Pokyny pre návrh na používanie ovládačov izolovaných brán

Trojdielna konštrukčná príručka vysvetľuje, ako vybrať vhodný ovládač izolovanej brány pre výkonové spínacie zariadenia v aplikáciách výkonovej elektroniky a zdieľa praktické skúsenosti. Tento článok je prvou časťou, ktorá obsahuje hlavne úvod a návod na výber ovládačov izolovaných brán.

Referenčná adresa tohto článku:

Izolované hradlové ovládače ON Semiconductor sú navrhnuté tak, aby spĺňali maximálnu rýchlosť spínania a obmedzenia veľkosti systému, ktoré vyžadujú technológie ako SiC (karbid kremíka) a GaN (nitrid gália), aby poskytovali spoľahlivé riadenie MOSFETov. Mnoho dizajnérov v odvetví výkonovej elektroniky má rozsiahle skúsenosti s prácou s MOSFETmi Si, SiC a GaN MOSFET a sú skúsenými používateľmi. Výrobcovia systémov sa čoraz viac zaujímajú o zlepšenie energetickej účinnosti svojich návrhov. Pre dosiahnutie vedúcej pozície na trhu je kľúčová kombinácia vysokej energetickej účinnosti a nízkych nákladov. Z hľadiska polovodičových materiálov táto oblasť urobila významný pokrok a teraz existujú produkty schopné prepínania vysokou rýchlosťou, čím sa zvyšuje účinnosť na úrovni systému a zároveň sa zmenšuje veľkosť.

Ovládače izolovaných brán--Čo sú to, prečo sa používajú a ako fungujú?

Výkonové MOSFETy sú napäťovo riadené zariadenia používané ako spínacie prvky v silových obvodoch, motorových pohonoch a iných systémoch. Brána je elektricky izolovaný ovládací terminál každého zariadenia. Ostatné svorky MOSFET sú zdroj a odtok.

Aby bolo možné prevádzkovať MOSFET, napätie zvyčajne musí byť privedené na bránu (na rozdiel od zdroja alebo emitora). Vyhradený ovládač sa používa na privedenie napätia na bránu napájacieho zariadenia a na zabezpečenie prúdu pohonu.

Ovládače brány sa používajú na zapínanie a vypínanie napájacích zariadení. Za týmto účelom budič brány nabije bránu napájacieho zariadenia na konečné zapínacie napätie VGS(ON), alebo obvod ovládača vybíja bránu na konečné vypínacie napätie VGS(OFF). Na konverziu medzi dvoma úrovňami hradlového napätia sa určitá energia rozptýli v slučke medzi budičom hradla, odporom hradla a napájacím zariadením.

Dnes vysokofrekvenčné meniče pre aplikácie s nízkym a stredným výkonom primárne využívajú zariadenia na riadenie napätia hradla, ako sú MOSFET.

Pre aplikácie s vysokým výkonom sú v súčasnosti najlepšie používané zariadenia MOSFET z karbidu kremíka (SiC), ktoré vyžadujú vyššie hnacie prúdy na rýchle zapnutie/vypnutie týchto vypínačov. Brány nie sú vhodné len pre MOSFETy, ale aj pre nové zariadenia v širokom pásme, o ktorých v súčasnosti vie len málo ľudí, ako sú FET z karbidu kremíka (SiC) a FET z nitridu gália (GaN).

Ovládač hradla je výkonový zosilňovač, ktorý prijíma vstup z riadiaceho integrovaného obvodu a generuje príslušný vysoký prúd na riadenie hradla výkonového spínacieho zariadenia.

Nasleduje stručné zhrnutie dôvodov používania ovládačov brán:

Impedancia pohonu brány

Funkciou ovládača brány je rýchle zapnutie a vypnutie napájacích zariadení, aby sa znížili straty. Aby sa predišlo stratám krížovým vedením spôsobeným Millerovým efektom alebo pomalým spínaním pri určitých zaťaženiach, budič musí vytvoriť vypnutý stav s nižšou impedanciou ako je zapnutý na protiľahlom tranzistore. Záporná rezerva pohonu brány hrá dôležitú úlohu pri znižovaní týchto strát.

Indukčnosť zdroja

Toto je indukčnosť zdieľaná prúdovou slučkou ovládača brány a výstupnou prúdovou slučkou. Záporná rezerva napätia pohonu brány v kombinácii s indukčnosťou zdrojového vodiča má priamy vplyv na rýchlosť spínania výstupu pri zaťažení, čo je efekt degradácie zdroja indukčnosti zdroja (indukčnosť zdrojového vodiča spája výstupný spínací prúd späť s pohonom brány, čím spomalenie pohonu brány).

