Указания за проектиране за използване на драйвери за изолирани порти

Ръководството за проектиране от три части обяснява как да изберете подходящия драйвер за изолиран порт за устройства за превключване на мощността в приложения на силова електроника и споделя практически опит. Тази статия е първата част, включваща главно въведението и ръководството за избор на драйвери за изолирани порти.

Референтен адрес на тази статия:

Изолираните гейт драйвери на ON Semiconductor са проектирани да отговарят на максималната скорост на превключване и ограниченията на размера на системата, изисквани от технологии като SiC (силициев карбид) и GaN (галиев нитрид), за да осигурят надежден контрол на MOSFETs. Много дизайнери в индустрията на силовата електроника имат богат опит в работата с Si MOSFET, SiC и GaN MOSFET и са опитни потребители. Производителите на системи все повече се интересуват от подобряване на енергийната ефективност на своите проекти. За постигане на водеща позиция на пазара комбинацията от висока енергийна ефективност и ниска цена е от решаващо значение. От гледна точка на полупроводниковите материали областта е постигнала значителен напредък и вече има продукти, способни да превключват при високи скорости, като по този начин повишават ефективността на системно ниво, като същевременно намаляват размера.

Драйвери за изолирани порти--Какви са те, защо се използват и как работят?

Мощните MOSFET са устройства с управление на напрежението, използвани като превключващи елементи в силови вериги, моторни задвижвания и други системи. Портата е електрически изолиран контролен терминал на всяко устройство. Другите терминали на MOSFET са източник и изтичане.

За да работи MOSFET, обикновено трябва да се приложи напрежение към портата (за разлика от източника или излъчвателя). Специален драйвер се използва за прилагане на напрежение към портата на захранващото устройство и осигуряване на задвижващ ток.

Шлюзовите драйвери се използват за включване и изключване на захранващи устройства. За да направи това, драйверът на гейта зарежда гейта на захранващото устройство до крайното напрежение на включване VGS(ON) или веригата на драйвера разрежда порта до крайното напрежение на изключване VGS(OFF). За преобразуване между двете нива на напрежение на портата, малко мощност се разсейва в контура между драйвера на портата, резистора на портата и захранващото устройство.

Днес високочестотните преобразуватели за приложения с ниска и средна мощност използват предимно устройства за контрол на напрежението на затвора като MOSFET.

За приложения с висока мощност най-добрите устройства, които се използват в момента, са MOSFET от силициев карбид (SiC), които изискват по-високи задвижващи токове за бързо включване/изключване на тези превключватели на захранването. Драйверите на порта са подходящи не само за MOSFET, но също така и за нови устройства в широката ширина на лентата, за които само няколко хора в момента знаят, като FET от силициев карбид (SiC) и FET от галиев нитрид (GaN).

Драйверът на порта е усилвател на мощност, който приема вход от контролер IC и генерира подходящ висок ток за задвижване на порта на устройство за превключване на мощността.

Следното е кратко резюме на причините за използване на драйвери за порта:

Импеданс на задвижване на портата

Функцията на драйвера на портата е бързо да включва и изключва захранващи устройства, за да намали загубите. За да се избегнат загуби на кръстосана проводимост, причинени от ефекта на Милър или бавно превключване при определени натоварвания, драйверът трябва да установи изключено състояние с по-нисък импеданс от включеното състояние на противоположния транзистор. Маржът на отрицателния гейт задвижване играе важна роля за намаляване на тези загуби.

Индуктивност на източника

Това е индуктивността, споделена от токовата верига на драйвера на портата и изходната токова верига. Маржът на напрежението на отрицателното задвижване на портата, комбиниран с индуктивността на изходния проводник, има пряко въздействие върху скоростта на превключване на изхода под товар, което е ефектът на влошаване на източника на индуктивността на източника (индуктивността на изходния проводник свързва изходния превключващ ток обратно към задвижването на гейта, като по този начин забавяне на задвижването на вратата).

