Suunnitteluohjeet eristettyjen porttiohjainten käyttämiseen

Kolmiosaisessa suunnitteluoppaassa kerrotaan, kuinka valitaan sopiva eristetty porttiohjain tehoelektroniikkasovellusten tehokytkinlaitteille ja jaetaan käytännön kokemuksia. Tämä artikkeli on ensimmäinen osa, joka sisältää pääasiassa eristettyjen porttiohjaimien esittelyn ja valintaoppaan.

Tämän artikkelin viiteosoite:

ON Semiconductorin eristetyt hilaohjaimet on suunniteltu täyttämään suurimmat kytkentänopeudet ja järjestelmän kokorajoitukset, joita vaativat tekniikat, kuten SiC (piikarbidi) ja GaN (galliumnitridi) MOSFETien luotettavan hallinnan varmistamiseksi. Monilla tehoelektroniikkateollisuuden suunnittelijoilla on laaja kokemus Si MOSFET:ien, SiC- ja GaN MOSFETien kanssa työskentelystä, ja he ovat asiantuntevia käyttäjiä. Järjestelmävalmistajat ovat yhä kiinnostuneempia suunnittelunsa energiatehokkuuden parantamisesta. Johtavan aseman saavuttamiseksi markkinoilla korkean energiatehokkuuden ja alhaisten kustannusten yhdistelmä on ratkaisevan tärkeää. Puolijohdemateriaalien näkökulmasta ala on edistynyt merkittävästi, ja nyt on tuotteita, jotka pystyvät kytkeytymään suurilla nopeuksilla, mikä lisää järjestelmätason tehokkuutta ja pienentää kokoa.

Eristetyt porttiohjaimet--Mitä ne ovat, miksi niitä käytetään ja miten ne toimivat?

Power MOSFETit ovat jänniteohjattuja laitteita, joita käytetään kytkentäelementteinä tehopiireissä, moottorikäytöissä ja muissa järjestelmissä. Portti on jokaisen laitteen sähköisesti eristetty ohjausliitin. MOSFETin muut liittimet ovat lähde- ja nieluliittimet.

MOSFETin käyttämiseksi hilaan on tyypillisesti syötettävä jännite (toisin kuin lähteessä tai emitterissä). Erillistä ajuria käytetään syöttämään jännite teholaitteen hilaan ja antamaan käyttövirtaa.

Porttiohjaimia käytetään virtalaitteiden kytkemiseen päälle ja pois. Tätä varten hilaohjain lataa teholaitteen hilan lopulliseen käynnistysjännitteeseen VGS(ON) tai ohjainpiiri purkaa hilan lopulliseen sammutusjännitteeseen VGS(OFF). Kahden hilajännitetason muuntamiseksi osa tehosta hajoaa hilaohjaimen, hilavastuksen ja teholaitteen välisessä silmukassa.

Nykyään pieni- ja keskitehosovellusten suurtaajuusmuuntimet käyttävät pääasiassa hilajännitteen ohjauslaitteita, kuten MOSFETejä.

Suuritehoisissa sovelluksissa parhaita tällä hetkellä käytössä olevia laitteita ovat piikarbidin (SiC) MOSFETit, jotka vaativat suurempia käyttövirtoja näiden virtakytkimien nopeaan kytkemiseen päälle/pois. Gate-ajurit eivät sovellu vain MOSFET:iin, vaan myös uusiin laitteisiin laajalla kaistavälillä, josta vain harvat ihmiset ovat tällä hetkellä tietoisia, kuten piikarbidi (SiC) FET ja galliumnitridi (GaN) FET.

Hilaohjain on tehovahvistin, joka hyväksyy tulon ohjaimen IC:ltä ja tuottaa sopivan korkean virran tehonkytkentälaitteen hilan ohjaamiseksi.

