Cum să selectați și să începeți utilizarea driverelor pentru dispozitive de putere

Fiecare dispozitiv discret de putere cu comutare are nevoie de un driver, indiferent dacă dispozitivul respectiv este un tranzistor cu efect de câmp cu siliciu și oxid de metal (MOSFET) discret, un MOSFET cu carbură de siliciu (SiC), un tranzistor bipolar cu poartă izolată (IGBT) sau un modul. Driverul este componenta de interfață sau „puntea” dintre ieșirea de joasă tensiune și de curent redus a procesorului de sistem – care funcționează într-un scenariu controlat și benign – și lumea complicată a dispozitivului de comutare, cu cerințele sale stricte privind curentul, tensiunea și sincronizarea.

Selectarea driverului adecvat pentru dispozitivul de comutare este o provocare pentru proiectanți din cauza particularităților dispozitivului de putere și a fenomenelor parazite inevitabile din circuit și instalație. Aceasta necesită o analiză atentă a parametrilor tipului de comutator (cu siliciu (Si) sau carbură de siliciu (SiC)) și a aplicației. Producătorii de dispozitive de putere sugerează adesea și chiar oferă drivere adecvate, dar unii factori legați de drivere trebuie să fie adaptați la specificul aplicației.

Deși există o procedură logică de bază care trebuie urmată în majoritatea cazurilor pentru a face acest lucru, unele dintre setări, cum ar fi valoarea rezistorului de comandă a porții, sunt determinate printr-o analiză iterativă și trebuie, de asemenea, verificate prin testare și evaluare practică. Acești pași se pot adăuga la un proces deja complex și pot încetini procesul de proiectare, dacă nu există o îndrumare clară.

Articolul de față discută pe scurt rolul driverului de poartă. Acesta oferă apoi un ghid pentru selectarea driverului și pașii necesari pentru a asigura compatibilitatea cu dispozitivul de comutare de putere ales. De asemenea, prezintă exemple de dispozitive de putere mai mică și mai mare de la Infineon Technologies AG pentru a ilustra punctele cheie, împreună cu plăci și kituri de evaluare asociate.

Rolul driverului de poartă

În termeni simpli, un driver de poartă este un amplificator de putere care acceptă o intrare de nivel scăzut, de putere redusă de la un CI de controler (de obicei, un procesor) și produce o comandă de poartă adecvată, de curent ridicat, la tensiunea necesară pentru a porni și opri dispozitivul de putere. În spatele acestei definiții simple se ascunde o lume complexă de tensiune, curent, viteze de salt, fenomene parazite, fenomene tranzitorii și protecție, printre alte aspecte. Driverul trebuie să se potrivească nevoilor sistemului și să acționeze clar comutatorul de putere, fără supraîncărcare sau oscilații pendulare, chiar dacă fenomenele parazite și tranzitorii devin din ce în ce mai dificile pe măsură ce vitezele de comutare cresc.

Driverele pot fi utilizate în diferite configurații. Printre cele mai comune se numără driverul individual low-side, driverul individual high-side și driverul dual high-side/low-side.

În primul caz, dispozitivul de putere (comutatorul) este conectat între sarcină și masă, în timp ce sarcina se află între șina de alimentare și comutator (Figura 1). (Rețineți că această masă ar trebui să fie numită mai degrabă „comun”, deoarece nu există o împământare reală, ci este un punct comun al circuitului care definește punctul de 0 volți).

Figura 1: În configurația low-side, driverul și comutatorul sunt plasați între sarcină și masa circuitului/comun. (Sursa imaginii: Infineon Technologies AG)

În configurația complementară de tip high-side, comutatorul este conectat direct la șina de alimentare, în timp ce sarcina se află între comutator și masă/comun (Figura 2).

Figura 2: Configurația high-side inversează locația comutatorului în raport cu sarcina și șina de alimentare. (Sursa imaginii: Infineon Technologies AG)

O altă topologie utilizată pe scară largă este cuplajul high-side/low-side utilizat pentru a comanda două comutatoare conectate într-o punte (Figura 3).

Figura 3: În cuplarea combinată de tip high-side/low-side, două comutatoare sunt acționate alternativ, cu sarcina între ele. (Sursa imaginii: Infineon Technologies AG)

Cum rămâne cu izolarea?

Aranjamentul high/low necesită adăugarea a două funcții de circuit, prezentate în figura 4:

Figura 4: Aranjamentul de tip „high-side/low-side” necesită, de asemenea, o sursă de alimentare flotantă pentru partea high-side și un convertizor de nivel pentru semnalul de control. (Sursa imaginii: Talema Group)

Driverul superior (high-side) și dispozitivul de comutare sunt „flotante”, fără o referință de masă, ceea ce duce la o altă cerință în multe aranjamente de driver de poartă/comutator de putere: nevoia de izolare galvanică (ohmică) între funcția driverului și comutatorul acționat.

