Designretningslinjer for brug af isolerede gate-drivere

Den tredelte designguide forklarer, hvordan man vælger den passende isolerede gate-driver til strømkoblingsenheder i kraftelektronikapplikationer og deler praktisk erfaring. Denne artikel er den første del, der hovedsageligt inkluderer introduktionen og udvælgelsesvejledningen til isolerede gate-drivere.

Referenceadresse for denne artikel:

ON Semiconductors isolerede gate-drivere er designet til at opfylde de maksimale koblingshastigheder og systemstørrelsesbegrænsninger, der kræves af teknologier som SiC (siliciumcarbid) og GaN (galliumnitrid) for at give pålidelig kontrol af MOSFET'er. Mange designere i kraftelektronikindustrien har stor erfaring med at arbejde med Si MOSFET'er, SiC og GaN MOSFET'er og er ekspertbrugere. Systemproducenter er i stigende grad interesserede i at forbedre energieffektiviteten af ​​deres designs. For at opnå en førende position på markedet er kombinationen af ​​høj energieffektivitet og lave omkostninger afgørende. Fra et halvledermaterialeperspektiv har feltet gjort betydelige fremskridt, og der er nu produkter, der er i stand til at skifte ved høje hastigheder, og derved øge effektiviteten på systemniveau og samtidig reducere størrelsen.

Isolerede gate-drivere--Hvad er de, hvorfor bruges de, og hvordan fungerer de?

Power MOSFET'er er spændingskontrollerede enheder, der bruges som koblingselementer i strømkredsløb, motordrev og andre systemer. Porten er den elektrisk isolerede kontrolterminal for hver enhed. De andre terminaler på en MOSFET er source og drain.

For at kunne betjene en MOSFET skal der typisk påføres en spænding til porten (i modsætning til kilden eller emitteren). En dedikeret driver bruges til at påføre spænding til strømforsyningens gate og levere drevstrøm.

Gate-drivere bruges til at tænde og slukke for strømenheder. For at gøre dette oplader gate-driveren gate-enheden til den endelige tændingsspænding VGS(ON), eller driverkredsløbet aflader gate-en til den endelige sluk-spænding VGS(OFF). For at konvertere mellem de to gate-spændingsniveauer spredes noget strøm i sløjfen mellem gate-driveren, gate-modstanden og strømenheden.

I dag bruger højfrekvensomformere til lav- og mellemeffektapplikationer primært gatespændingsstyringsenheder såsom MOSFET'er.

Til højeffektapplikationer er de bedste enheder, der i øjeblikket er i brug, siliciumcarbid (SiC) MOSFET'er, som kræver højere drivstrømme for hurtigt at tænde/slukke for disse strømafbrydere. Gate-drivere er ikke kun velegnede til MOSFET'er, men også til nye enheder i det brede båndgab, som kun få mennesker i øjeblikket er opmærksomme på, såsom siliciumcarbid (SiC) FET'er og galliumnitrid (GaN) FET'er.

En gate-driver er en effektforstærker, der accepterer input fra en controller-IC og genererer en passende høj strøm til at drive gate af en strømomskifteranordning.

Det følgende er en kort oversigt over årsagerne til at bruge gate-drivere:

Gate drev impedans

Portdriverens funktion er hurtigt at tænde og slukke for strømenheder for at reducere tab. For at undgå krydsledningstab forårsaget af Miller-effekten eller langsom skift under visse belastninger, skal driveren etablere off-tilstanden med en lavere impedans end on-tilstanden på den modstående transistor. Negativ gate-drevmargin spiller en vigtig rolle i at reducere disse tab.

Kilde induktans

Dette er induktansen, der deles af gatedriverens strømløkke og udgangsstrømløkken. Negativ gate-drivspændingsmargin kombineret med kildeledningsinduktans har en direkte indvirkning på koblingshastigheden af ​​output under belastning, som er kildenedbrydningseffekten af ​​kildeinduktansen (kildeledningsinduktansen kobler udgangskoblingsstrømmen tilbage til gate-drevet, derved bremse portdrevet).