Seuraavassa on lyhyt yhteenveto porttiohjaimien käytön syistä:

Portin käyttöimpedanssi

Portin ajurin tehtävänä on käynnistää ja sammuttaa virtalaitteet nopeasti häviöiden vähentämiseksi. Välttääkseen Miller-ilmiön tai hitaan kytkennän aiheuttamia ristikkäisjohtavuushäviöitä tietyillä kuormituksilla kuljettajan on määritettävä off-tila pienemmällä impedanssilla kuin vastakkaisen transistorin on-tila. Negatiivinen portin käyttömarginaali on tärkeä rooli näiden tappioiden vähentämisessä.

Lähteen induktanssi

Tämä on hilaohjaimen virtasilmukan ja lähtövirtasilmukan yhteinen induktanssi. Negatiivinen hilakäytön jännitemarginaali yhdistettynä lähdejohtoinduktanssiin vaikuttaa suoraan kuormitetun lähdön kytkentänopeuteen, joka on lähteen induktanssin lähdettä heikentävä vaikutus (lähdejohdon induktanssi kytkee lähdön kytkentävirran takaisin hilakäyttöön, jolloin hidastaa portin ajoa).

Hilaohjain syöttää jännitesignaalin (VGS) hilan (G) ja MOSFET-teholähteen (S) väliin samalla kun se tuottaa korkean virtapulssin kuvan 1 mukaisesti.

·Ota käyttöön CGS:n ja CGD:n nopea lataus/purkaus

· Nopea päälle/pois virta MOSFET

Kuva 1. Portin käyttövirran polku

Miksi galvaaninen eristys?

Suuritehoiset sovellukset vaativat galvaanista eristystä, jotta estetään vaarallisten maasilmukoiden laukeaminen, mikä voi aiheuttaa kohinaa, jolloin kahden piirin maadoitukset ovat eri potentiaalissa ja siten vaarantavat järjestelmän turvallisuuden. Tällaisten järjestelmien virrat voivat olla tappavia ihmisille, joten korkein turvallisuustaso on varmistettava. Sähköinen tai galvaaninen eristys tarkoittaa tilaa, jossa DC-virtaa ei kierrä kahden eri potentiaalin pisteen välillä.

Tarkemmin sanottuna galvaanisessa eristystilassa on mahdotonta siirtää kantoaaltoja pisteestä toiseen, mutta sähköenergiaa (tai signaaleja) voidaan silti vaihtaa muiden fysikaalisten ilmiöiden, kuten sähkömagneettisen induktion, kapasitiivisen kytkennän tai valon kautta. Tämä ehto vastaa ääretöntä vastusta kahden pisteen välillä; käytännössä resistanssit noin 100 MΩ asti riittävät. Jos vauriot rajoittuvat elektronisiin komponentteihin, turvaeristys ei välttämättä ole tarpeen, mutta jos ohjauspuolella on ihmisen toimintaa, tarvitaan galvaaninen eristys suurtehopuolen ja pienjänniteohjauspiirin välillä. Se suojaa kaikilta korkeajännitepuolen vikoja vastaan, sillä vaikka komponentit vaurioituisivat tai vioittuvat, eristyssulku estää virran pääsyn käyttäjälle. Sääntelyvirastot ja turvallisuussertifiointielimet ovat eristämistä pakollisia sähköiskuvaaran estämiseksi. Alla on yhteenveto käytön syistä ja galvaanisen eristyksen menetelmistä monissa tehosovelluksissa.

·Estä ja kestä turvallisesti korkeajännitepiikit, jotka vahingoittavat laitteita tai vaarantavat ihmisiä.