Izolarea înseamnă că nu există nicio cale electrică pentru fluxul de curent între cele două părți ale barierei de izolare, dar semnalul cu informații trebuie să treacă prin ea. Această izolare poate fi realizată cu ajutorul optocuploarelor, transformatoarelor sau condensatoarelor.

Izolarea electrică între diferitele circuite funcționale dintr-un sistem previne formarea unei căi de conducție directă între ele, permițând circuitelor individuale să aibă potențiale de masă diferite. Bariera trebuie să reziste la întreaga tensiune a șinei (plus o marjă de siguranță), care poate varia de la zeci la mii de volți. Prin proiectare, majoritatea izolatoarelor îndeplinesc cu ușurință cerința de mai multe mii de volți.

În timp ce driverele de poartă high-side pot necesita o izolare pentru a asigura funcționarea corectă în funcție de topologia specifică, circuitele de acționare a porții pentru invertoare și convertoare de putere necesită adesea o izolare electrică în scopuri de siguranță care nu au legătură cu starea lor de „masă”. Izolarea este impusă de agențiile de reglementare și de certificare a siguranței pentru a preveni riscurile legate de șocuri, prin măsuri care garantează că o tensiune înaltă nu poate ajunge la utilizator. De asemenea, protejează componentele electronice de joasă tensiune de orice deteriorare cauzată de defecțiuni ale circuitului de înaltă tensiune și de erori umane pe partea de control.

Multe configurații ale dispozitivelor de putere necesită un circuit izolat de comandă a porții. De exemplu, există comutatoare high și low în topologiile convertoarelor de putere, cum ar fi cu punte parțială, punte completă, de coborâre, tip forward cu două tranzistoare și de tip forward cu limitare activă, deoarece driverele low-side nu pot fi utilizate pentru a acționa direct dispozitivul de putere superior.

Dispozitivele de putere superioare necesită un driver de poartă izolat și semnale „flotante”, deoarece nu au nicio conexiune la potențialul de masă; dacă ar avea, ar scurtcircuita driverul lor complementar și comutatorul de putere. Ca urmare a acestei cerințe și datorită progreselor tehnologice, sunt disponibile drivere de poartă care încorporează și izolare, eliminând astfel necesitatea unor dispozitive de izolare separate. Acest lucru, la rândul său, simplifică configurația de înaltă tensiune, respectând mai ușor cerințele de reglementare.

Reglarea fină a relației dintre driver și dispozitivul de comutare

Circuitele integrate pentru driverele de poartă trebuie să suporte vitezele mari de comutare ale MOSFET-urilor SiC, care pot atinge o viteză de salt de 50 kilovolți pe microsecunde (kV/µs) sau mai mult și pot comuta mai repede de 100 kilohertzi (kHz). Dispozitivele Si sunt acționate cu o tensiune tipică de 12 volți pentru pornire și utilizează 0 volți pentru oprire.

Spre deosebire de dispozitivele Si, MOSFET-urile SiC au nevoie, de obicei, de la +15 până la +20 volți pentru a porni și de la -5 până la 0 volți pentru a se opri. Astfel, este posibil să aibă nevoie de un circuit integrat de comandă cu două intrări, una pentru tensiunea de pornire și una pentru tensiunea de oprire. MOSFET-urile SiC prezintă o rezistență la pornire scăzută numai atunci când sunt comandate de o tensiune poartă-sursă (V_gs) recomandată de la 18 până la 20 de volți, care este semnificativ mai mare decât valoarea de la 10 până la 15 volți a V_gs necesară pentru a comanda MOSFET-urile Si sau IGBT-urile.

O altă diferență între Si și SiC este că sarcina de recuperare inversă (Q_rr) a diodei de corp intrinsecă „freewheeling” a dispozitivului SiC este destul de scăzută. Acestea necesită o comandă de poartă de curent ridicat pentru a furniza rapid întreaga sarcină de poartă necesară (Q_g).

Stabilirea unei relații adecvate între driverul de poartă și poarta dispozitivului de comutare este esențială. Un pas esențial în acest caz este determinarea valorii optime a rezistorului de poartă extern, notată cu R_G,ext, între driver și dispozitivul de comutare (Figura 5). Există o rezistență de poartă internă și în cadrul dispozitivului de putere, denumită R_G,int, care este în serie cu rezistorul extern, dar utilizatorul nu are control asupra acestei valori, deși este totuși importantă.