Драйверът на порта прилага сигнал за напрежение (VGS) между порта (G) и източника (S) на силовия MOSFET, като същевременно доставя импулс с голям ток, както е показано на фигура 1.

· Разрешаване на бързо зареждане/разреждане на CGS и CGD

·Бързо включване/изключване на MOSFET

Фигура 1. Път на тока на задвижване на порта

Защо галванична изолация?

Приложенията с висока мощност изискват галванична изолация, за да се предотврати задействането на опасни заземителни вериги, които биха могли да причинят шум, причинявайки заземяването на двете вериги да бъдат с различни потенциали и по този начин да компрометира безопасността на системата. Теченията в такива системи могат да бъдат смъртоносни за хората, така че трябва да се осигури най-високо ниво на безопасност. Електрическа или галванична изолация се отнася до състояние, при което не циркулира постоянен ток между две точки с различни потенциали.

По-точно, в състояние на галванична изолация е невъзможно да се преместят носители от една точка в друга, но електрическата енергия (или сигнали) все още може да се обменя чрез други физически явления като електромагнитна индукция, капацитивно свързване или светлина. Това условие е еквивалентно на безкрайно съпротивление между двете точки; на практика са достатъчни съпротивления до около 100 MΩ. Ако повредата е ограничена до електронните компоненти, предпазната изолация може да не е необходима, но ако е включена човешка дейност от страна на управлението, е необходима галванична изолация между страната с висока мощност и веригата за управление с ниско напрежение. Той предпазва от всякакви неизправности от страната на високото напрежение, тъй като дори ако има повреда или повреда на компоненти, изолационната бариера не позволява на захранването да достигне до потребителя. Изолацията е задължителна от регулаторните агенции и сертифициращите органи за безопасност, за да се предотврати рискът от токов удар. По-долу е дадено обобщение на причините за употреба и методите за галванична изолация в много енергийни приложения.

· Предотвратете и издържайте по безопасен начин високоволтови удари, които увреждат оборудването или застрашават хората.

·Защитете скъпите контролери - интелигентни системи

·Толерират големи потенциални разлики и разрушителни заземителни контури във вериги с висока енергия или дълги разстояния

· Надеждна комуникация с високоефективни компоненти при високо напрежение и висока производителност

Решения

Фигура 2. Неизолиран и изолиран

Ръководство за избор на драйвер за изолиран порт

По-долу е обяснено как да изберете драйвер за изолиран порт. Например, за система с по-ниско работно напрежение, превключващото устройство може да бъде директно свързано към контролера, стига издържаното напрежение на контролера да е в рамките на допустимия диапазон. Въпреки това драйверът на портата е често срещан компонент в повечето преобразуватели на мощност. Тъй като управляващата верига работи при ниско напрежение, контролерът не може да осигури достатъчно мощност за бързо и безопасно отваряне или затваряне на превключвателя на захранването. Следователно сигналът на контролера се изпраща към драйвера на порта, който е в състояние да издържи по-висока мощност и може да управлява порта на MOSFET, ако е необходимо. При приложения с висока мощност или високо напрежение компонентите във веригата са подложени на големи отклонения на напрежението и високи токове. Ако изтече ток от силовия MOSFET към управляващата верига, високото напрежение и ток във веригата за преобразуване на мощността могат лесно да изгорят транзистора, причинявайки сериозна повреда на управляващата верига. В допълнение, приложенията с висока мощност трябва да имат галванична изолация между входа и изхода, за да защитят потребителите и другите устройства.

Диапазон на напрежението на задвижването на вратата

Работното напрежение на преобразувателя зависи от спецификациите на превключващия елемент (като Si MOSFET или SiC MOSFET). Трябва да се потвърди, че изходното напрежение на преобразувателя не надвишава максималната стойност на напрежението на затвора на превключващия елемент.