·Suojaa kalliita ohjaimia – älykkäitä järjestelmiä

·Siedä suuria potentiaalieroja ja tuhoisia maasilmukoita piireissä, joissa on korkea energia tai pitkät erot

· Luotettavasti kommunikoi korkean puolen komponenttien kanssa korkeajännitteisellä ja tehokkaalla tavalla

Ratkaisut

Kuva 2. Eristämätön ja eristetty

Eristetty portin kuljettajan valintaopas

Seuraavassa selitetään, kuinka valitaan eristetty porttiohjain. Esimerkiksi järjestelmässä, jossa on pienempi käyttöjännite, kytkinlaite voidaan kytkeä suoraan säätimeen, kunhan säätimen kestojännite on sallitulla alueella. Porttiohjain on kuitenkin yleinen komponentti useimmissa tehomuuntimissa. Koska ohjauspiiri toimii alhaisella jännitteellä, ohjain ei pysty antamaan tarpeeksi tehoa virtakytkimen avaamiseen tai sulkemiseen nopeasti ja turvallisesti. Siksi ohjaimen signaali lähetetään hilaohjaimelle, joka pystyy kestämään suurempaa tehoa ja voi ohjata MOSFETin porttia tarpeen mukaan. Suuritehoisissa tai suurjännitesovelluksissa piirin komponentit altistuvat suurille jännitteen poikkeamille ja suurille virroille. Jos virtaa vuotaa MOSFET-tehosta ohjauspiiriin, tehonmuuntopiirin korkea jännite ja virta voivat helposti polttaa transistorin, mikä aiheuttaa ohjauspiirin vakavan rikkoutumisen. Lisäksi suuritehoisissa sovelluksissa on oltava galvaaninen eristys tulon ja lähdön välillä käyttäjien ja muiden laitteiden suojaamiseksi.

Portin käyttöjännitealue

Muuntimen käyttöjännite riippuu kytkinelementin spesifikaatioista (esim. Si MOSFET tai SiC MOSFET). On varmistettava, että muuntimen lähtöjännite ei ylitä kytkinelementin hilajännitteen maksimiarvoa.

Portin ohjaimen positiivisen jännitteen tulee olla riittävän korkea varmistaakseen, että portti on täysin päällä. On myös varmistettava, että käyttöjännite ei ylitä absoluuttista maksimihilajännitettä. Si-MOSFETit käyttävät tyypillisesti käyttöjännitettä +12V, +15V:tä käytetään yleisesti SiC:n ohjaamiseen ja GaN:n hilajännite on +5V. 0-V-hilajännite voi pitää kaikki laitteet pois päältä. Yleisesti ottaen MOSFETit eivät vaadi negatiivista esijänniteporttia, jota joskus käytetään SiC- ja GaN-MOSFETeissä. Kytkentäsovelluksissa on erittäin suositeltavaa käyttää negatiivista esijänniteporttia SiC- ja GaN MOSFET:ille, koska ei-ideaalisen PCB-asettelun aiheuttama parasiittisen induktanssi korkean di/dt- ja dv/dt-kytkennän aikana voi aiheuttaa soittoääniä hilalähteen ohjausjännitteessä. tehotransistori. Seuraavat ovat kullekin kytkinlaitteelle sovellettavat hilakäyttöjännitteet.

Eristyskyky

Tämä ominaisuus määräytyy järjestelmän käyttöjännitteen mukaan. Järjestelmän käyttöjännite on suoraan verrannollinen eristyskykyyn. Eristetyn hilaohjaimen yksi tärkeimmistä parametreista on sen eristysjännite. Eristysluokitus on suunniteltu estämään odottamattomia jännitetransientteja vahingoittamasta muita virtalähteeseen kytkettyjä piirejä, joten oikea eristysluokitus on avainasemassa käyttäjän suojaamisessa mahdollisesti haitallisilta virran purkauksilta. Lisäksi tämä luokitus suojaa muuntimen sisällä olevia signaaleja häiriöiltä tai odottamattomilta yhteistilan jännitetransienteilta. Eristysarvo ilmaistaan ​​yleensä jännitteen määränä, jonka eristyssulku kestää. Useimmissa eristetyissä hilaohjaimen tietolomakkeissa eristysjännite on lueteltu parametreina, kuten suurin toistuva huippueristysjännite (VIORM), käyttöeristysjännite (VIOWM), suurin transienttieristysjännite (VIOTM), suurin ylijänniteeristysjännite (VIOSM) ja RMS. eristysjännite (VISO). Mitä korkeampi järjestelmän käyttöjännite on, sitä korkeampaa muuntimen eristyskykyä tarvitaan.

