чином, під загрозу безпеці системи. Струми в таких системах можуть бути смертельними для людини, тому необхідно забезпечити найвищий рівень безпеки. Електрична або гальванічна ізоляція означає стан, коли постійний струм не циркулює між двома точками з різними потенціалами.

Точніше кажучи, у стані гальванічної ізоляції неможливо перемістити носії з однієї точки в іншу, але електрична енергія (або сигнали) все одно може обмінюватися через інші фізичні явища, такі як електромагнітна індукція, ємнісний зв’язок або світло. Ця умова еквівалентна нескінченному опору між двома точками; на практиці достатньо опору приблизно до 100 МОм. Якщо пошкодження обмежується електронними компонентами, захисна ізоляція може не знадобитися, але якщо на стороні керування задіяна діяльність людини, потрібна гальванічна ізоляція між стороною високої потужності та ланцюгом керування низькою напругою. Він захищає від будь-яких несправностей на стороні високої напруги, тому що навіть у разі пошкодження або виходу з ладу компонентів ізоляційний бар’єр не дає електроенергії досягти користувача. Для запобігання ризику ураження електричним струмом ізоляція є обов’язковою регуляторними органами та органами сертифікації безпеки. Нижче наведено короткий виклад причин використання та методів гальванічної розв’язки в багатьох енергетичних застосуваннях.

· Запобігайте та безпечно витримуйте стрибки високої напруги, які пошкоджують обладнання або загрожують людям.

·Захист дорогих контролерів - розумних систем

· Витримує великі різниці потенціалів і руйнівні контури заземлення в ланцюгах з високою енергією або довгими розривами

· Надійний зв’язок із високоефективними високовольтними компонентами

Рішення

Малюнок 2. Неізольований та ізольований

Посібник із вибору драйвера ізольованих воріт

Далі пояснюється, як вибрати ізольований драйвер воріт. Наприклад, для системи з нижчою робочою напругою комутаційний пристрій можна підключити безпосередньо до контролера, якщо витримувана напруга контролера знаходиться в межах допустимого діапазону. Проте драйвер затвора є звичайним компонентом більшості перетворювачів потужності. Оскільки схема керування працює при низькій напрузі, контролер не може забезпечити достатню потужність, щоб швидко та безпечно відкрити або закрити вимикач живлення. Таким чином, сигнал контролера надсилається драйверу затвора, який здатний витримувати більшу потужність і може управляти затвором MOSFET за потреби. У системах високої потужності або високої напруги компоненти ланцюга зазнають великих коливань напруги та високих струмів. У разі витоку струму від силового MOSFET до ланцюга керування висока напруга та струм у ланцюзі перетворення живлення можуть легко спалити транзистор, викликаючи серйозну поломку ланцюга керування. Крім того, потужні програми повинні мати гальванічну розв’язку між входом і виходом для захисту користувачів та інших пристроїв.

Діапазон напруги затвора

Робоча напруга перетворювача залежить від технічних характеристик перемикаючого елемента (наприклад, Si MOSFET або SiC MOSFET). Потрібно підтвердити, що вихідна напруга перетворювача не перевищує максимального значення напруги затвора перемикаючого елемента.

Позитивна напруга драйвера воріт має бути достатньо високою, щоб забезпечити повне ввімкнення воріт. Також необхідно переконатися, що напруга приводу не перевищує абсолютну максимальну напругу затвора. Si-MOSFET зазвичай використовують напругу керування +12В, +15В зазвичай використовується для керування SiC, а напруга затвора для GaN становить +5В. 0-Напруга затвора V може тримати всі пристрої у вимкненому стані. Взагалі кажучи, МОП-транзистори не вимагають приводу затвора негативного зміщення, який іноді використовується для МОП-транзисторів SiC і GaN. У комутаційних програмах настійно рекомендується використовувати затвор із негативним зсувом для МОП-транзисторів SiC і GaN, оскільки паразитна індуктивність, створена неідеальною компонуванням друкованої плати під час високого перемикання di/dt і dv/dt, може спричинити дзвін у напрузі затвор-витік силовий транзистор. Нижче наведені застосовні напруги затвора для кожного комутаційного пристрою.

Можливість ізоляції

Ця здатність визначається робочою напругою системи. Робоча напруга системи прямо пропорційна здатності ізоляції. Одним із ключових параметрів драйвера ізольованого затвора є його номінальна напруга ізоляції. Рейтинг ізоляції призначений для запобігання неочікуваним перехідним процесам напруги від пошкодження інших ланцюгів, підключених до джерела живлення, тому правильний рейтинг ізоляції є ключовим для захисту користувача від потенційно шкідливих розрядів струму. Крім того, цей рейтинг захищає сигнали всередині перетворювача від перешкод через шум або несподівані перехідні процеси синфазної напруги. Величина ізоляції зазвичай виражається як величина напруги, яку може витримати ізоляційний бар'єр. У більшості описів драйверів ізольованих затворів напруга ізоляції вказана як такі параметри, як максимальна повторювана пікова напруга ізоляції (VIORM), робоча напруга ізоляції (VIOWM), максимальна перехідна напруга ізоляції (VIOTM), максимальна напруга ізоляції від перенапруги (VIOSM) і RMS напруга ізоляції (VISO). Чим вища робоча напруга системи, тим вища ізоляційна здатність потрібна від перетворювача.

Ізольовані драйвери затворів ON Semiconductor пройшли виробничі випробування на тестері MPS (модель MSPS-20).

Ємність ізоляції

Ємність ізоляції - це паразитна ємність між входом і виходом перетворювача. З наступної формули ми бачимо, що ємність ізоляції пропорційна струму витоку.