Положителното напрежение на драйвера на вратата трябва да е достатъчно високо, за да се гарантира, че вратата е напълно включена. Също така е необходимо да се гарантира, че напрежението на задвижването не надвишава абсолютното максимално напрежение на затвора. Si-MOSFET обикновено използват задвижващо напрежение от +12V, +15V обикновено се използва за задвижване на SiC, а напрежението на затвора за GaN е +5V. 0-V гейт напрежение може да поддържа всички устройства в изключено състояние. Най-общо казано, MOSFET не изискват задвижване на гейта с отрицателно отклонение, което понякога се използва за SiC и GaN MOSFET. При превключващи приложения е силно препоръчително да се използва задвижване на гейт с отрицателно отклонение за SiC и GaN MOSFET, тъй като паразитната индуктивност, въведена от неидеалното оформление на печатни платки по време на високо di/dt и dv/dt превключване, може да причини звънене в задвижващото напрежение гейт-източник на силовия транзистор. По-долу са приложимите напрежения на задвижване на затвора за всяко превключващо устройство.

Възможност за изолация

Тази способност се определя от работното напрежение на системата. Работното напрежение на системата е право пропорционално на способността за изолация. Един от ключовите параметри на изолиран драйвер на порта е неговото номинално напрежение на изолация. Степента на изолация е предназначена да предотврати неочаквани преходни процеси на напрежението да повредят други вериги, свързани към захранването, така че наличието на правилна степен на изолация е от ключово значение за защита на потребителя от потенциално вредни токови разряди. В допълнение, този рейтинг предпазва сигналите в преобразувателя от смущения от шум или неочаквани преходни процеси на напрежението в общ режим. Стойността на изолацията обикновено се изразява като количеството напрежение, което изолационната бариера може да издържи. В повечето таблици с данни на изолирани драйвери на порта изолиращото напрежение е посочено като параметри като максимално повтарящо се пиково изолационно напрежение (VIORM), работно изолационно напрежение (VIOWM), максимално преходно изолационно напрежение (VIOTM), максимално изолирано напрежение при пренапрежение (VIOSM) и RMS изолационно напрежение (VISO). Колкото по-високо е работното напрежение на системата, толкова по-висока изолационна способност се изисква от преобразувателя.

Изолираните драйвери на ON Semiconductor са производствено тествани на MPS тестер (модел MSPS-20).

Изолационен капацитет

Изолационният капацитет е паразитният капацитет между входната и изходната страна на преобразувателя. От следната формула можем да видим, че изолационният капацитет е пропорционален на тока на утечка.

Сред тях: Ileak: ток на утечка, fS: работна честота, CISO: изолационен капацитет. VSYS: работно напрежение на системата

Загубата на мощност е пропорционална на тока на утечка. Ако системата трябва да работи при висока работна честота и високо напрежение, трябва да обърнем повече внимание на размера на изолационния капацитет на преобразувателя, за да избегнем прекомерно повишаване на температурата.

Преходен имунитет към общ режим (CMTI)

Преходният имунитет към общ режим (CMTI) е една от основните характеристики, свързани с изолирани драйвери на порта, особено когато системата работи при високи честоти на превключване. Това е важно, тъй като преходните процеси с висока скорост на нарастване (висока честота) могат да повредят предаването на данни през изолиращата бариера. Капацитетът през изолационната бариера (т.е. между изолационните заземяващи равнини) осигурява път за тези бързи преходни процеси да пресекат изолационната бариера и да повредят формата на изходната вълна. Единицата на този характерен параметър обикновено е kV/uS.

Ако CMTI не е достатъчно висок, шумът с висока мощност може да се свърже през драйвера на изолирания гейт, създавайки токова верига и предизвиквайки появата на заряд в гейта на превключвателя. Този заряд, ако е достатъчно голям, може да накара драйвера на гейта да изтълкува погрешно този шум като задвижващ сигнал и това прострелване може да причини сериозна повреда на веригата.

Текущи съображения относно възможностите на устройството

Колкото по-висок е токът на затвора, който може да бъде генериран/погълнат за кратък период от време, толкова по-кратко е времето за превключване на драйвера на затвора и толкова по-ниска е загубата на мощност при превключване в управлявания транзистор.

Пиковите токове на източник и поглъщане (ISOURCE и ISINK) трябва да бъдат по-високи от средните токове (IG, AV), както е показано на фигура 3.

