Designriktlinjer för användning av isolerade gate-drivrutiner

Den tredelade designguiden förklarar hur man väljer lämplig isolerad grinddrivrutin för kraftomkopplingsenheter i kraftelektroniktillämpningar och delar med sig av praktisk erfarenhet. Den här artikeln är den första delen, huvudsakligen inklusive introduktionen och urvalsguiden för isolerade grinddrivrutiner.

Referensadress för denna artikel:

ON Semiconductors isolerade gate-drivrutiner är designade för att möta de maximala omkopplingshastigheter och systemstorleksbegränsningar som krävs av teknologier som SiC (kiselkarbid) och GaN (galliumnitrid) för att ge tillförlitlig kontroll av MOSFET:er. Många designers inom kraftelektronikbranschen har lång erfarenhet av att arbeta med Si MOSFET, SiC och GaN MOSFET och är expertanvändare. Systemtillverkare är allt mer intresserade av att förbättra energieffektiviteten i sina konstruktioner. För att uppnå en ledande position på marknaden är kombinationen av hög energieffektivitet och låg kostnad avgörande. Ur ett halvledarmaterialperspektiv har området gjort betydande framsteg, och det finns nu produkter som kan växla med höga hastigheter, vilket ökar effektiviteten på systemnivå samtidigt som storleken minskar.

Isolerade grinddrivrutiner--Vad är de, varför används de och hur fungerar de?

Power MOSFETs är spänningsstyrda enheter som används som kopplingselement i kraftkretsar, motordrivningar och andra system. Grinden är den elektriskt isolerade kontrollterminalen för varje enhet. De andra terminalerna på en MOSFET är source och drain.

För att kunna driva en MOSFET måste en spänning vanligtvis appliceras på grinden (i motsats till källan eller sändaren). En dedikerad drivrutin används för att lägga spänning på gate av kraftenheten och tillhandahålla drivström.

Gate-drivrutiner används för att slå på och stänga av strömenheter. För att göra detta laddar gate-drivaren gate-enheten till kraftenheten till den slutliga startspänningen VGS(ON), eller så laddar drivkretsen ur grinden till den slutliga avstängningsspänningen VGS(OFF). För att konvertera mellan de två grindspänningsnivåerna försvinner en del effekt i slingan mellan grinddrivaren, grindmotståndet och kraftenheten.

Idag använder högfrekvensomvandlare för låg- och medeleffekttillämpningar primärt styrenheter för grindspänning såsom MOSFETs.

För applikationer med hög effekt är de bästa enheterna som för närvarande används kiselkarbid (SiC) MOSFETs, som kräver högre drivströmmar för att snabbt slå på/stänga av dessa strömbrytare. Gate-drivrutiner är inte bara lämpliga för MOSFET, utan också för nya enheter i det breda bandgap som endast ett fåtal personer känner till, såsom kiselkarbid (SiC) FET och galliumnitrid (GaN) FET.

En grinddrivenhet är en effektförstärkare som accepterar insignal från en styrenhets IC och genererar en lämplig hög ström för att driva grinden till en effektomkopplingsanordning.

Följande är en kort sammanfattning av anledningarna till att använda grinddrivrutiner:

Gate drive impedans

Funktionen hos grinddrivrutinen är att snabbt slå på och av strömenheter för att minska förlusterna. För att undvika korsledningsförluster orsakade av Miller-effekten eller långsam växling under vissa belastningar måste föraren etablera från-tillståndet med en lägre impedans än på-tillståndet på den motsatta transistorn. Negativ grinddriftsmarginal spelar en viktig roll för att minska dessa förluster.

Källinduktans

Detta är induktansen som delas av gate-drivströmslingan och utgångsströmslingan. Negativ grinddrivspänningsmarginal kombinerad med källledningsinduktans har en direkt inverkan på kopplingshastigheten för utgången under belastning, vilket är källförsämringseffekten av källinduktansen (källledningsinduktansen kopplar utgångsströmbrytaren tillbaka till gatedriften, och därigenom sakta ner portdriften).

