Maximizați eficiența controlului dispozitivelor de alimentare folosind convertorul de putere potrivit pentru driver de poartă

De la sursele de alimentare și acționările motoarelor până la stațiile de încărcare și o multitudine de alte aplicații, semiconductoarele de putere cu comutare, cum ar fi MOSFET-urile din siliciu (Si), carbură de siliciu (SiC) și nitrură de galiu (GaN), precum și tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (IGBT), reprezintă cheia pentru proiectarea eficientă a sistemelor de alimentare. Cu toate acestea, pentru a obține performanțe maxime de la dispozitivul de alimentare, este nevoie de un driver de poartă adecvat.

După cum indică și numele său, rolul acestei componente este de a comanda poarta dispozitivului de alimentare și de a o pune în modul de conducție sau de a o scoate din acesta rapid și clar. Acest lucru necesită ca driverul să aibă capacitatea de a furniza/absorbi un curent suficient în ciuda capacității interne a dispozitivului și a capacității (parazite), a inductanței și a altor probleme la sarcină (poartă). În consecință, furnizarea unui driver de poartă de dimensiuni corespunzătoare, cu atributele cheie adecvate, este esențială pentru a realiza potențialul și eficiența depline ale dispozitivului de alimentare. Cu toate acestea, pentru a profita de toate avantajele driverului de poartă, proiectantul trebuie să acorde o atenție deosebită sursei de alimentare cu curent continuu a driverului, care este independentă de linia de curent continuu a dispozitivului de alimentare. Această sursă este similară cu o sursă convențională, dar cu câteva diferențe importante. Poate fi o sursă unipolară, dar, în multe cazuri, este o sursă bipolară nesimetrică, pe lângă alte diferențe funcționale și structurale. De asemenea, proiectanții trebuie să fie atenți la factorul de formă în ceea ce privește amprenta pe placă și cerințele de profil redus, precum și compatibilitatea cu procesele de asamblare și de fabricație prevăzute pentru un proiect.

Acest articol se va concentra asupra surselor de alimentare pentru driverele de poartă, folosind ca exemplu sursele c.c./c.c. cu dispozitiv de montare pe suprafață (SMD) din seria MGJ2 de convertoare c.c./c.c. pentru drivere de poartă de 2 wați de la Murata Power Solutions.

Începeți cu dispozitivele de comutare

Înțelegerea rolului și a atributelor dorite ale convertorului c.c./c.c. pentru driver de poartă începe cu dispozitivele de comutare. În cazul unui MOSFET ca dispozitiv de comutare, calea poartă-sursă este utilizată pentru a controla starea de oprire sau de pornire a dispozitivului (IGBT-urile sunt similare). Atunci când tensiunea poartă-sursă este mai mică decât tensiunea de prag (V_GS < V_TH), MOSFET-ul se află în regiunea de decuplare, nu circulă curent de dren, I_D = 0 amperi (A), iar MOSFET-ul apare ca un „comutator deschis” (Figura 1).

Figura 1: în modul de decuplare, calea dren-sursă a MOSFET-ului arată ca un comutator deschis. (Sursa imaginii: Quora)

În schimb, atunci când tensiunea poartă-sursă este mult mai mare decât tensiunea de prag (V_GS > V_TH), MOSFET-ul se află în regiunea de saturație, circulă curentul de dren maxim (I_D = V_DD /R_L), iar MOSFET-ul apare ca un „comutator închis” cu rezistență scăzută (Figura 2). Pentru MOSFET-ul ideal, tensiunea dren-sursă ar fi zero (V_DS = 0 volți), dar în practică, V_DS este, de obicei, în jur de 0,2 volți datorită rezistenței interne de pornire R_DS(on), care este de obicei sub 0,1 Ohm (Ω) și poate fi chiar și de câteva zeci de miliohmi.