Серед них: Ileak: струм витоку, fS: робоча частота, CISO: ємність ізоляції. VSYS: робоча напруга системи

Втрата потужності пропорційна струму витоку. Якщо система повинна працювати на високій робочій частоті та високій напрузі, нам потрібно приділити більше уваги розміру ізолювальної ємності перетворювача, щоб уникнути надмірного підвищення температури.

Синфазний перехідний імунітет (CMTI)

Стійкість до синфазних перехідних процесів (CMTI) є однією з основних характеристик, пов’язаних із драйверами ізольованих затворів, особливо коли система працює на високих частотах перемикання. Це важливо, оскільки перехідні процеси з високою швидкістю наростання (висока частота) можуть порушити передачу даних через ізоляційний бар’єр. Ємність через ізоляційний бар’єр (тобто між площинами ізоляції заземлення) забезпечує шлях для цих швидких перехідних процесів, щоб перетнути ізоляційний бар’єр і пошкодити форму вихідного сигналу. Одиницею цього характеристичного параметра зазвичай є кВ/мкС.

Якщо CMTI недостатньо високий, потужний шум може поширюватися через ізольований драйвер затвора, створюючи петлю струму та викликаючи появу заряду на затворі перемикача. Цей заряд, якщо він достатньо великий, може призвести до того, що драйвер затвора неправильно сприйме цей шум як сигнал приводу, і цей пробій може спричинити серйозний збій схеми.

Розгляд поточних можливостей приводу

Чим вищий струм затвора, який може бути отриманий/поглинений за короткий проміжок часу, тим коротший час перемикання драйвера затвора та менші втрати потужності перемикання в керованому транзисторі.

Піковий струм джерела та споживання (ISOURCE та ISINK) має бути вищим за середні струми (IG, AV), як показано на малюнку 3.

Малюнок 3. Визначення поточних можливостей накопичувача

Для кожного номінального струму драйвера приблизний максимальний заряд затвора QG, який можна перемкнути за вказаний час, можна розрахувати таким чином: необхідний номінальний струм драйвера залежить від того, скільки заряду затвора QG потрібно перемістити за час перемикання tSW−ON/ ВИМКНЕНО, оскільки середній струм затвора під час перемикання становить IG.

Де tSW,ON/OFF означає швидкість перемикання MOSFET. Якщо невідомо, починайте з 2% періоду перемикання tSW.

Приблизні пікові струми джерела та споживання драйвера затвора можна розрахувати за допомогою наступних формул.

Увімк. (джерело струму)

Коли вимкнено (струм спаду)

Де QG – це заряд затвора при VGS=VCC, tSW, ON/OFF=час увімкнення/вимкнення, 1.5=емпірично визначений фактор (на який впливають затримки через вхідний каскад драйвера і паразитарні компоненти)

Розгляд резистора затвора

Під час визначення розміру затворного резистора важливо враховувати зменшення напруги дзвінка, спричиненої паразитною індуктивністю та ємністю. Однак це обмежить поточну здатність виходу драйвера воріт. Обмежені значення струмової здатності через резистори вмикання та вимикання затвора можна отримати за допомогою наступних формул.

Серед них: ISOOURCE: піковий струм джерела, ISINK: піковий струм споживання, VOH: падіння вихідної напруги високого рівня, VOL: падіння вихідної напруги низького рівня

Драйвери ізольованого вентиля ON Semiconductor

ON Semiconductor пропонує різноманітні ізольовані затворні драйвери на основі інтегрованих безсерцевих трансформаторів з магнітним зв’язком, які підходять для додатків, де дуже високі швидкості комутації та існують обмеження розміру системи, і можуть надійно керувати Si MOSFET і SiC FET.

Ми пропонуємо функціональні та посилені ізоляційні продукти, сертифіковані відповідно до UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 і CQC GB 4943.1. Наші ізольовані приводи для воріт включають як промислові, так і автомобільні сертифіковані продукти.

Ці ізольовані затворні драйвери об’єднують різноманітні функції, щоб витримувати високі рівні CMTI, мають кілька опцій UVLO та забезпечують швидкі затримки поширення (включаючи короткі розбіжності затримок) і мінімальне спотворення ширини імпульсу.

Зокрема, майбутні нові продукти ON Semiconductor забезпечать простий метод генерування негативного зсуву в контурі приводу затвора, придатний для керування SiC MOSFET. Це негативне зміщення корисне, якщо компонування друкованої плати та/або корпусні виводи створюють сильний дзвін у силовому транзисторі Vg. Цей дзвінок напруги на затворі зазвичай виникає за високих умов перемикання di/dt і dv/dt. Щоб утримувати дзвінок нижче порогової напруги, щоб запобігти помилковому ввімкненню, до драйвера затвора зазвичай застосовується негативне зміщення. Для генерування -2V, -3V, -4V і -5V доступні різні варіанти для всіх конфігурацій. Ізольовані драйвери затворів ON Semiconductor доступні в різних варіантах упаковки, включаючи невеликі варіанти LGA та SOIC 8-pin to 16-pin.

Нижче наведено ключові характеристики, електричні характеристики та сертифікати безпеки сімейства драйверів ізольованих затворів ON Semiconductor.

Таблиця 1.

- У розробці

- Додатково, доступно за запитом

- Планується

Інструменти підтримки драйверів ізольованих воріт

Усі пов’язані документи для драйверів гальванічних ізольованих воріт доступні на домашній сторінці ON Semiconductor, включаючи таблиці даних, інструменти проектування та розробки, імітаційні моделі, примітки щодо застосування, документацію оціночної ради, звіти про відповідність тощо.

Основні пов'язані драйвери включають:

● NCP51560

● NCP51561 和 NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563