Pokyny pro návrh pro použití ovladačů izolovaných bran

Třídílný průvodce návrhem vysvětluje, jak vybrat vhodný ovladač izolované brány pro výkonová spínací zařízení v aplikacích výkonové elektroniky, a sdílí praktické zkušenosti. Tento článek je první částí, která obsahuje především úvod a průvodce výběrem ovladačů izolovaných bran.

Referenční adresa tohoto článku:

Izolované hradlové ovladače ON Semiconductor jsou navrženy tak, aby splňovaly maximální rychlost přepínání a omezení velikosti systému vyžadované technologiemi, jako je SiC (karbid křemíku) a GaN (nitrid gallia), aby poskytovaly spolehlivé řízení MOSFETů. Mnoho konstruktérů v průmyslu výkonové elektroniky má rozsáhlé zkušenosti s prací s MOSFETy Si, SiC a GaN MOSFETy a jsou zkušenými uživateli. Výrobci systémů se stále více zajímají o zlepšení energetické účinnosti svých návrhů. Pro dosažení vedoucí pozice na trhu je zásadní kombinace vysoké energetické účinnosti a nízkých nákladů. Z hlediska polovodičových materiálů došlo v této oblasti k významnému pokroku a nyní existují produkty schopné přepínat vysokou rychlostí, čímž se zvyšuje účinnost na úrovni systému a zároveň se zmenšuje velikost.

Izolované ovladače brány--Co to je, proč se používají a jak fungují?

Výkonové MOSFETy jsou napětím řízená zařízení používaná jako spínací prvky v silových obvodech, motorových pohonech a dalších systémech. Brána je elektricky izolovaný ovládací terminál každého zařízení. Ostatní terminály MOSFETu jsou zdroj a odtok.

Aby bylo možné provozovat MOSFET, musí být na bránu typicky přivedeno napětí (na rozdíl od zdroje nebo emitoru). Vyhrazený ovladač se používá k přivedení napětí na hradlo napájecího zařízení a poskytování proudu pohonu.

Ovladače brány se používají k zapínání a vypínání napájecích zařízení. K tomu ovladač brány nabije bránu napájecího zařízení na koncové spínací napětí VGS(ON), nebo obvod budiče vybije bránu na koncové vypínací napětí VGS(OFF). Pro převod mezi dvěma úrovněmi hradlového napětí se část energie rozptýlí ve smyčce mezi budičem hradla, hradlovým rezistorem a napájecím zařízením.

Dnes vysokofrekvenční měniče pro aplikace s nízkým a středním výkonem primárně využívají zařízení pro řízení napětí hradla, jako jsou MOSFETy.

Pro aplikace s vysokým výkonem jsou v současné době nejlepšími zařízeními MOSFET z karbidu křemíku (SiC), které vyžadují vyšší hnací proudy k rychlému zapnutí/vypnutí těchto vypínačů. Hradlové ovladače nejsou vhodné pouze pro MOSFETy, ale také pro nová zařízení v širokém pásmu, o kterých v současné době ví jen málo lidí, jako jsou FET z karbidu křemíku (SiC) a FET s nitridem galia (GaN).

Hradlový ovladač je výkonový zesilovač, který přijímá vstup z řadiče IC a generuje příslušný vysoký proud pro řízení hradla výkonového spínacího zařízení.

Následuje stručný přehled důvodů pro použití ovladačů brány:

Impedance pohonu brány

Funkcí ovladače brány je rychle zapínat a vypínat napájecí zařízení pro snížení ztrát. Aby se předešlo ztrátám křížovým vedením způsobeným Millerovým efektem nebo pomalým spínáním při určitých zátěžích, musí budič vytvořit vypnutý stav s nižší impedancí než je zapnutý stav na protilehlém tranzistoru. Negativní rozpětí pohonu brány hraje důležitou roli při snižování těchto ztrát.

Indukčnost zdroje

Toto je indukčnost sdílená proudovou smyčkou hradla a výstupní proudovou smyčkou. Záporná rezerva napětí pohonu hradla v kombinaci s indukčností vodiče zdroje má přímý vliv na rychlost spínání výstupu při zatížení, což je efekt degradace zdroje indukčnosti zdroje (indukčnost zdrojového vodiče spojuje výstupní spínací proud zpět s pohonem brány, čímž zpomalení pohonu brány).

Ovladač hradla přivádí napěťový signál (VGS) mezi hradlem (G) a zdrojem (S) výkonového MOSFETu a zároveň dodává impuls vysokého proudu, jak je znázorněno na obrázku 1.

·Povolit rychlé nabíjení/vybíjení CGS a CGD

· Rychlé zapnutí / vypnutí MOSFET

Obrázek 1. Proudová cesta pohonu brány

Proč galvanické oddělení?

Aplikace s vysokým výkonem vyžadují galvanické oddělení, aby se zabránilo spouštění nebezpečných zemních smyček, které by mohly způsobit šum, což by způsobilo, že uzemnění obou obvodů bude mít různé potenciály a ohrozí tak bezpečnost systému. Proudy v takových systémech mohou být pro člověka smrtelné, takže musí být zajištěna nejvyšší úroveň bezpečnosti. Elektrická nebo galvanická izolace označuje stav, ve kterém mezi dvěma body s různými potenciály necirkuluje žádný stejnosměrný proud.

