Ontwerprichtlijnen voor het gebruik van geïsoleerde poortaandrijvingen

De driedelige ontwerphandleiding legt uit hoe u de juiste geïsoleerde gatedriver voor vermogensschakelapparaten in vermogenselektronicatoepassingen selecteert en deelt praktische ervaringen. Dit artikel is het eerste deel, met voornamelijk de introductie en selectiehandleiding van geïsoleerde gatedrivers.

Referentieadres van dit artikel:

De geïsoleerde gate drivers van ON Semiconductor zijn ontworpen om te voldoen aan de maximale schakelsnelheid en systeemgroottebeperkingen die vereist zijn door technologieën zoals SiC (siliciumcarbide) en GaN (galliumnitride) om betrouwbare controle van MOSFET's te bieden. Veel ontwerpers in de vermogenselektronica-industrie hebben uitgebreide ervaring met Si MOSFET's, SiC en GaN MOSFET's en zijn deskundige gebruikers. Systeemfabrikanten zijn steeds meer geïnteresseerd in het verbeteren van de energie-efficiëntie van hun ontwerpen. Om een ​​leidende positie in de markt te bereiken, is de combinatie van hoge energie-efficiëntie en lage kosten cruciaal. Vanuit het perspectief van halfgeleidermaterialen heeft het veld aanzienlijke vooruitgang geboekt en zijn er nu producten die in staat zijn om op hoge snelheden te schakelen, waardoor de efficiëntie op systeemniveau wordt verhoogd en de grootte wordt verkleind.

Geïsoleerde poortaandrijvingen--Wat zijn ze, waarom worden ze gebruikt en hoe werken ze?

Power MOSFET's zijn spanningsgestuurde apparaten die worden gebruikt als schakelelementen in vermogenscircuits, motoraandrijvingen en andere systemen. De gate is de elektrisch geïsoleerde besturingsterminal van elk apparaat. De andere terminals van een MOSFET zijn source en drain.

Om een ​​MOSFET te laten werken, moet er doorgaans een spanning op de gate worden toegepast (in tegenstelling tot de bron of emitter). Een speciale driver wordt gebruikt om spanning op de gate van het vermogensapparaat toe te passen en aandrijfstroom te leveren.

Gate drivers worden gebruikt om stroomapparaten in en uit te schakelen. Om dit te doen, laadt de gate driver de gate van het stroomapparaat op tot de uiteindelijke inschakelspanning VGS(ON), of ontlaadt het drivercircuit de gate tot de uiteindelijke uitschakelspanning VGS(OFF). Om tussen de twee gate-spanningsniveaus te converteren, wordt er wat vermogen gedissipeerd in de lus tussen de gate driver, gate-weerstand en stroomapparaat.

Tegenwoordig maken hoogfrequentomvormers voor toepassingen met een laag en gemiddeld vermogen voornamelijk gebruik van gate-spanningsregelapparaten zoals MOSFET's.

Voor toepassingen met een hoog vermogen zijn de beste apparaten die momenteel worden gebruikt siliciumcarbide (SiC) MOSFET's, die hogere aandrijfstromen nodig hebben om deze vermogensschakelaars snel aan/uit te zetten. Gate drivers zijn niet alleen geschikt voor MOSFET's, maar ook voor nieuwe apparaten in de brede bandgap waarvan momenteel maar weinig mensen op de hoogte zijn, zoals siliciumcarbide (SiC) FET's en galliumnitride (GaN) FET's.

Een gatedriver is een vermogensversterker die invoer van een controller-IC accepteert en een geschikte hoge stroom genereert om de gate van een vermogensschakelapparaat aan te sturen.

Hieronder volgt een korte samenvatting van de redenen om gate drivers te gebruiken:

Poortaandrijvingsimpedantie

De functie van de gate driver is om snel apparaten aan en uit te zetten om verliezen te verminderen. Om kruisgeleidingsverliezen te voorkomen die worden veroorzaakt door het Miller-effect of langzaam schakelen onder bepaalde belastingen, moet de driver de off-state instellen met een lagere impedantie dan de on-state op de tegenoverliggende transistor. Negatieve gate drive-marge speelt een belangrijke rol bij het verminderen van deze verliezen.

Broninductie

Dit is de inductantie die wordt gedeeld door de gate driver current loop en de output current loop. Negatieve gate drive voltage marge gecombineerd met source lead inductantie heeft een directe impact op de schakelsnelheid van de output onder belasting, wat het source degradatie effect is van de source inductantie (source lead inductantie koppelt de output switching stroom terug naar de gate drive, waardoor de gate drive wordt vertraagd).