Figura 5: Este esențial să se determine valoarea corectă a rezistorului de poartă extern dintre driver și dispozitivul de putere pentru a optimiza performanța perechii. (Sursa imaginii: Infineon Technologies AG)

Determinarea acestei valori a rezistorului este un proces în patru etape care implică, de obicei, iterații, deoarece unele aspecte ale performanței perechii trebuie să fie evaluate „pe bancul de testare” după analiză și modelare. Pe scurt, procedura generală este următoarea:

Pasul 1: Determinați curentul de vârf (I_g) pe baza valorilor din fișa tehnică și selectați un driver de poartă adecvat.

Pasul 2: Calculați valoarea rezistorului de poartă extern (R_G,ext) pe baza oscilației tensiunii de poartă a aplicației.

Pasul 3: Calculați disiparea de putere preconizată (P_D) a circuitului integrat de comandă a porții și a rezistorului extern al porții.

Pasul 4: Validați calculele pe bancul de lucru pentru a determina dacă driverul este suficient de puternic pentru a comanda tranzistorul și dacă puterea disipată se încadrează în limitele permise:

1. Verificați absența evenimentelor parazite de activare declanșate de fenomene tranzitorii dv/dt în condițiile cele mai nefavorabile.
2. Măsurați temperatura circuitului integrat al driverului de poartă în timpul funcționării în regim staționar.
3. Calculați puterea de vârf a rezistorului și comparați-o cu valoarea nominală a acestuia pentru un singur impuls.

Aceste măsurători vor confirma dacă presupunerile și calculele rezultă într-un comportament de comutare sigur (fără oscilații, sincronizare adecvată) al MOSFET-ului SiC. În caz contrar, proiectantul trebuie să repete pașii de la 1 la 4 cu o valoare ajustată pentru rezistorul de poartă extern.

Ca în cazul majorității deciziilor tehnice, există compromisuri între mai mulți factori de performanță atunci când se selectează valoarea unei componente. De exemplu, dacă există oscilații, modificarea valorii rezistorului de poartă le poate elimina. Creșterea valorii acestuia va reduce viteza de salt pentru dv/dt, deoarece viteza tranzistorului va scădea. O valoare mai mică a rezistorului va duce la o comutare mai rapidă a dispozitivului SiC, ceea ce va duce la fenomene tranzitorii dv/dt mai mari.

Impactul mai larg al creșterii sau scăderii valorii rezistorului de poartă extern asupra considerentelor critice de performanță a driverului de poartă este prezentat în figura 6.

Figura 6: Creșterea sau reducerea valorii rezistorului de poartă extern are un impact asupra multor atribute de performanță, astfel că proiectanții trebuie să evalueze compromisurile. (Sursa imaginii: Infineon Technologies AG)

Nu trebuie să faceți compromisuri

Deși compromisul face parte din proiectarea sistemului, componentele potrivite pot reduce în mod semnificativ acest compromis. De exemplu, circuitele integrate de comandă a porții EiceDRIVER de la Infineon oferă o eficiență energetică ridicată, imunitate la zgomot și robustețe. În plus, acestea sunt ușor de utilizat cu caracteristici precum protecția rapidă la scurtcircuit; detectarea și protecția împotriva defecțiunilor de desaturare (DESAT); limitarea Miller activă; controlul vitezei de salt; protecție împotriva supra-încărcării; protecție împotriva defecțiunilor, opririi și supracurentului; și configurabilitate digitală I²C.

Driverele sunt potrivite atât pentru dispozitivele de putere cu siliciu, cât și pentru cele cu bandă interzisă largă. Acestea variază de la driverele low-side neizolate, de putere mai mică, de tensiune mai mică, la dispozitive izolate de kilovolți/kilowați (kV/kW). De asemenea, sunt disponibile drivere duale și multicanal, ceea ce reprezintă o opțiune bună pentru anumite situații.

Un driver de poartă low-side de 25 de volți

Selectat din gama de dispozitive, 1ED44176N01FXUMA1 este un driver de poartă low-side de 25 de volți într-o capsulă DS-O8 (Figura 7). Acest driver de poartă MOSFET de putere de joasă tensiune și IGBT fără inversare dispune de tehnologii CMOS brevetate imune la blocare, care permit construcția sa monolitică robustă. Intrarea logică este compatibilă cu ieșirile standard CMOS sau LSTTL de 3,3, 5 și 15 volți și include intrări declanșate de Schmitt pentru a minimiza declanșările false de semnal, în timp ce driverul de ieșire dispune de un etaj tampon de curent. Acesta poate acționa dispozitive de 50 de amperi (A)/650 de volți la o frecvență de până la 50 kHz și se adresează aparatelor electrocasnice și infrastructurii alimentate de la rețeaua de curent alternativ, cum ar fi pompele de căldură.