Ovládač hradla aplikuje napäťový signál (VGS) medzi hradlom (G) a zdrojom (S) výkonového MOSFETu a zároveň dodáva impulz vysokého prúdu, ako je znázornené na obrázku 1.

·Povoliť rýchle nabíjanie/vybíjanie CGS a CGD

· Rýchle zapnutie/vypnutie MOSFET

Obrázok 1. Prúdová dráha pohonu brány

Prečo galvanická izolácia?

Aplikácie s vysokým výkonom vyžadujú galvanickú izoláciu, aby sa zabránilo spusteniu nebezpečných uzemňovacích slučiek, ktoré by mohli spôsobiť šum, čo by spôsobilo, že uzemnenia dvoch obvodov majú rôzne potenciály, a tým ohrozia bezpečnosť systému. Prúdy v takýchto systémoch môžu byť pre ľudí smrteľné, preto musí byť zaistená najvyššia úroveň bezpečnosti. Elektrická alebo galvanická izolácia sa vzťahuje na stav, v ktorom medzi dvoma bodmi s rôznymi potenciálmi necirkuluje žiadny jednosmerný prúd.

Presnejšie povedané, v stave galvanickej izolácie nie je možné presúvať nosiče z jedného bodu do druhého, ale elektrická energia (alebo signály) sa stále môže vymieňať prostredníctvom iných fyzikálnych javov, ako je elektromagnetická indukcia, kapacitná väzba alebo svetlo. Táto podmienka je ekvivalentná nekonečnému odporu medzi týmito dvoma bodmi; v praxi stačia odpory do cca 100 MΩ. Ak je poškodenie obmedzené na elektronické komponenty, bezpečnostná izolácia nemusí byť potrebná, ale ak je na strane ovládania zapojená ľudská činnosť, vyžaduje sa galvanické oddelenie medzi stranou vysokého výkonu a nízkonapäťovým riadiacim obvodom. Chráni pred akýmikoľvek poruchami na strane vysokého napätia, pretože aj keď dôjde k poškodeniu alebo zlyhaniu komponentov, izolačná bariéra bráni tomu, aby sa energia dostala k užívateľovi. Izolácia je povinná zo strany regulačných agentúr a bezpečnostných certifikačných orgánov, aby sa predišlo riziku úrazu elektrickým prúdom. Nižšie je uvedený súhrn dôvodov použitia a metód galvanického oddelenia v mnohých energetických aplikáciách.

·Zabráňte a bezpečne odolajte prepätiu vysokého napätia, ktoré poškodzuje zariadenie alebo ohrozuje ľudí.

·Chráňte drahé ovládače – inteligentné systémy

·Tolerujte veľké potenciálne rozdiely a deštruktívne zemné slučky v obvodoch s vysokou energiou alebo dlhými oddeleniami

· Spoľahlivo komunikujte s vysokonapäťovými komponentmi vo vysokom výkone

Riešenia

Obrázok 2. Neizolované a izolované

Sprievodca výberom ovládača izolovanej brány

Nasledujúci text vysvetľuje, ako vybrať ovládač izolovanej brány. Napríklad pre systém s nižším prevádzkovým napätím môže byť spínacie zariadenie priamo pripojené k regulátoru, pokiaľ je výdržné napätie regulátora v povolenom rozsahu. Ovládač brány je však bežnou súčasťou väčšiny výkonových meničov. Keďže riadiaci obvod pracuje pri nízkom napätí, ovládač nemôže poskytnúť dostatok energie na rýchle a bezpečné otvorenie alebo zatvorenie vypínača. Signál ovládača sa preto posiela do pohonu brány, ktorý je schopný zniesť vyšší výkon a dokáže poháňať bránu MOSFETu podľa potreby. Vo vysokovýkonných alebo vysokonapäťových aplikáciách sú komponenty v obvode vystavené veľkým výkyvom napätia a vysokým prúdom. Ak prúd uniká z výkonového tranzistora MOSFET do riadiaceho obvodu, vysoké napätie a prúd v obvode premeny výkonu môžu ľahko spáliť tranzistor a spôsobiť vážne poškodenie riadiaceho obvodu. Okrem toho aplikácie s vysokým výkonom musia mať galvanickú izoláciu medzi vstupom a výstupom, aby boli chránení používatelia a ďalšie zariadenia.

Rozsah napätia pohonu brány

Prevádzkové napätie meniča závisí od špecifikácií spínacieho prvku (ako je Si MOSFET alebo SiC MOSFET). Musí sa potvrdiť, že výstupné napätie meniča nepresahuje maximálnu hodnotu hradlového napätia spínacieho prvku.