Gatedriveren påfører et spændingssignal (VGS) mellem porten (G) og kilden (S) af strøm-MOSFET'en, mens den leverer en højstrømsimpuls, som vist i figur 1.

· Aktiver hurtig opladning/afladning af CGS og CGD

· Hurtig tænd/sluk MOSFET

Figur 1. Gatedrevets strømvej

Hvorfor galvanisk isolering?

Højeffektapplikationer kræver galvanisk isolering for at forhindre farlige jordsløjfer i at blive udløst, hvilket kan forårsage støj, hvilket får jordforbindelsen til de to kredsløb til at have forskellige potentialer og dermed kompromittere systemets sikkerhed. Strømmene i sådanne systemer kan være dødelige for mennesker, så det højeste sikkerhedsniveau skal sikres. Elektrisk eller galvanisk isolation refererer til den tilstand, hvor ingen jævnstrøm cirkulerer mellem to punkter ved forskellige potentialer.

Mere præcist, i den galvaniske isolationstilstand er det umuligt at flytte bærere fra et punkt til et andet, men elektrisk energi (eller signaler) kan stadig udveksles gennem andre fysiske fænomener såsom elektromagnetisk induktion, kapacitiv kobling eller lys. Denne tilstand svarer til en uendelig modstand mellem de to punkter; i praksis er modstande op til omkring 100 MΩ tilstrækkelige. Hvis skaden er begrænset til de elektroniske komponenter, er sikkerhedsisolering muligvis ikke nødvendig, men hvis menneskelig aktivitet er involveret på kontrolsiden, kræves galvanisk isolering mellem højeffektsiden og lavspændingsstyrekredsløbet. Den beskytter mod eventuelle fejl på højspændingssiden, for selvom der er skader eller fejl på komponenter, forhindrer isolationsbarrieren strømmen i at nå brugeren. Isolering er obligatorisk af tilsynsmyndigheder og sikkerhedscertificeringsorganer for at forhindre risikoen for elektrisk stød. Nedenfor er en oversigt over grundene til brug og metoderne til galvanisk isolering i mange strømapplikationer.

·Forebyg og modstår sikkert højspændingsspændinger, der beskadiger udstyr eller bringer mennesker i fare.

·Beskyt dyre controllere - smarte systemer

·Tolerer store potentialeforskelle og destruktive jordsløjfer i kredsløb med høj energi eller lange adskillelser

· Kommuniker pålideligt med høj-side komponenter i høj spænding høj ydeevne

Løsninger

Figur 2. Ikke-isoleret og isoleret

Vejledning til valg af driver til isoleret port

Det følgende forklarer, hvordan man vælger en isoleret gate-driver. For eksempel, for et system med en lavere driftsspænding, kan omskifteren tilsluttes direkte til controlleren, så længe controllerens modstå spænding er inden for det tilladte område. Gatedriveren er dog en almindelig komponent i de fleste strømomformere. Da styrekredsløbet fungerer ved lav spænding, kan controlleren ikke levere nok strøm til hurtigt og sikkert at åbne eller lukke strømafbryderen. Derfor sendes controllerens signal til gate-driveren, som er i stand til at modstå højere effekt og kan drive gate af MOSFET efter behov. I højeffekt- eller højspændingsapplikationer udsættes komponenterne i kredsløbet for store spændingsudsving og høje strømme. Hvis der lækker strøm fra strøm-MOSFET'en til styrekredsløbet, kan højspændingen og strømmen i strømkonverteringskredsløbet let brænde transistoren ud, hvilket forårsager alvorlig nedbrud i styrekredsløbet. Derudover skal højeffektapplikationer have galvanisk isolering mellem input og output for at beskytte brugere og andre enheder.

Gate Drive spændingsområde

Omformerens driftsspænding afhænger af koblingselementets specifikationer (såsom Si MOSFET eller SiC MOSFET). Det skal bekræftes, at konverterens udgangsspænding ikke overstiger den maksimale værdi af gatespændingen for skifteelementet.