Figura 2: în modul de saturație, calea dren-sursă a MOSFET-ului arată ca un comutator cu rezistență scăzută. (Sursa imaginii: Quora)

În timp ce diagramele schematice fac să pară că tensiunea aplicată la poartă pornește și oprește MOSFET-ul, aceasta este doar o parte din poveste. Această tensiune conduce curentul în MOSFET până când există suficientă sarcină acumulată pentru a-l porni. În funcție de mărimea (curentul nominal) și de tipul comenzii de comutare, cantitatea de curent necesară pentru a trece rapid la o stare complet pornită poate fi de la doar câțiva miliamperi (mA) la câțiva amperi (A).

Funcția driverului de poartă este de a conduce suficient curent în poartă, rapid și clar, pentru a porni MOSFET-ul și de a scoate acest curent în mod invers pentru a opri MOSFET-ul. Mai exact, poarta trebuie să fie acționată de la o sursă cu impedanță redusă, capabilă să furnizeze și să absoarbă un curent suficient pentru a asigura introducerea și extragerea rapidă a sarcinii de control.

Dacă poarta MOSFET-ului ar arăta ca o sarcină pur rezistivă, furnizarea și absorbția acestui curent ar fi relativ simplă. Cu toate acestea, un MOSFET are elemente parazite capacitive și inductive interne și există, de asemenea, elemente parazite de la interconexiunile dintre driver și dispozitivul de alimentare (Figura 3).

Figura 3: acest model al unui MOSFET arată capacitatea și inductanța parazite care afectează performanța driverului. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Rezultatul este o oscilație pendulară a semnalului de comandă a porții în jurul tensiunii de prag, ceea ce face ca dispozitivul să se activeze și să se dezactiveze o dată sau de mai multe ori în timp ce acesta încearcă să se activeze sau să se dezactiveze complet; acest lucru este oarecum similar cu „bascularea comutatorului” în cazul unui comutator mecanic (Figura 4).

Figura 4: oscilația pendulară a ieșirii driverului cauzată de efectele parazite din sarcina MOSFET-ului poate cauza oscilații pendulare și declanșare falsă, similar cu o balansare a unui comutator mecanic. (Sursa imaginii: Learn About Electronics)

Consecințele variază de la cele neobservate sau pur și simplu frustrante într-o aplicație ocazională, cum ar fi aprinderea sau stingerea unei lumini, până la daune probabile în circuitele de comutare rapidă cu modulația impulsurilor în lățime (PWM) utilizate pe scară largă în sursele de alimentare, acționările motoarelor și subsistemele similare. Aceasta poate provoca scurtcircuite și chiar daune permanente în topologiile standard cu punte parțială și punte completă, în care sarcina este plasată între o pereche cu MOSFET superior și inferior, dacă ambele MOSFET-uri de pe aceeași parte a punții sunt pornite simultan, chiar și pentru o clipă. Acest fenomen este cunoscut sub numele de supra-încărcare (Figura 5).

Figura 5: spre deosebire de pornirea normală a MOSFET-urilor Q1 și Q4 (stânga) sau Q2 și Q3 (dreapta), dacă Q1 și Q2 sau Q3 și Q4 ale punții sunt pornite simultan din cauza unor probleme ale driverului sau din alte cauze, între șina de alimentare și masă se va produce o stare de scurtcircuit inacceptabilă și posibil dăunătoare, numită supra-încărcare. (Sursa imaginii: Quora)

Detalii despre driverul de poartă

Pentru a conduce curentul în poartă, tensiunea șinei pozitive trebuie să fie suficient de mare pentru a asigura saturarea maximă/îmbunătățirea comutatorului de putere, dar fără a depăși tensiunea maximă absolută pentru poarta acestuia. În timp ce această valoare a tensiunii depinde de tipul și modelul specific de dispozitiv, IGBT-urile și MOSFET-urile standard vor fi, în general, complet pornite cu o comandă de 15 volți, în timp ce MOSFET-urile SiC tipice pot avea nevoie de mai mult de 20 de volți pentru o stare de pornire completă.

Situația tensiunii negative de comandă a porții este puțin mai complicată. În principiu, pentru starea de oprire, 0 volți pe poartă este adecvat. Cu toate acestea, o tensiune negativă, de obicei între -5 și -10 volți, activează comutarea rapidă controlată de un rezistor de poartă. O comandă negativă adecvată garantează că tensiunea de deconectare a emitorului porții este întotdeauna zero sau mai mică.