De gatedriver past een spanningssignaal (VGS) toe tussen de gate (G) en de source (S) van de power MOSFET en levert tegelijkertijd een hoge stroompuls, zoals weergegeven in Figuur 1.

·Snel opladen/ontladen van CGS en CGD mogelijk maken

·Snelle aan/uit-stroom-MOSFET

Figuur 1. Stroompad van de poortaandrijving

Waarom galvanische isolatie?

Toepassingen met een hoog vermogen vereisen galvanische isolatie om te voorkomen dat gevaarlijke aardlussen worden geactiveerd, die ruis kunnen veroorzaken, waardoor de aardingen van de twee circuits op verschillende potentialen komen te staan ​​en zo de veiligheid van het systeem in gevaar brengen. De stromen in dergelijke systemen kunnen dodelijk zijn voor mensen, dus moet het hoogste veiligheidsniveau worden gegarandeerd. Elektrische of galvanische isolatie verwijst naar de toestand waarin er geen DC-stroom circuleert tussen twee punten op verschillende potentialen.

Preciezer gezegd, in de galvanische isolatietoestand is het onmogelijk om dragers van het ene punt naar het andere te verplaatsen, maar elektrische energie (of signalen) kan nog steeds worden uitgewisseld via andere fysieke verschijnselen zoals elektromagnetische inductie, capacitieve koppeling of licht. Deze toestand is gelijk aan een oneindige weerstand tussen de twee punten; in de praktijk zijn weerstanden tot ongeveer 100 MΩ voldoende. Als de schade beperkt blijft tot de elektronische componenten, is veiligheidsisolatie mogelijk niet nodig, maar als er menselijke activiteit aan de besturingszijde is, is galvanische isolatie vereist tussen de hoogvermogenzijde en het laagspanningsregelcircuit. Het beschermt tegen eventuele storingen aan de hoogspanningszijde, want zelfs als er schade of uitval van componenten is, voorkomt de isolatiebarrière dat de stroom de gebruiker bereikt. Isolatie is verplicht door regelgevende instanties en veiligheidscertificeringsinstanties om het risico op elektrische schokken te voorkomen. Hieronder volgt een samenvatting van de redenen voor gebruik en de methoden van galvanische isolatie in veel vermogenstoepassingen.

·Voorkom en weersta veilig hoge spanningspieken die apparatuur beschadigen of mensen in gevaar brengen.

·Bescherm dure controllers - slimme systemen

·Tolereer grote potentiaalverschillen en destructieve aardlussen in circuits met hoge energie of lange scheidingen

·Communiceer betrouwbaar met high-side componenten in hoogspannings- en prestatiegerichte systemen

Oplossingen

Figuur 2. Niet-geïsoleerd en geïsoleerd

Selectiegids voor geïsoleerde poortdrivers

Hieronder wordt uitgelegd hoe u een geïsoleerde gate driver selecteert. Bijvoorbeeld, voor een systeem met een lagere bedrijfsspanning kan het schakelapparaat direct worden aangesloten op de controller, zolang de weerstandsspanning van de controller binnen het toegestane bereik ligt. De gate driver is echter een veelvoorkomend onderdeel in de meeste vermogensomvormers. Omdat het regelcircuit op een lage spanning werkt, kan de controller niet genoeg vermogen leveren om de vermogensschakelaar snel en veilig te openen of te sluiten. Daarom wordt het signaal van de controller naar de gate driver gestuurd, die een hoger vermogen kan weerstaan ​​en de gate van de MOSFET indien nodig kan aansturen. In toepassingen met hoog vermogen of hoge spanning worden de componenten in het circuit blootgesteld aan grote spanningsafwijkingen en hoge stromen. Als er stroom lekt van de vermogens-MOSFET naar het regelcircuit, kunnen de hoge spanning en stroom in het vermogensomzettingscircuit de transistor gemakkelijk doorbranden, wat een ernstige storing van het regelcircuit veroorzaakt. Bovendien moeten toepassingen met hoog vermogen galvanische isolatie hebben tussen de ingang en uitgang om gebruikers en andere apparaten te beschermen.

Spanningsbereik van de poortaandrijving

De bedrijfsspanning van de omvormer is afhankelijk van de specificaties van het schakelelement (zoals Si MOSFET of SiC MOSFET). Er moet worden bevestigd dat de uitgangsspanning van de omvormer de maximale waarde van de gatespanning van het schakelelement niet overschrijdt.