Portdriverens positive spænding skal være høj nok til at sikre, at porten er helt tændt. Det er også nødvendigt at sikre, at drivspændingen ikke overstiger den absolutte maksimale gate-spænding. Si-MOSFET'er bruger typisk en drivspænding på +12V, +15V bruges almindeligvis til at drive SiC, og gatespændingen for GaN er +5V. En 0-V-gatespænding kan holde alle enheder i slukket tilstand. Generelt kræver MOSFET'er ikke negativ bias gate-drev, som nogle gange bruges til SiC og GaN MOSFET'er. I switching-applikationer anbefales det stærkt at bruge negativ bias gate-drev til SiC- og GaN MOSFET'er, fordi parasitisk induktans introduceret af ikke-ideel PCB-layout under høj di/dt og dv/dt switching kan forårsage ringning i gate-source drevspændingen på krafttransistoren. Følgende er gældende gate-drivspændinger for hver koblingsenhed.

Isolationsevne

Denne kapacitet bestemmes af systemets driftsspænding. Systemets driftsspænding er direkte proportional med isolationsevnen. En af nøgleparametrene for en isoleret gate-driver er dens isolationsspænding. Isolationsklassificeringen er designet til at forhindre uventede spændingstransienter i at beskadige andre kredsløb, der er tilsluttet strømforsyningen, så at have den korrekte isolationsklassificering er nøglen til at beskytte brugeren mod potentielt skadelige strømudladninger. Derudover beskytter denne klassificering signalerne i konverteren mod at blive forstyrret af støj eller uventede common-mode spændingstransienter. Isolationsværdien udtrykkes normalt som mængden af ​​spænding, som isolationsbarrieren kan modstå. I de fleste isolerede gate-driverdatablade er isolationsspændingen angivet som parametre såsom maksimal repetitiv peak-isolationsspænding (VIORM), arbejdsisolationsspænding (VIOWM), maksimal transient isolationsspænding (VIOTM), maksimal overspændingsisolationsspænding (VIOSM) og RMS isolationsspænding (VISO). Jo højere systemets driftsspænding er, desto højere isoleringsevne kræves konverteren.

ON Semiconductors isolerede gate-drivere er produktionstestet på en MPS-tester (model MSPS-20).

Isolationskapacitans

Isolationskapacitansen er den parasitære kapacitans mellem indgangs- og udgangssiden af ​​konverteren. Ud fra følgende formel kan vi se, at isolationskapacitansen er proportional med lækstrømmen.

Blandt dem: Ilæk: lækstrøm, fS: driftsfrekvens, CISO: isolationskapacitans. VSYS: systemdriftsspænding

Strømtab er proportionalt med lækstrøm. Hvis systemet skal fungere ved høj driftsfrekvens og høj spænding, skal vi være mere opmærksomme på størrelsen af ​​konverterens isolationskapacitans for at undgå for stor temperaturstigning.

Almindelig tilstand forbigående immunitet (CMTI)

Common-mode transient immunity (CMTI) er en af ​​de vigtigste egenskaber forbundet med isolerede gate-drivere, især når systemet fungerer ved høje switch-frekvenser. Dette er vigtigt, fordi transienter med høj slew rate (højfrekvente) kan ødelægge datatransmission over isolationsbarrieren. Kapacitansen over isolationsbarrieren (dvs. mellem isolationsjordplanerne) giver disse hurtige transienter en vej til at krydse isolationsbarrieren og ødelægge outputbølgeformen. Enheden for denne karakteristiske parameter er normalt kV/uS.

Hvis CMTI ikke er høj nok, kan høj effektstøj koble sig hen over den isolerede gate-driver, hvilket skaber en strømløkke og forårsager, at ladning vises ved switch-gate. Denne ladning, hvis den er stor nok, kan få portdriveren til at fejlfortolke denne støj som et drivsignal, og denne gennemskydning kan forårsage alvorlig kredsløbsfejl.

Aktuelle overvejelser om drevkapacitet

Jo højere gate-strøm, der kan hentes/sænkes i løbet af kort tid, jo kortere koblingstid for gate-driveren og jo lavere koblingseffekttab i den drevne transistor.