Acest lucru este esențial deoarece orice inductanță de emitor (L) (în punctul „x” din Figura 6) între un comutator și referința driverului determină o tensiune opusă pentru emitorul de poartă atunci când comutatorul este oprit. În timp ce inductanța poate fi mică, chiar și o inductanță foarte mică de 5 nanohenry (nH) (câțiva milimetri de conexiune cablată) va produce 5 volți la o viteză de salt di/dt de 1000 A pe microsecundă (A/μs).

Figura 6: chiar și o inductanță de emitor mică în punctul „x” dintre un comutator și referința driverului, din cauza unor considerente legate de dispunere, poate induce o tensiune opusă pentru emitorul de poartă atunci când comutatorul se oprește, provocând fluctuații de pornire/oprire. (Sursa imaginii: Murata Power Solutions)

O tensiune negativă de comandă a porții ajută, de asemenea, la depășirea efectului capacității C_m a efectului Miller de la colector/dren la poartă, care injectează curent în circuitul de comandă a porții în timpul opririi dispozitivului. Atunci când dispozitivul este oprit, tensiunea colector-poartă crește și un curent cu valoarea C_m × dV_ce/dt trece prin capacitatea Miller, în capacitatea de la poartă la emitor/sursă C_ge și prin rezistorul de poartă către circuitul driverului. Tensiunea rezultată V_ge pe poartă poate fi suficientă pentru a porni din nou dispozitivul, provocând o posibilă supra-încărcare și deteriorare (Figura 7).

Figura 7: utilizarea unei tensiuni negative de comandă a porții poate depăși neajunsurile care apar din cauza prezenței capacității efectului Miller în cadrul unui MOSFET sau IGBT. (Sursa imaginii: Murata Power Solutions)

Cu toate acestea, prin comanda negativă a porții, acest efect este minimizat. Din acest motiv, un proiect de driver eficient necesită atât șine de tensiune pozitivă, cât și negativă pentru funcția de comandă a porții. Cu toate acestea, spre deosebire de majoritatea convertoarelor bipolare c.c./c.c. care au ieșiri simetrice (cum ar fi +5 V și -5 V), șinele de alimentare pentru driverul de poartă sunt, de obicei, asimetrice, cu o tensiune pozitivă care este mai mare decât tensiunea negativă.

Dimensionarea puterii nominale a convertorului

Un factor critic este valoarea curentului pe care trebuie să îl furnizeze convertorul driverului porții și, prin urmare, puterea sa nominală. Calculul de bază este destul de simplu. În fiecare ciclu de comutare, poarta trebuie să fie încărcată și descărcată prin rezistorul de poartă R_g. Fișa tehnică a dispozitivului oferă o curbă pentru valoarea Q_g a sarcinii de poartă, unde Q_g este cantitatea de sarcină care trebuie injectată în electrodul de poartă pentru a activa (conduce) MOSFET-ul la anumite tensiuni de poartă. Puterea care trebuie furnizată de convertorul c.c./c.c. se calculează cu ajutorul formulei:

Unde Q_g este sarcina de poartă pentru o oscilație aleasă a tensiunii de poartă (de la pozitiv la negativ), de valoare V_s și la o frecvență F. Această putere este disipată în rezistența internă de poartă (R_int) a dispozitivului și în rezistența externă în serie, R_g. Majoritatea driverelor de poartă au nevoie de o sursă de alimentare sub unu până la doi wați.

Un alt aspect de luat în considerare este curentul de vârf (I_pk) necesar pentru încărcarea și descărcarea porții. Acesta este o funcție a V_s, R_int și R_g. Se calculează cu ajutorul formulei:

În multe cazuri, acest curent de vârf este mai mare decât ceea ce poate furniza convertorul c.c./c.c.. În loc să se apeleze la o sursă mai mare și mai costisitoare (care funcționează cu un ciclu de funcționare redus), majoritatea proiectelor furnizează curentul folosind condensatoare de decuplare pe șinele de alimentare ale driverului, care sunt încărcate de convertor în timpul porțiunilor de curent redus din cadrul ciclului.