PÄÄLLÄ Semiconductorin eristetyt gate-ohjaimet on tuotantotestattu MPS-testerillä (malli MSPS-20).

Eristyskapasitanssi

Erotuskapasitanssi on loiskapasitanssi muuntimen tulo- ja lähtöpuolen välillä. Seuraavasta kaavasta voimme nähdä, että eristyskapasitanssi on verrannollinen vuotovirtaan.

Niistä: Ileak: vuotovirta, fS: toimintataajuus, CISO: eristyskapasitanssi. VSYS: järjestelmän käyttöjännite

Tehohäviö on verrannollinen vuotovirtaan. Jos järjestelmän on toimittava suurella käyttötaajuudella ja korkealla jännitteellä, meidän on kiinnitettävä enemmän huomiota muuntimen eristyskapasitanssin kokoon liiallisen lämpötilan nousun välttämiseksi.

Common-mode ohimenevä immuniteetti (CMTI)

Common-mode transient immunity (CMTI) on yksi tärkeimmistä eristettyihin porttiohjaimiin liittyvistä ominaisuuksista, varsinkin kun järjestelmä toimii korkeilla kytkentätaajuuksilla. Tämä on tärkeää, koska suuren siirtonopeuden (korkeataajuiset) transientit voivat vahingoittaa tiedonsiirtoa eristysesteen yli. Kapasitanssi eristysesteen yli (eli eristyksen maatasojen välillä) tarjoaa näille nopeille transienteille reitin ylittää eristysesteen ja korruptoida lähtöaaltomuodon. Tämän ominaisparametrin yksikkö on yleensä kV/uS.

Jos CMTI ei ole tarpeeksi korkea, suuren tehon kohina voi kytkeytyä eristetyn hilaohjaimen yli, luoden virtasilmukan ja aiheuttaen varauksen ilmaantumisen kytkinportissa. Tämä lataus, jos se on riittävän suuri, voi aiheuttaa sen, että portin kuljettaja tulkitsee tämän kohinan väärin ohjaussignaaliksi, ja tämä läpilyönti voi aiheuttaa vakavan piirihäiriön.

Nykyiset aseman ominaisuudet

Mitä suurempi hilavirta voidaan saada/uppoa lyhyessä ajassa, sitä lyhyempi on hilaohjaimen kytkentäaika ja sitä pienempi on ohjatun transistorin kytkentätehohäviö.

Huippujen lähde- ja nieluvirtojen (ISOURCE ja ISINK) tulee olla suurempia kuin keskimääräiset virrat (IG, AV), kuten kuvassa 3 näkyy.

Kuva 3. Nykyisen aseman ominaisuuksien määritelmä

Kullekin ajurin virranmittaukselle voidaan laskea likimääräinen suurin porttivaraus QG, joka voidaan kytkeä näytetyssä ajassa: Vaadittu ajurin virran arvo riippuu siitä, kuinka paljon porttivarausta QG on siirrettävä kuinka paljon kytkentäaikaa tSW−ON/ OFF, koska keskimääräinen hilavirta kytkennän aikana on IG.

Missä tSW,ON/OFF ilmaisee kuinka nopeasti MOSFET tulee kytkeä. Jos tuntematon, aloita 2 %:lla kytkentäjaksosta tSW.

Likimääräiset hilaohjaimen huippulähteet ja nieluvirrat voidaan laskea seuraavilla kaavoilla.