De positieve spanning van de gate driver moet hoog genoeg zijn om ervoor te zorgen dat de gate volledig is ingeschakeld. Het is ook nodig om ervoor te zorgen dat de drive spanning de absolute maximale gate spanning niet overschrijdt. Si-MOSFET's gebruiken doorgaans een drive spanning van +12V, +15V wordt vaak gebruikt om SiC aan te sturen en de gate spanning voor GaN is +5V. Een 0-V gate spanning kan alle apparaten in de uit-stand houden. Over het algemeen hebben MOSFET's geen negatieve bias gate drive nodig, wat soms wordt gebruikt voor SiC en GaN MOSFET's. In schakeltoepassingen wordt het ten zeerste aanbevolen om negatieve bias gate drive te gebruiken voor SiC en GaN MOSFET's omdat parasitaire inductie die wordt geïntroduceerd door een niet-ideale PCB lay-out tijdens hoge di/dt en dv/dt schakeling, kan leiden tot ringing in de gate-source drive spanning van de vermogenstransistor. De volgende zijn toepasselijke gate drive spanningen voor elk schakelapparaat.

Isolatievermogen

Deze capaciteit wordt bepaald door de bedrijfsspanning van het systeem. De bedrijfsspanning van het systeem is recht evenredig met de isolatiecapaciteit. Een van de belangrijkste parameters van een geïsoleerde gatedriver is de isolatiespanningsclassificatie. De isolatieclassificatie is ontworpen om te voorkomen dat onverwachte spanningspieken andere circuits beschadigen die op de voeding zijn aangesloten, dus de juiste isolatieclassificatie is essentieel om de gebruiker te beschermen tegen mogelijk schadelijke stroomontladingen. Bovendien beschermt deze classificatie de signalen in de converter tegen verstoring door ruis of onverwachte common-mode spanningspieken. De isolatiewaarde wordt meestal uitgedrukt als de hoeveelheid spanning die de isolatiebarrière kan weerstaan. In de meeste geïsoleerde gatedriver-datasheets wordt de isolatiespanning vermeld als parameters zoals maximale repetitieve piekisolatiespanning (VIORM), werkisolatiespanning (VIOWM), maximale transiënte isolatiespanning (VIOTM), maximale piekisolatiespanning (VIOSM) en RMS-isolatiespanning (VISO). Hoe hoger de bedrijfsspanning van het systeem, hoe hoger de isolatiecapaciteit van de converter vereist is.

De geïsoleerde gate drivers van ON Semiconductor worden in productie getest op een MPS-tester (model MSPS-20).

Isolatiecapaciteit

De isolatiecapaciteit is de parasitaire capaciteit tussen de invoer- en uitvoerzijden van de converter. Uit de volgende formule kunnen we zien dat de isolatiecapaciteit evenredig is met de lekstroom.

Daaronder vallen: Ileak: lekstroom, fS: werkfrequentie, CISO: isolatiecapaciteit. VSYS: systeemwerkspanning.

Vermogensverlies is evenredig met lekstroom. Als het systeem op een hoge werkfrequentie en hoge spanning moet werken, moeten we meer aandacht besteden aan de grootte van de isolatiecapaciteit van de converter om overmatige temperatuurstijging te voorkomen.

Common-mode transient immuniteit (CMTI)

Common-mode transient immunity (CMTI) is een van de belangrijkste kenmerken die geassocieerd worden met geïsoleerde gate drivers, vooral wanneer het systeem werkt op hoge schakelfrequenties. Dit is belangrijk omdat transiënten met een hoge slew rate (hoge frequentie) de gegevensoverdracht over de isolatiebarrière kunnen verstoren. De capaciteit over de isolatiebarrière (d.w.z. tussen de isolatiegrondvlakken) biedt een pad voor deze snelle transiënten om de isolatiebarrière te passeren en de uitvoergolfvorm te verstoren. De eenheid van deze karakteristieke parameter is meestal kV/uS.

Als CMTI niet hoog genoeg is, kan hoogvermogenruis over de geïsoleerde gatedriver heen koppelen, waardoor een stroomlus ontstaat en lading bij de switchgate verschijnt. Als deze lading groot genoeg is, kan de gatedriver deze ruis verkeerd interpreteren als een aandrijfsignaal, en deze shoot-through kan leiden tot ernstige circuitstoringen.

Huidige overwegingen met betrekking tot de capaciteit van de aandrijving

Hoe hoger de gatestroom die in een korte tijd kan worden gegenereerd/geconverteerd, hoe korter de schakeltijd van de gatedriver en hoe lager het schakelvermogensverlies in de aangestuurde transistor.