Spidskilde- og synkestrømmene (ISOURCE og ISINK) bør være højere end gennemsnitsstrømmene (IG, AV), som vist i figur 3.

Figur 3. Nuværende definition af drevkapacitet

For hver førerstrømsmærkning kan den omtrentlige maksimale portladning QG, der kan skiftes i den viste tid, beregnes på følgende måde: Den nødvendige driverstrømsmærkning afhænger af, hvor meget gateladning QG skal flyttes i hvor meget koblingstid tSW−ON/ OFF, da den gennemsnitlige portstrøm under omskiftning er IG.

Hvor tSW,ON/OFF repræsenterer, hvor hurtigt MOSFET'en skal skiftes. Hvis ukendt, start med 2% af omskiftningsperioden tSW.

Omtrentlige gatedriverspids- og synkestrømme kan beregnes ved hjælp af følgende formler.

Til (Kilde Aktuel)

Når slukket (synkestrøm)

Hvor QG er gate charge ved VGS=VCC, tSW, ON/OFF=tænd/sluk tid, 1.5=empirisk bestemt faktor (påvirket af forsinkelser gennem førerens inputtrin og parasitære komponenter)

Overvejelser om portmodstande

Når du dimensionerer portmodstanden, er det vigtigt at overveje at reducere ringespændingen forårsaget af parasitisk induktans og kapacitans. Det vil dog begrænse gatedriverens strømkapacitet. De begrænsede strømkapacitetsværdier på grund af tænd- og sluk-gatemodstande kan opnås ved hjælp af følgende formler.

Blandt dem: ISOOURCE: spidskildestrøm, ISINK: spidsstrøm, VOH: højt niveau udgangsspændingsfald, VOL: lavt udgangsspændingsfald

ON Semiconductor's Isolated Gate-drivere

ON Semiconductor tilbyder en række isolerede gate-drivere baseret på integrerede magnetisk koblede kerneløse transformere, velegnet til applikationer, hvor switchhastigheder er meget høje og systemstørrelsesbegrænsninger, og kan pålideligt styre Si MOSFET'er og SiC FET'er.

Vi tilbyder funktionelle og forstærkede isoleringsprodukter certificeret til UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 og CQC GB 4943.1. Vores isolerede portdrivere omfatter både industri- og automotive certificerede produkter.

Disse isolerede gate-drivere integrerer en række funktioner til at modstå høje CMTI-niveauer, har flere UVLO-muligheder og giver hurtige udbredelsesforsinkelser (inklusive korte forsinkelsesfejl) og minimal pulsbreddeforvrængning.

Især vil ON Semiconductors kommende nye produkter give en simpel metode til at generere negativ bias i gate-drevsløjfen, velegnet til at drive SiC MOSFET'er. Denne negative bias er nyttig, hvis PCB-layoutet og/eller pakkeledninger skaber høj ringning i effekttransistoren Vg. Denne gatespændingsringning forekommer typisk under høje di/dt og dv/dt omskiftningsforhold. For at holde ringen under tærskelspændingen for at forhindre falsk tænding påføres typisk en negativ forspænding til gatedriveren. Der er forskellige muligheder for at generere -2V, -3V, -4V og -5V, så de passer til alle konfigurationer. ON Semiconductors isolerede gate-drivere er tilgængelige i en række forskellige pakkemuligheder, herunder små LGA- og SOIC 8-pin til 16-pin-varianter.

Nedenfor er de vigtigste funktioner, elektriske specifikationer og sikkerhedsrelaterede certificeringer af ON Semiconductor isolerede gate-driverfamilien.

Tabel 1.

- Under udvikling

- Valgfri, tilgængelig på forespørgsel

- Planlagt

Isoleret gate driver støtte værktøjer

Alle relaterede dokumenter til galvanisk isolerede gate-drivere er tilgængelige på ON Semiconductors hjemmeside, inklusive datablade, design- og udviklingsværktøjer, simuleringsmodeller, applikationsnoter, dokumentation for evalueringstavler, overholdelsesrapporter osv.

De vigtigste relaterede drivere inkluderer:

● NCP51560

● NCP51561 og NCV51561

● NCP51563 og NCV51563