Päällä (lähde nykyinen)

Kun pois päältä (uppovirta)

Missä QG on porttivaraus VGS:ssä=VCC, tSW, ON/OFF=päälle/poiskytkentäaika, 1.5=empiirisesti määritetty tekijä (vaikuttaa viiveet kuljettajan syöttövaiheessa ja loiskomponentit)

Porttivastuksen huomioita

Hilavastuksen mitoitusta tehtäessä on tärkeää huomioida loisen induktanssin ja kapasitanssin aiheuttaman soittojännitteen pienentäminen. Se kuitenkin rajoittaa porttiohjaimen lähdön nykyistä kapasiteettia. Käynnistys- ja sammutusporttivastuksista johtuvat rajoitetut virtakyvyn arvot voidaan saada seuraavilla kaavoilla.

Niistä: ISOOURCE: huippulähdevirta, ISINK: huippunieluvirta, VOH: korkean tason lähtöjännitehäviö, VOL: matalan tason lähtöjännitehäviö

ON Semiconductor's Isolated Gate Drivers

ON Semiconductor tarjoaa erilaisia ​​eristettyjä hila-ajureita, jotka perustuvat integroituihin magneettisesti kytkettyihin ytimettömiin muuntajiin. Soveltuvat sovelluksiin, joissa kytkentänopeudet ovat erittäin korkeat ja järjestelmän kokorajoitukset ovat olemassa, ja ne voivat ohjata luotettavasti Si MOSFETejä ja SiC FETejä.

Tarjoamme toimivia ja vahvistettuja eristystuotteita, jotka on sertifioitu UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 ja CQC GB 4943.1 mukaisesti. Eristettyjen porttien kuljettajiimme kuuluu sekä teollisuus- että autoteollisuuden sertifioituja tuotteita.

Nämä eristetyt porttiohjaimet integroivat useita ominaisuuksia kestämään korkeita CMTI-tasoja, niillä on useita UVLO-vaihtoehtoja ja ne tarjoavat nopeat etenemisviiveet (mukaan lukien lyhyen viiveen yhteensopimattomuudet) ja minimaalisen pulssinleveyden vääristymän.

Erityisesti ON Semiconductorin tulevat uudet tuotteet tarjoavat yksinkertaisen menetelmän negatiivisen biasin luomiseksi hilaohjaussilmukassa, mikä sopii SiC MOSFETien ohjaamiseen. Tämä negatiivinen bias on hyödyllinen, jos piirilevyn asettelu ja/tai pakettijohdot aiheuttavat voimakkaan soittoäänen tehotransistorissa Vg. Tämä hilajännitteen soitto tapahtuu tyypillisesti korkean di/dt- ja dv/dt-kytkentäolosuhteissa. Jotta soittoääni pysyisi kynnysjännitteen alapuolella virheellisen päällekytkemisen estämiseksi, hilaohjaimeen kohdistetaan tyypillisesti negatiivinen bias. Voit luoda -2V:n, -3V:n, -4V:n ja -5V:n eri vaihtoehdoilla kaikkiin kokoonpanoihin. ON Semiconductorin eristettyjä gate-ajureita on saatavana useissa pakettivaihtoehdoissa, mukaan lukien pienet LGA- ja SOIC-8-pin-16-pin-muunnelmat.

Alla on ON Semiconductor -eristettyjen porttiohjainperheen tärkeimmät ominaisuudet, sähköiset tiedot ja turvallisuuteen liittyvät sertifikaatit.

Taulukko 1.

- Kehittämässä

- Valinnainen, saatavilla pyynnöstä

- Suunniteltu

Eristetyt portin kuljettajan tukityökalut

Kaikki galvaanisesti eristettyihin porttiohjaimiin liittyvät asiakirjat ovat saatavilla ON Semiconductorin kotisivulla, mukaan lukien tiedot, suunnittelu- ja kehitystyökalut, simulaatiomallit, sovellushuomautukset, arviointitaulun dokumentaatio, vaatimustenmukaisuusraportit jne.

Tärkeimmät asiaan liittyvät ajurit ovat:

● NCP51560

● NCP51561 和 NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563