De piekbron- en -putstromen (ISOURCE en ISINK) moeten hoger zijn dan de gemiddelde stromen (IG, AV), zoals weergegeven in Figuur 3.

Figuur 3. Definitie van de huidige aandrijfcapaciteit

Voor elke driver-stroomsterkte kan de geschatte maximale gate-lading QG die in de weergegeven tijd kan worden geschakeld, als volgt worden berekend: De vereiste driver-stroomsterkte is afhankelijk van hoeveel gate-lading QG moet worden verplaatst in welke schakeltijd tSW−AAN/UIT, aangezien de gemiddelde gate-stroom tijdens het schakelen IG is.

Waar tSW,ON/OFF aangeeft hoe snel de MOSFET moet worden geschakeld. Indien onbekend, begin met 2% van de schakelperiode tSW.

De geschatte piekbron- en -putstromen van de gatedriver kunnen worden berekend met behulp van de volgende formules.

Aan (Bronstroom)

Wanneer uitgeschakeld (zinkende stroom)

Waarbij QG de poortlading is bij VGS=VCC, tSW, AAN/UIT=in-/uitschakeltijd, 1.5=empirisch bepaalde factor (beïnvloed door vertragingen via de driver-ingangstrap en parasitaire componenten)

Overwegingen met betrekking tot poortweerstand

Bij het dimensioneren van de gate-weerstand is het belangrijk om rekening te houden met het verminderen van de ringspanning die wordt veroorzaakt door parasitaire inductie en capaciteit. Het zal echter de stroomcapaciteit van de gate-driveruitgang beperken. De beperkte stroomcapaciteitswaarden vanwege de turn-on en turn-off gate-weerstanden kunnen worden verkregen met behulp van de volgende formules.

Daaronder: ISOOURCE: piekbronstroom, ISINK: piekzinkstroom, VOH: hoge uitgangsspanningsval, VOL: lage uitgangsspanningsval

Geïsoleerde gate-drivers van ON Semiconductor

ON Semiconductor biedt een verscheidenheid aan geïsoleerde gatedrivers op basis van geïntegreerde magnetisch gekoppelde kernloze transformatoren. Deze zijn geschikt voor toepassingen waarbij de schakelsnelheden zeer hoog zijn en er beperkingen zijn wat betreft de systeemgrootte. Bovendien kunnen ze op betrouwbare wijze Si MOSFET's en SiC FET's aansturen.

Wij bieden functionele en versterkte isolatieproducten aan die gecertificeerd zijn volgens UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 en CQC GB 4943.1. Onze geïsoleerde gate-drivers omvatten zowel industriële als automotive gecertificeerde producten.

Deze geïsoleerde gatedrivers integreren diverse functies om hoge CMTI-niveaus te weerstaan, hebben meerdere UVLO-opties en bieden snelle voortplantingsvertragingen (inclusief korte vertragingsmismatches) en minimale pulsbreedtevervorming.

Met name de nieuwe producten van ON Semiconductor bieden een eenvoudige methode om negatieve bias te genereren in de gate-aandrijflus, geschikt voor het aansturen van SiC MOSFET's. Deze negatieve bias is handig als de PCB-lay-out en/of de pakketleidingen een hoge ringing in de vermogenstransistor Vg veroorzaken. Deze gate-spanningsringing treedt doorgaans op onder hoge di/dt- en dv/dt-schakelomstandigheden. Om de ringing onder de drempelspanning te houden en zo valse inschakeling te voorkomen, wordt doorgaans een negatieve bias toegepast op de gate-driver. Er zijn verschillende opties beschikbaar om -2V, -3V, -4V en -5V te genereren voor alle configuraties. De geïsoleerde gate-drivers van ON Semiconductor zijn verkrijgbaar in verschillende pakketopties, waaronder kleine LGA- en SOIC 8-pin-naar-16-pin-varianten.

Hieronder vindt u de belangrijkste kenmerken, elektrische specificaties en veiligheidsgerelateerde certificeringen van de geïsoleerde gate-driverfamilie van ON Semiconductor.

Tabel 1.

- In ontwikkeling

- Optioneel, op aanvraag beschikbaar

- Gepland

Geïsoleerde gate driver ondersteuningstools

Alle gerelateerde documenten voor galvanisch geïsoleerde gate-drivers zijn beschikbaar op de homepage van ON Semiconductor, inclusief datasheets, ontwerp- en ontwikkeltools, simulatiemodellen, toepassingsnotities, evaluatieborddocumentatie, conformiteitsrapporten, enz.

De belangrijkste gerelateerde factoren zijn:

● NCP51560

● NCP51561 en NCV51561

● NCP51563 en NCV51563