Kladné napätie pohonu brány by malo byť dostatočne vysoké, aby sa zabezpečilo, že brána bude úplne zapnutá. Je tiež potrebné zabezpečiť, aby napätie pohonu neprekročilo absolútne maximálne napätie hradla. Si-MOSFET zvyčajne používajú budiace napätie +12V, +15V sa bežne používa na pohon SiC a hradlové napätie pre GaN je +5V. 0-Napätie V hradla môže udržať všetky zariadenia vo vypnutom stave. Všeobecne povedané, MOSFETy nevyžadujú pohon zápornej predpätia, ktorý sa niekedy používa pre MOSFETy SiC a GaN. V spínacích aplikáciách sa dôrazne odporúča použiť menič so záporným predpätím pre SiC a GaN MOSFET, pretože parazitná indukčnosť spôsobená neideálnym rozložením PCB počas vysokého prepínania di/dt a dv/dt môže spôsobiť zvonenie v napätí pohonu hradla výkonový tranzistor. Nasledujú použiteľné napätia pohonu brány pre každé spínacie zariadenie.

Schopnosť izolácie

Táto schopnosť je určená prevádzkovým napätím systému. Prevádzkové napätie systému je priamo úmerné izolačnej schopnosti. Jedným z kľúčových parametrov ovládača izolovanej brány je jej menovité napätie izolácie. Hodnota izolácie je navrhnutá tak, aby zabránila neočakávaným prechodným napätím poškodzovať iné obvody pripojené k napájaciemu zdroju, takže správna hodnota izolácie je kľúčom k ochrane používateľa pred potenciálne škodlivými výbojmi prúdu. Okrem toho toto hodnotenie chráni signály v prevodníku pred rušením šumom alebo neočakávanými prechodmi napätia v bežnom režime. Hodnota izolácie je zvyčajne vyjadrená ako množstvo napätia, ktoré môže izolačná bariéra odolať. Vo väčšine údajových listov ovládačov izolovaných brán je izolačné napätie uvedené ako parametre, ako je maximálne opakované špičkové izolačné napätie (VIORM), pracovné izolačné napätie (VIOWM), maximálne prechodové izolačné napätie (VIOTM), maximálne izolačné napätie prepätia (VIOSM) a RMS izolačné napätie (VISO). Čím vyššie je prevádzkové napätie systému, tým vyššia je potrebná izolačná schopnosť meniča.

Ovládače izolovaného hradla ON Semiconductor sú produkčne testované na testeri MPS (model MSPS-20).

Izolačná kapacita

Izolačná kapacita je parazitná kapacita medzi vstupnou a výstupnou stranou prevodníka. Z nasledujúceho vzorca môžeme vidieť, že izolačná kapacita je úmerná zvodovému prúdu.

Medzi nimi: Ileak: únikový prúd, fS: prevádzková frekvencia, CISO: izolačná kapacita. VSYS: prevádzkové napätie systému

Strata výkonu je úmerná zvodovému prúdu. Ak systém potrebuje pracovať pri vysokej prevádzkovej frekvencii a vysokom napätí, musíme venovať väčšiu pozornosť veľkosti izolačnej kapacity meniča, aby sme sa vyhli nadmernému nárastu teploty.

Prechodná imunita v bežnom režime (CMTI)

Prechodná imunita v bežnom režime (CMTI) je jednou z hlavných charakteristík spojených s ovládačmi izolovaných brán, najmä keď systém pracuje pri vysokých spínacích frekvenciách. Je to dôležité, pretože prechodné javy s vysokou rýchlosťou (vysokou frekvenciou) môžu narušiť prenos dát cez izolačnú bariéru. Kapacita cez izolačnú bariéru (tj medzi izolačnými zemnými rovinami) poskytuje cestu pre tieto rýchle prechodné javy, aby prekročili izolačnú bariéru a narušili výstupný tvar vlny. Jednotkou tohto charakteristického parametra je zvyčajne kV/us.

Ak CMTI nie je dostatočne vysoké, vysoký výkonový šum sa môže spojiť cez ovládač izolovaného hradla, čím sa vytvorí prúdová slučka a na spínacom hradle sa objaví náboj. Tento náboj, ak je dostatočne veľký, môže spôsobiť, že ovládač brány nesprávne interpretuje tento hluk ako signál pohonu a toto prestrelenie môže spôsobiť vážne zlyhanie obvodu.

Aktuálne možnosti disku

Čím vyšší je prúd hradla, ktorý je možné získať/utopiť v krátkom časovom úseku, tým kratší je čas spínania budiča hradla a tým nižšia je strata spínacieho výkonu v riadenom tranzistore.