Calculele de bază determină cât de mari ar trebui să fie aceste condensatoare de decuplare. Cu toate acestea, este important și ca acestea să aibă o rezistență echivalentă în serie (ESR) și o inductanță (ESL) scăzute, astfel încât să nu împiedice curentul tranzitoriu pe care îl furnizează.

Alte considerente privind convertorul driverului de poartă

Convertoarele c.c./c.c. pentru driverul de poartă au și alte probleme unice. Printre acestea se numără:

• Reglementarea: sarcina convertorului c.c./c.c. este aproape de zero atunci când dispozitivul nu comută. Cu toate acestea, majoritatea convertoarelor convenționale au nevoie de o sarcină minimă în orice moment; în caz contrar, tensiunea de ieșire poate crește dramatic, posibil până la nivelul de defectare a porții.

Ce se întâmplă este faptul că această tensiune ridicată este stocată în condensatoarele de decuplare, astfel că, atunci când dispozitivul începe să comute, ar putea avea o supratensiune la poartă până când nivelul convertorului scade sub sarcina normală. Prin urmare, ar trebui utilizat un convertor c.c./c.c. care are tensiuni de ieșire fixate sau cerințe foarte scăzute pentru sarcina minimă.

• Pornirea și oprirea: este important ca IGBT-urile și MOSFET-urile să nu fie acționate în mod activ de către semnalele de comandă PWM până când șinele de tensiune ale circuitului de comandă nu sunt la valorile lor desemnate. Cu toate acestea, pe măsură ce convertoarele de comandă a porții sunt activate sau dezactivate, poate exista o condiție tranzitorie în care dispozitivele ar putea fi comandate – chiar și cu semnalul PWM inactiv – ceea ce duce la supra-încărcare și deteriorare. Prin urmare, ieșirile convertorului c.c./c.c. ar trebui să aibă un comportament corect la pornirea și oprirea alimentării, cu creșteri și scăderi monotone (Figura 8).

Figura 8: este esențial ca ieșirile convertorului c.c./c.c. să aibă un comportament corect în timpul secvențelor de pornire și de oprire și să nu aibă tensiuni tranzitorii. (Sursa imaginii: Murata Power Solutions)

• Capacitatea de izolare și de cuplare: la putere mare, invertoarele sau convertoarele de putere utilizează, de obicei, o configurație în punte pentru a genera curent alternativ de frecvență de linie sau pentru a furniza o comandă bidirecțională PWM pentru motoare, transformatoare sau alte sarcini. Pentru siguranța utilizatorului și pentru a respecta mandatele de reglementare, semnalul PWM de comandă a porții și șinele de alimentare asociate ale comutatoarelor high-side trebuie să fie izolate galvanic de masă, fără nicio cale ohmică între ele. În plus, bariera de izolare trebuie să fie robustă și să nu prezinte o degradare semnificativă din cauza efectelor repetate ale descărcărilor parțiale pe durata de viață proiectată.

În plus, există probleme datorate cuplajului capacitiv în bariera de izolare; acest lucru este similar cu curentul de scurgere dintre înfășurările primare și secundare ale unui transformator de linie de curent alternativ complet izolat. Acest lucru duce la cerințe conform cărora circuitul de comandă și șinele de alimentare asociate trebuie să fie imune la valori dV/dt ridicate ale nodului de comutare și să aibă o capacitate de cuplare foarte mică.

Mecanismul acestei probleme se datorează fronturilor de comutare foarte rapide, de obicei de 10 kilovolți pe microsecundă (kV/μs), și chiar de 100 kV/μs pentru cele mai recente dispozitive GaN. Această variație rapidă dV/dt provoacă un flux de curent tranzitoriu prin capacitatea barierei de izolare a convertorului c.c./c.c..

Deoarece curentul I = C x (dV/dt), chiar și o capacitate de barieră mică, de numai 20 de picofarazi (pF) cu o comutare de 10 kV/μs, duce la un flux de curent de 200 mA. Acest curent găsește o cale de întoarcere nedeterminată prin circuitele controlerului înapoi la punte, provocând vârfuri de tensiune pe rezistențele și inductanțele de conectare, care pot avea potențialul de a perturba funcționarea controlerului și a convertorului c.c./c.c. Prin urmare, o capacitate de cuplare redusă este de dorit.