Figura 7: 1ED44176N01FXUMA1 este un driver de poartă miniatural în capsulă DS-08 pentru aplicații de tensiune/putere mai mică, care dispune de tehnologii CMOS brevetate imune la blocare. (Sursa imaginii: Infineon Technologies AG)

Printre specificațiile cheie ale 1ED44176N01FXUMA1 se numără un curent pulsat de scurtcircuit tipic pentru sursă la ieșire (impuls <10 µsec) de 0,8 A la 0 volți, în timp ce curentul pulsat de scurtcircuit pentru absorbție la ieșire este de 1,75 A la 15 volți. Specificațiile dinamice critice includ un timp de pornire și oprire de 50 de nanosecunde (ns) (tipic)/95 ns (maxim), pe când timpul de creștere la pornire este de 50/80 ns (tipic/maxim), iar timpul de scădere la oprire este de 25/35 ns (tipic/maxim).

Conectarea 1ED44176N01F este relativ simplă, cu un pin pentru detectarea protecției la supracurent (OCP) și o ieșire de stare FAULT (Figura 8). Există, de asemenea, un pin dedicat pentru a programa timpul de ștergere a defecțiunilor. Pinul EN/FLT trebuie să fie tras în sus pentru a asigura o funcționare normală, pe când tragerea acestuia în jos determină dezactivarea driverului. Circuitele interne de pe pinul V_CC oferă protecție de blocare la subtensiune care menține ieșirea la nivel scăzut până când tensiunea de alimentare V_CC revine în intervalul de funcționare necesar. Masele logice și cablurile de împământare separate îmbunătățesc imunitatea la zgomot.

Figura 8: Cu numai opt pini, driverul de poartă 1ED44176N01F este relativ ușor de conectat la procesor și la dispozitivul de putere. (Surse imagini: Infineon Technologies AG)

Deși este relativ ușor de conectat, utilizatorii acestui driver de poartă și ai dispozitivului de putere asociat pot beneficia de pe urma utilizării plăcii de evaluare EVAL1ED44176N01FTOBO1 (Figura 9). Folosind această placă, proiectanții pot selecta și evalua rezistorul de șuntare pentru detectarea curentului (R_CS), filtrul de rezistor și condensator (RC) pentru OCP și protecția împotriva scurtcircuitelor, precum și condensatorul pentru timpul de ștergere a defecțiunilor.

Figura 9: Placa de evaluare EVAL1ED44176N01FTOBO1 permite proiectanților să seteze și să măsoare punctele cheie de funcționare a driverelor de poartă cu un dispozitiv de comutare asociat. (Surse imagini: Infineon Technologies AG)

Driver de poartă de înaltă tensiune MOSFET SiC

La un nivel de tensiune mult mai ridicat decât driverul de poartă pentru aparate electrocasnice alimentate de la rețeaua de c.a. și dispozitivele de putere ale acestuia se află 1EDI3031ASXUMA1, un driver de poartă MOSFET SiC izolat, cu un singur canal, de 12 A, care este evaluat la 5700 V_RMS (Figura 10). Acest driver este un dispozitiv de înaltă tensiune proiectat pentru motoare auto de peste 5 kW, care acceptă MOSFET-uri SiC de 400, 600 și 1200 de volți.

Figura 10: EDI3031AS este o poartă MOSFET SiC izolată, cu un singur canal, de 12 A, proiectată pentru acționări de motoare auto de peste 5 kW. (Surse imagini: Infineon Technologies AG)

Dispozitivul utilizează tehnologia Infineon de transformare fără miez (CT) pentru a implementa izolarea galvanică (Figura 11).

Figura 11: Pentru a asigura izolarea galvanică se utilizează un transformator fără miez brevetat, ilustrat (stânga) și construit (dreapta). (Surse imagini: Infineon Technologies AG)

Această tehnologie are mai multe caracteristici. Permite oscilații mari de tensiune de ±2300 volți sau mai mult, oferă imunitate la fenomenele tranzitorii negative și pozitive și are pierderi de putere reduse. În plus, are un transfer de semnal extrem de robust, independent de zgomotul de mod comun și suportă o imunitate la fenomenele tranzitorii de mod comun (CMTI) de până la 300 volți/ns. De asemenea, potrivirea strânsă a întârzierii de propagare asigură toleranță și robustețe fără variații datorate îmbătrânirii, curentului și temperaturii.