Špičkové prúdy zdroja a odberu (ISOURCE a ISINK) by mali byť vyššie ako priemerné prúdy (IG, AV), ako je znázornené na obrázku 3.

Obrázok 3. Definícia aktuálnej funkcie disku

Pre každý menovitý prúd vodiča možno vypočítať približné maximálne nabitie brány QG, ​​ktoré je možné prepnúť za zobrazený čas, takto: Požadované menovité napätie vodiča závisí od toho, o koľko sa musí nabitie brány QG posunúť za aký čas spínania tSW−ON/ OFF, keďže priemerný prúd brány počas spínania je IG.

Kde tSW, ON/OFF predstavuje rýchlosť prepínania MOSFET. Ak nie je známy, začnite s 2 % spínacej periódy tSW.

Približné špičkové prúdy zdroja a záchytného prúdu budiča brány možno vypočítať pomocou nasledujúcich vzorcov.

Zapnuté (aktuálny zdroj)

Keď je vypnutý (klesajúci prúd)

Kde QG je nabíjanie brány pri VGS=VCC, tSW, ON/OFF=čas zapnutia/vypnutia, 1.5=empiricky určený faktor (ovplyvnený oneskoreniami cez vstupnú fázu vodiča a parazitické zložky)

Úvahy o hradlovom odpore

Pri dimenzovaní hradlového odporu je dôležité zvážiť zníženie vyzváňacieho napätia spôsobeného parazitnou indukčnosťou a kapacitou. Obmedzí to však aktuálnu kapacitu výstupu ovládača brány. Obmedzené hodnoty prúdovej kapacity v dôsledku zapínacích a vypínacích hradlových odporov možno získať pomocou nasledujúcich vzorcov.

Medzi nimi: ISOOURCE: špičkový zdrojový prúd, ISINK: špičkový klesajúci prúd, VOH: vysoký pokles výstupného napätia, VOL: nízky pokles výstupného napätia

Ovládače izolovanej brány ON Semiconductor

ON Semiconductor ponúka množstvo izolovaných hradlových ovládačov založených na integrovaných magneticky viazaných bezjadrových transformátoroch, vhodných pre aplikácie, kde sú spínacie rýchlosti veľmi vysoké a existujú obmedzenia veľkosti systému, a môžu spoľahlivo riadiť Si MOSFET a SiC FET.

Ponúkame funkčné a zosilnené izolačné produkty certifikované podľa UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 a CQC GB 4943.1. Naše izolované ovládače brán zahŕňajú priemyselné aj automobilové certifikované produkty.

Tieto ovládače s izolovanou bránou integrujú množstvo funkcií, aby vydržali vysoké úrovne CMTI, majú viacero možností UVLO a poskytujú rýchle oneskorenia šírenia (vrátane krátkych nesúladov oneskorenia) a minimálne skreslenie šírky impulzu.

Najmä pripravované nové produkty ON Semiconductor poskytnú jednoduchú metódu na generovanie zápornej odchýlky v slučke hradla, ktorá je vhodná na riadenie SiC MOSFET. Táto negatívna odchýlka je užitočná, ak rozloženie dosky plošných spojov a/alebo vodiče obalu vytvárajú vysoké zvonenie vo výkonovom tranzistore Vg. Toto zvonenie hradlového napätia sa zvyčajne vyskytuje pri vysokom prepínaní di/dt a dv/dt. Aby sa zvonenie udržalo pod prahovým napätím, aby sa zabránilo falošnému zapnutiu, na ovládač brány sa zvyčajne aplikuje záporné predpätie. K dispozícii sú rôzne možnosti generovania -2V, -3V, -4V a -5V, aby vyhovovali všetkým konfiguráciám. Izolované hradlové ovládače ON Semiconductor sú dostupné v rôznych variantoch balíkov vrátane malých variantov LGA a SOIC 8-pin to 16-pin.

Nižšie sú uvedené kľúčové vlastnosti, elektrické špecifikácie a bezpečnostné certifikácie rodiny ovládačov izolovaných brán ON Semiconductor.

Tabuľka 1.

- Vo vývoji

- Voliteľné, dostupné na požiadanie

- Plánované

Izolované nástroje na podporu ovládača brány

Všetky súvisiace dokumenty pre ovládače galvanicky oddelených brán sú k dispozícii na domovskej stránke ON Semiconductor, vrátane údajových listov, návrhových a vývojových nástrojov, simulačných modelov, aplikačných poznámok, dokumentácie hodnotiacej rady, správ o zhode atď.

Medzi hlavné súvisiace ovládače patria:

● NCP51560

● NCP51561 和 NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563