Grinddrivenheten applicerar en spänningssignal (VGS) mellan grinden (G) och källan (S) för kraft-MOSFET samtidigt som den levererar en högströmspuls, som visas i figur 1.

·Möjliggör snabb laddning/urladdning av CGS och CGD

·Snabb på/av power MOSFET

Figur 1. Grinddrivningsströmväg

Varför galvanisk isolering?

Högeffektstillämpningar kräver galvanisk isolering för att förhindra att farliga jordslingor utlöses, vilket kan orsaka brus, vilket gör att jordarna för de två kretsarna har olika potential och därmed äventyrar systemets säkerhet. Strömmarna i sådana system kan vara dödliga för människor, så den högsta säkerhetsnivån måste säkerställas. Elektrisk eller galvanisk isolering hänvisar till det tillstånd där ingen likström cirkulerar mellan två punkter vid olika potentialer.

Närmare bestämt, i det galvaniska isoleringstillståndet är det omöjligt att flytta bärare från en punkt till en annan, men elektrisk energi (eller signaler) kan fortfarande utbytas genom andra fysiska fenomen som elektromagnetisk induktion, kapacitiv koppling eller ljus. Detta tillstånd är ekvivalent med ett oändligt motstånd mellan de två punkterna; i praktiken räcker det med motstånd upp till ca 100 MΩ. Om skadan är begränsad till de elektroniska komponenterna är säkerhetsisolering kanske inte nödvändig, men om mänsklig aktivitet är inblandad på styrsidan krävs galvanisk isolering mellan högeffektsidan och lågspänningsstyrkretsen. Den skyddar mot eventuella fel på högspänningssidan, för även om det finns skador eller fel på komponenter, hindrar isoleringsbarriären strömmen från att nå användaren. Isolering är obligatoriskt av tillsynsmyndigheter och säkerhetscertifieringsorgan för att förhindra risken för elektriska stötar. Nedan följer en sammanfattning av anledningarna till användningen och metoderna för galvanisk isolering i många krafttillämpningar.

·Förhindra och motstå på ett säkert sätt högspänningsöverspänningar som skadar utrustning eller utsätter människor för fara.

·Skydda dyra styrenheter - smarta system

·Tål stora potentialskillnader och destruktiva jordslingor i kretsar med hög energi eller långa separationer

· Kommunicera tillförlitligt med komponenter med hög spänning i hög spänning och hög prestanda

Lösningar

Figur 2. Icke-isolerade och isolerade

Val av drivrutin för isolerade portar

Följande förklarar hur man väljer en isolerad grinddrivrutin. Till exempel, för ett system med en lägre driftspänning, kan omkopplingsanordningen anslutas direkt till styrenheten så länge som styrenhetens motståndsspänning ligger inom det tillåtna området. Dock är grinddrivrutinen en vanlig komponent i de flesta strömomvandlare. Eftersom styrkretsen arbetar med låg spänning kan styrenheten inte ge tillräckligt med ström för att snabbt och säkert öppna eller stänga strömbrytaren. Därför skickas styrenhetens signal till grinddrivrutinen, som klarar av högre effekt och kan driva MOSFET:ens grind efter behov. I högeffekts- eller högspänningsapplikationer utsätts komponenterna i kretsen för stora spänningsavvikelser och höga strömmar. Om ström läcker från effekt-MOSFET till styrkretsen, kan högspänningen och strömmen i effektomvandlingskretsen lätt bränna ut transistorn, vilket orsakar allvarligt haveri i styrkretsen. Dessutom måste högeffektapplikationer ha galvanisk isolering mellan ingång och utgång för att skydda användare och andra enheter.

Gate Drive spänningsområde

Omvandlarens driftspänning beror på kopplingselementets specifikationer (som Si MOSFET eller SiC MOSFET). Det måste bekräftas att omvandlarens utspänning inte överstiger det maximala värdet för gate-spänningen för omkopplingselementet.