Driverul 1EDI3031ASXUMA1 suportă MOSFET-uri SiC de până la 1200 de volți, având o ieșire de la șină la șină cu un curent de vârf de 12 A și o întârziere de propagare tipică de 60 ns. Are un CMTI de până la 150 V/ns la 1000 de volți, iar limitarea Miller activă integrată de 10 A suportă comutarea unipolară.

Acest driver special vizează invertoarele de tracțiune pentru vehiculele electrice (EV), vehiculele electrice hibride (HEV) și invertoarele auxiliare pentru ambele. Din acest motiv, acesta a integrat mai multe caracteristici de siguranță pentru a susține evaluările de clasă ASIL B(D), precum și validarea produsului în conformitate cu AEC-Q100. Aceste caracteristici includ DESAT și OCP redundante; monitorizarea porții și a etajului de ieșire; protecția împotriva supra-încărcării; monitorizarea alimentării primare și secundare; și supravegherea internă. Izolația de bază de 8 kV îndeplinește cerințele VDE V 0884-11:2017-01 și este recunoscută prin UL 1577.

Datorită nivelului său de putere și pentru a îndeplini cerințele din domeniul auto, driverul 1EDI3031ASXUMA1 este mult mai mult decât un dispozitiv puternic, dar „neinteligent”. Pe lângă toate caracteristicile sale de siguranță, acesta implementează o diagramă de stare pentru a asigura o funcționalitate adecvată (Figura 12). Caracteristicile sale de diagnosticare „intruzivă” oferă posibilitatea de a intra într-o „stare de siguranță” în caz de defecțiune a sistemului.

Figura 12: Sofisticarea și autoverificarea integrității driverului de poartă 1EDI3031ASXUMA1 sunt clar ilustrate în diagrama de stare a modurilor sale de funcționare. (Sursa imaginii: Infineon Technologies AG)

Proiectanții care lucrează cu 1EDI3031ASXUMA1 pot începe rapid cu placa de evaluare 1EDI30XXASEVALBOARDBOTOBO1 pentru familia de drivere de poartă EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER (Figura 13).

Figura 13: Placa de evaluare 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 pentru familia de drivere de poartă EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER permite proiectanților să evalueze acest driver de mare putere cu un dispozitiv de putere asociat. (Surse imagini: Infineon Technologies AG)

Această platformă de evaluare versatilă dispune de o configurație cu jumătate de punte, prezentată în figura 14. Aceasta permite montarea fie a modulului IGBT DSC HybridPACK, fie a unui dispozitiv de putere discret PG-TO247-3.

Figura 14: Placa de evaluare 1EDI30XXASEVALBOARDBOTOBO1 implementează un aranjament izolat cu punte parțială și poate fi utilizată cu module sau dispozitive discrete. (Surse imagini: Infineon Technologies AG)

Fișa de date detaliată pentru această placă de evaluare include schema, lista de materiale, detalii despre cum și unde să atașați diferitele conexiuni, detalii de configurare, secvențe de operare și indicatoare cu leduri, printre multe altele.

Concluzie

Driverele de poartă reprezintă interfața critică dintre ieșirea unui procesor digital de nivel scăzut și de mică putere și cerințele de nivel înalt, de mare putere și de curent ridicat ale porții unui dispozitiv de putere, cum ar fi un MOSFET Si sau SiC. Adaptarea corectă a driverului la caracteristicile și cerințele dispozitivului de putere este esențială pentru un circuit de comutare fiabil și de succes pentru sistemele de alimentare, cum ar fi invertoarele, acționările motoarelor și controlerele de iluminat. După cum s-a arătat, o gamă largă și vastă de drivere, bazată pe mai multe tehnologii avansate și brevetate și susținută de plăci și kituri de evaluare, îi ajută pe proiectanți să asigure o potrivire optimă.

Conținut asociat

1. Alegeți în câțiva pași un driver de poartă pentru MOSFET-ul dvs. cu carbură de siliciu
2. Fiecare comutator are nevoie de un driver
3. Ghidul de selecție a circuitelor integrate pentru driverul de poartă Infineon EiceDRIVER™ 2022
4. Circuite integrate de comandă a porții: Circuite integrate de comandă a porții EiceDRIVER™ pentru MOSFET-uri, IGBT-uri, MOSFET-uri SiC și HEMT-uri GaN
5. Descriere tehnică pentru driverul low-side AN2018-03 cu protecție la supracurent și defecțiune/activare 1ED44176N01F