Există un alt aspect al izolării de bază și al izolației asociate a convertorului c.c./c.c.. Bariera de izolare este proiectată să reziste continuu la tensiunea nominală, dar, deoarece tensiunea este comutată, bariera se poate degrada mai rapid în timp. Acest lucru se datorează efectelor electrochimice și de descărcare parțială în materialul de barieră care ar apărea numai ca urmare a unei tensiuni fixe de curent continuu.

Prin urmare, convertorul c.c./c.c. trebuie să aibă o izolație robustă și distanțe minime generoase pentru linia de fugă și distanța de siguranță. În cazul în care bariera convertorului face parte și dintr-un sistem de izolare de siguranță, se aplică mandatele de reglementare ale agențiilor relevante pentru nivelul de izolare necesar (de bază, suplimentar, consolidat), tensiunea de funcționare, gradul de poluare, categoria de supratensiune și altitudinea.

Din aceste motive, numai convertoarele c.c./c.c. cu comandă de poartă, cu design și materiale adecvate, sunt recunoscute sau sunt în curs de aprobare în conformitate cu UL60950-1 pentru diferite niveluri de protecție de bază și consolidată (și care sunt, în general, echivalente cu cele din EN 62477-1:2012); de asemenea, există sau sunt în curs de aprobare mai strictă în conformitate cu standardul medical ANSI/AAMI ES60601-1 cu cerințe pentru 1 × mijloc de protecție a pacientului (MOPP) și 2 × mijloace de protecție a operatorului (MOOP).

• Imunitate la curenți tranzitorii de mod comun: CMTI este un parametru important al driverelor de poartă la frecvențe de comutare mai mari, unde driverele de poartă au o tensiune diferențială între două referințe de masă separate, cum este cazul driverelor de poartă izolate. CMTI este definită ca rata maximă tolerabilă de creștere sau scădere a tensiunii de mod comun aplicată între două circuite izolate și este specificată în kV/µs sau în volți pe nanosecundă (V/ns).

În cazul unei valori ridicate de CMTI, cele două părți ale unui aranjament izolat – partea de transmisie și partea de recepție – depășesc specificațiile din fișa tehnică atunci când „lovesc” bariera de izolație cu un semnal cu o viteză de salt foarte mare pentru creștere (pozitivă) sau scădere (negativă). Fișa tehnică a convertorului c.c./c.c. ar trebui să aibă o valoare specificată pentru acest parametru, iar proiectanții trebuie să o adapteze la specificul frecvenței și tensiunii de funcționare a circuitului lor.

Îndeplinirea cerințelor convertorului c.c./c.c. de comandă a porții

Recunoscând numeroasele cerințe dificile și adesea conflictuale privind convertoarele c.c./c.c. cu comandă a porții, Murata a extins seria MGJ2 de convertoare c.c./c.c. cu orificii de trecere pentru a include unități c.c./c.c. SMD. Convertoarele lor sunt potrivite pentru alimentarea circuitelor de comandă a porților high-side și low-side ale IGBT-urilor și MOSFET-urilor în aplicații cu restricții privind spațiul și greutatea, datorită performanțelor lor, factorului de formă compact și profilului redus (aproximativ 20 milimetri (mm) lungime × 15 mm lățime × 4 mm înălțime) și compatibilității cu procesele de fabricație SMD (Figura 9).

Figura 9: toate unitățile din seria MGJ2 de convertoare c.c./c.c. de la Murata au același aspect exterior și aceeași dimensiune, dar sunt disponibile cu o varietate de tensiuni de intrare și cuplări de tensiuni de ieșire bipolare. (Sursa imaginii: Murata Power Solutions)

Membrii acestei familii de convertoare de 2 wați funcționează de la intrări nominale de 5, 12 și 15 volți și oferă o gamă de tensiuni de ieșire asimetrice (ieșiri de +15 volți/-5 volți, +15 volți/-9 volți și +20 volți/-5 volți) pentru a susține niveluri optime de comandă cu cea mai mare eficiență a sistemului și interferențe electromagnetice (EMI) minime. Capsularea pentru montare pe suprafață facilitează integrarea fizică cu driverele de poartă și permite o amplasare mai apropiată, reducând astfel complexitatea cablării și minimizând în același timp captarea interferențelor EMI sau de radiofrecvență (RFI).