Den positiva spänningen hos grinddrivrutinen bör vara tillräckligt hög för att säkerställa att grinden är helt påslagen. Det är också nödvändigt att säkerställa att drivspänningen inte överstiger den absoluta maximala grindspänningen. Si-MOSFETs använder vanligtvis en drivspänning på +12V, +15V används vanligtvis för att driva SiC, och gate-spänningen för GaN är +5V. En 0-V-gate-spänning kan hålla alla enheter i avstängt läge. Generellt sett kräver MOSFETs inte negativ bias gate drive, vilket ibland används för SiC och GaN MOSFETs. I omkopplingstillämpningar rekommenderas det starkt att använda negativ förspänningsstyrning för SiC- och GaN MOSFET-enheter eftersom parasitisk induktans som introduceras av icke-ideal PCB-layout under hög di/dt- och dv/dt-omkoppling kan orsaka ringsignaler i grindkällans drivspänning på krafttransistorn. Följande är tillämpliga grinddrivspänningar för varje omkopplingsenhet.

Isoleringsförmåga

Denna förmåga bestäms av systemets driftsspänning. Systemets driftspänning är direkt proportionell mot isoleringsförmågan. En av nyckelparametrarna för en isolerad grinddrivrutin är dess isoleringsspänningsklassificering. Isolationsklassningen är utformad för att förhindra att oväntade spänningstransienter skadar andra kretsar som är anslutna till strömförsörjningen, så att ha rätt isoleringsklass är nyckeln till att skydda användaren från potentiellt skadliga strömurladdningar. Dessutom skyddar denna klassificering signalerna i omvandlaren från att störas av brus eller oväntade spänningstransienter i common-mode. Isolationsvärdet uttrycks vanligtvis som mängden spänning som isoleringsbarriären tål. I de flesta isolerade grinddrivrutindatablad listas isolationsspänningen som parametrar som maximal repetitiv toppisoleringsspänning (VIORM), arbetsisoleringsspänning (VIOWM), maximal transient isolationsspänning (VIOTM), maximal överspänningsisoleringsspänning (VIOSM) och RMS isolationsspänning (VISO). Ju högre systemdriftspänning, desto högre isoleringsförmåga krävs för omvandlaren.

ON Semiconductors isolerade grinddrivrutiner är produktionstestade på en MPS-testare (modell MSPS-20).

Isolationskapacitans

Isolationskapacitansen är den parasitiska kapacitansen mellan ingångs- och utgångssidan av omvandlaren. Från följande formel kan vi se att isoleringskapacitansen är proportionell mot läckströmmen.

Bland dem: Iläckage: läckström, fS: driftfrekvens, CISO: isoleringskapacitans. VSYS: systemdriftspänning

Effektförlusten är proportionell mot läckströmmen. Om systemet behöver arbeta med hög driftsfrekvens och hög spänning måste vi vara mer uppmärksamma på storleken på omvandlarens isoleringskapacitans för att undvika överdriven temperaturökning.

Common-mode övergående immunitet (CMTI)

Common-mode transient immunity (CMTI) är en av de viktigaste egenskaperna förknippade med isolerade grinddrivrutiner, speciellt när systemet arbetar med höga switchfrekvenser. Detta är viktigt eftersom transienter med hög svänghastighet (högfrekventa) kan korrumpera dataöverföring över isoleringsbarriären. Kapacitansen över isoleringsbarriären (dvs. mellan isoleringsjordplanen) tillhandahåller en väg för dessa snabba transienter att korsa isoleringsbarriären och korrumpera utgångsvågformen. Enheten för denna karakteristiska parameter är vanligtvis kV/uS.

Om CMTI inte är tillräckligt hög kan högeffektsbrus kopplas över den isolerade grinddrivrutinen, vilket skapar en strömslinga och orsakar att laddning uppstår vid switchgate. Denna laddning, om den är tillräckligt stor, kan orsaka att grinddrivaren misstolkar detta brus som en drivsignal, och denna genomgång kan orsaka allvarliga kretsfel.

Aktuella överväganden om körkapacitet

Ju högre gate-ström som kan hämtas/sänkas under en kort tidsperiod, desto kortare växlingstid för gate-drivaren och desto lägre växlingseffektförlust i den drivna transistorn.

Toppströmmarna för källan och sänkningen (ISOURCE och ISINK) bör vara högre än medelströmmarna (IG, AV), som visas i figur 3.