Фигура 3. Дефиниция на текущата способност на задвижването

За всеки номинален ток на драйвера, приблизителното максимално зареждане на затвора QG, което може да бъде превключено за показаното време, може да се изчисли, както следва: Необходимият номинален ток на драйвера зависи от това колко заряд на затвора QG трябва да бъде преместен за колко време на превключване tSW−ON/ OFF, тъй като средният ток на затвора по време на превключване е IG.

Където tSW,ON/OFF представлява колко бързо трябва да се превключва MOSFET. Ако не е известно, започнете с 2% от периода на превключване tSW.

Приблизителните пикови токове на източника и поглъщащите токове на драйвера на затвора могат да бъдат изчислени с помощта на следните формули.

Включено (ток на източника)

Когато е изключен (потъващ ток)

Където QG е зарядът на затвора при VGS=VCC, tSW, ON/OFF=време за включване/изключване, 1.5=емпирично определен фактор (повлиян от закъснения през етапа на въвеждане на драйвера и паразитни компоненти)

Съображения за резистор на порта

Когато оразмерявате затворния резистор, е важно да обмислите намаляване на напрежението на звънене, причинено от паразитна индуктивност и капацитет. Това обаче ще ограничи текущата способност на изхода на драйвера на вратата. Стойностите на ограничените токови възможности, дължащи се на резисторите за включване и изключване, могат да бъдат получени с помощта на следните формули.

Сред тях: ISOOURCE: пиков източник на ток, ISINK: пиков поглъщащ ток, VOH: високо ниво на спад на изходното напрежение, VOL: ниско ниво на спад на изходното напрежение

Драйвери за изолиран порт на ON Semiconductor

ON Semiconductor предлага разнообразие от драйвери на изолирани гейтове, базирани на интегрирани магнитно свързани трансформатори без ядро, подходящи за приложения, където скоростите на превключване са много високи и съществуват ограничения за размера на системата, и могат надеждно да управляват Si MOSFET и SiC FET.

Предлагаме функционални и подсилени изолационни продукти, сертифицирани по UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 и CQC GB 4943.1. Нашите драйвери за изолирани порти включват както промишлени, така и автомобилни сертифицирани продукти.

Тези драйвери на изолирани гейтове интегрират различни функции, за да издържат на високи нива на CMTI, имат множество UVLO опции и осигуряват бързо забавяне на разпространението (включително несъответствия на кратко забавяне) и минимално изкривяване на ширината на импулса.

По-специално, предстоящите нови продукти на ON Semiconductor ще осигурят прост метод за генериране на отрицателно отклонение в задвижващата верига на гейта, подходящо за управление на SiC MOSFET. Това отрицателно отклонение е полезно, ако оформлението на печатната платка и/или кабелите на пакета създават силно звънене в силовия транзистор Vg. Това звънене на напрежението на вратата обикновено се случва при високи условия на превключване di/dt и dv/dt. За да се поддържа звъненето под праговото напрежение, за да се предотврати фалшиво включване, към драйвера на портата обикновено се прилага отрицателно отклонение. Налични са различни опции за генериране на -2V, -3V, -4V и -5V, за да отговарят на всички конфигурации. Изолираните драйвери на порта на ON Semiconductor се предлагат в различни опции за пакети, включително малки LGA и SOIC варианти 8-pin to 16-pin.

По-долу са основните характеристики, електрическите спецификации и свързаните с безопасността сертификати на фамилията изолирани драйвери на ON Semiconductor.

Таблица 1.

- В процес на разработка

- По избор, предлага се при поискване

- Планирано

Инструменти за поддръжка на драйвери за изолирани порти

Всички свързани документи за драйвери за галванично изолирани портове са достъпни на началната страница на ON Semiconductor, включително таблици с данни, инструменти за проектиране и разработка, симулационни модели, бележки за приложението, документация на борда за оценка, доклади за съответствие и др.

Основните свързани драйвери включват:

● NCP51560

● NCP51561 和 NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563