Seria MGJ2 este specificată pentru cerințele ridicate de izolare și dV/dt necesare pentru circuitele de punte utilizate în acționările motoarelor și invertoarelor, iar clasa de temperatură și construcția de nivel industrial asigură o durată de viață și o fiabilitate ridicate. Alte atribute cheie includ:

• Izolație consolidată conform aprobării UL62368 (în curs de aprobare)
• Aprobarea ANSI/AAMI ES60601-1 (în curs de aprobare)
• Tensiune de testare a izolației în curent continuu de 5,7 kV (pentru testarea „hi pot”)
• Capacitate de izolare ultra-scăzută
• Funcționare până la +105 °C (cu reducerea sarcinii de funcționare)
• Protecție la scurtcircuit
• Imunitate caracterizată la curenții tranzitorii în mod comun (CMTI) >200 kV/µs
• Tensiune continuă de rezistență la barieră de 2,5 kV
• Performanță de descărcare parțială caracterizată

Două unități arată gama de performanțe disponibile în seria MGJ2:

• MGJ2D152005MPC-R7 ia o intrare nominală de 15 volți (de la 13,5 până la 16,5 volți) și asigură ieșiri cu grad foarte ridicat de asimetrie, de +20 volți și -5,0 volți la până la 80 mA fiecare. Specificațiile cheie includ o reglare a sarcinii de 9% și 8% (maxim) pentru cele două ieșiri (respectiv), ondulație și zgomot sub 20/45 mV (tipic/maxim), eficiență de 71/76% (minim/tipic), capacitate de izolare de doar 3 pF și timp mediu până la defectare (MTTF) de aproximativ 1100 kilo-ore (kH) (determinat folosind MIL-HDBK-217 FN2) și 43.500 kH (conform modelelor de calcul Telecordia SR-332).

• MGJ2D121509MPC-R7 funcționează de la o intrare nominală de 12 volți (de la 10,8 volți la 13,2 volți) și oferă ieșiri asimetrice de +15 volți și -9,0 volți, de asemenea până la 80 mA. Alte specificații cheie includ o reglare a sarcinii de 8%/13% (tipic/maxim) pentru ieșirea de +15 volți și o reglare a sarcinii de 7%/12% (tipic/maxim) pentru ieșirea de -9,0 volți, ondulație și zgomot sub 20/45 mV (tipic/maxim), eficiență de 72/77% (minim/tipic), capacitate de izolare de 3 pF și MTTF de aproximativ 1550 kH (utilizând MIL-HDBK-217 FN2) și 47.800 kH (modele Telecordia).

Pe lângă listele și graficele așteptate care detaliază performanțele statice și dinamice, fișa tehnică comună pentru membrii acestei serii indică numeroasele standarde industriale și mandate de reglementare pe care le îndeplinesc aceste convertoare, împreună cu detalii cuprinzătoare despre condițiile de testare asociate utilizate pentru determinarea acestor factori. Acest lucru oferă un nivel mai ridicat de încredere și accelerează certificarea produselor în aplicații cu cerințe stricte de conformitate.

Concluzie

Selectarea dispozitivului MOSFET sau IGBT adecvat pentru un proiect de putere de comutare este un pas din procesul de proiectare. Există, de asemenea, driverul de poartă asociat care controlează dispozitivul de comutare, trecându-l rapid și clar de la starea pornită la cea oprită. La rândul său, driverul are nevoie de un convertor c.c./c.c. adecvat pentru a furniza puterea de funcționare. După cum s-a arătat, seria MGJ2 de convertoare c.c./c.c. de 2 wați de la Murata, cu montare pe suprafață, oferă performanța electrică necesară și, de asemenea, îndeplinește numeroasele mandate complicate privind siguranța și reglementarea necesare în această funcție.