Figur 3. Definition av aktuell drivenhetskapacitet

För varje förarströmsklassificering kan den ungefärliga maximala grindladdningen QG som kan kopplas om under den visade tiden beräknas enligt följande: Den erforderliga förarströmstyrkan beror på hur mycket grindladdning QG som måste flyttas under hur mycket omkopplingstid tSW−ON/ AV, eftersom den genomsnittliga grindströmmen under omkoppling är IG.

Där tSW,ON/OFF representerar hur snabbt MOSFET ska växlas. Om okänd, börja med 2% av växlingsperioden tSW.

Ungefärliga grinddrivares toppkälla och sjunkströmmar kan beräknas med hjälp av följande formler.

På (Källaktuell)

När avstängd (sjunkande ström)

Där QG är grindladdningen vid VGS=VCC, tSW, ON/OFF=på/av-tid, 1.5=empiriskt bestämd faktor (påverkas av fördröjningar genom förarinmatningssteget och parasitkomponenter)

Överväganden mot grindmotstånd

När du dimensionerar grindmotståndet är det viktigt att överväga att minska ringspänningen som orsakas av parasitisk induktans och kapacitans. Det kommer dock att begränsa strömkapaciteten hos grinddrivrutinen. De begränsade strömkapacitetsvärdena på grund av till- och frånslagsmotstånden kan erhållas med hjälp av följande formler.

Bland dem: ISOOURCE: toppström, ISINK: toppström, VOH: högnivåutgångsspänningsfall, VOL: lågnivåutgångsspänningsfall

ON Semiconductors Isolated Gate-drivrutiner

ON Semiconductor erbjuder en mängd olika isolerade grinddrivrutiner baserade på integrerade magnetiskt kopplade kärnlösa transformatorer, lämpliga för applikationer där omkopplingshastigheterna är mycket höga och systemstorleksbegränsningar finns, och kan på ett tillförlitligt sätt styra Si MOSFET och SiC FET.

Vi erbjuder funktionella och förstärkta isoleringsprodukter certifierade enligt UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 och CQC GB 4943.1. Våra isolerade grinddrivrutiner inkluderar både industri- och fordonscertifierade produkter.

Dessa isolerade gate-drivrutiner integrerar en mängd funktioner för att motstå höga CMTI-nivåer, har flera UVLO-alternativ och ger snabba utbredningsfördröjningar (inklusive korta fördröjningsfelmatchningar) och minimal pulsbreddsdistorsion.

I synnerhet kommer ON Semiconductors kommande nya produkter att tillhandahålla en enkel metod för att generera negativ förspänning i gate-drivslingan, lämplig för att driva SiC MOSFETs. Denna negativa förspänning är användbar om PCB-layouten och/eller paketledarna skapar hög ringsignal i effekttransistorn Vg. Denna grindspänningsringning sker typiskt under höga di/dt- och dv/dt-omkopplingsförhållanden. För att hålla ringsignalen under tröskelspänningen för att förhindra falsk påslagning, appliceras typiskt en negativ förspänning på grinddrivaren. Det finns olika alternativ för att generera -2V, -3V, -4V och -5V för att passa alla konfigurationer. ON Semiconductors drivrutiner för isolerade grindar finns tillgängliga i en mängd olika paketalternativ, inklusive små LGA- och SOIC 8-pin till 16-pin-varianter.

Nedan är nyckelfunktionerna, elektriska specifikationer och säkerhetsrelaterade certifieringar för ON Semiconductor-familjen med isolerade grindar.

Tabell 1.

– Under utveckling

- Tillval, tillgänglig på begäran

- Planerad

Isolerade gate drivrutin stödverktyg

Alla relaterade dokument för drivrutiner för galvaniskt isolerade grindar är tillgängliga på ON Semiconductors hemsida, inklusive datablad, design- och utvecklingsverktyg, simuleringsmodeller, applikationsnoteringar, utvärderingstavladokumentation, efterlevnadsrapporter, etc.

Huvudrelaterade drivrutiner inkluderar:

● NCP51560

● NCP51561 och NCV51561

● NCP51563 och NCV51563