Přesněji řečeno, ve stavu galvanické izolace je nemožné přemisťovat nosiče z jednoho bodu do druhého, ale elektrická energie (nebo signály) může být stále vyměňována prostřednictvím jiných fyzikálních jevů, jako je elektromagnetická indukce, kapacitní vazba nebo světlo. Tato podmínka je ekvivalentní nekonečnému odporu mezi dvěma body; v praxi stačí odpory do cca 100 MΩ. Pokud je poškození omezeno na elektronické komponenty, bezpečnostní izolace nemusí být nutná, ale pokud je na straně ovládání zapojena lidská činnost, je vyžadováno galvanické oddělení mezi stranou vysokého výkonu a nízkonapěťovým ovládacím obvodem. Chrání před jakýmikoli poruchami na straně vysokého napětí, protože i když dojde k poškození nebo selhání součástí, izolační bariéra zabrání tomu, aby se napájení dostalo k uživateli. Izolace je povinná regulačními orgány a bezpečnostními certifikačními orgány, aby se předešlo riziku úrazu elektrickým proudem. Níže je uveden souhrn důvodů použití a metod galvanického oddělení v mnoha energetických aplikacích.

·Zabraňte a bezpečně odolejte vysokonapěťovým rázům, které poškozují zařízení nebo ohrožují lidi.

·Chraňte drahé ovladače - chytré systémy

·Tolerujte velké potenciální rozdíly a destruktivní zemní smyčky v obvodech s vysokou energií nebo dlouhými separacemi

· Spolehlivě komunikujte s vysokonapěťovými komponenty s vysokým výkonem

Řešení

Obrázek 2. Neizolované a izolované

Průvodce výběrem ovladače izolované brány

Následující text vysvětluje, jak vybrat ovladač izolované brány. Například u systému s nižším provozním napětím může být spínací zařízení přímo připojeno k regulátoru, pokud je výdržné napětí regulátoru v povoleném rozsahu. Ovladač brány je však běžnou součástí většiny výkonových měničů. Vzhledem k tomu, že řídicí obvod pracuje s nízkým napětím, ovladač nemůže poskytnout dostatek energie k rychlému a bezpečnému otevření nebo zavření hlavního vypínače. Signál ovladače je tedy posílán do budiče brány, který je schopen snést vyšší výkon a může pohánět bránu MOSFETu dle potřeby. Ve vysokovýkonových nebo vysokonapěťových aplikacích jsou součásti v obvodu vystaveny velkým výkyvům napětí a vysokým proudům. Pokud proud uniká z výkonového MOSFETu do řídicího obvodu, vysoké napětí a proud v obvodu přeměny výkonu mohou snadno spálit tranzistor, což způsobí vážné poškození řídicího obvodu. Kromě toho musí mít aplikace s vysokým výkonem galvanické oddělení mezi vstupem a výstupem, aby byly chráněny uživatelé a další zařízení.

Rozsah napětí pohonu brány

Provozní napětí převodníku závisí na specifikacích spínacího prvku (jako je Si MOSFET nebo SiC MOSFET). Musí být potvrzeno, že výstupní napětí měniče nepřekračuje maximální hodnotu hradlového napětí spínacího prvku.

Kladné napětí ovladače brány by mělo být dostatečně vysoké, aby bylo zajištěno, že brána bude plně zapnuta. Je také nutné zajistit, aby napětí pohonu nepřekročilo absolutní maximální napětí hradla. Si-MOSFETy obvykle používají budicí napětí +12V, +15V se běžně používá k pohonu SiC a hradlové napětí pro GaN je +5V. Napětí 0-V hradla může udržet všechna zařízení ve vypnutém stavu. Obecně řečeno, MOSFETy nevyžadují pohon s negativním předpětím, který se někdy používá pro MOSFETy SiC a GaN. V přepínacích aplikacích se důrazně doporučuje používat u SiC a GaN MOSFETů hradlový pohon se záporným předpětím, protože parazitní indukčnost způsobená neideálním rozložením desky plošných spojů během přepínání vysokých di/dt a dv/dt může způsobit zvonění v napětí pohonu hradlového zdroje. výkonový tranzistor. Níže jsou uvedena použitelná napětí pohonu brány pro každé spínací zařízení.

Schopnost izolace

Tato schopnost je určena provozním napětím systému. Provozní napětí systému je přímo úměrné izolační schopnosti. Jedním z klíčových parametrů ovladače izolované brány je její jmenovité izolační napětí. Třída izolace je navržena tak, aby zabránila neočekávaným přechodným napětím v poškození jiných obvodů připojených k napájecímu zdroji, takže správná hodnota izolace je klíčem k ochraně uživatele před potenciálně škodlivými výboji proudu. Toto hodnocení navíc chrání signály v převodníku před rušením šumem nebo neočekávanými přechodovými jevy napětí v běžném režimu. Hodnota izolace je obvykle vyjádřena jako množství napětí, které izolační bariéra vydrží. Ve většině datových listů ovladačů izolované brány je izolační napětí uvedeno jako parametry, jako je maximální opakující se špičkové izolační napětí (VIORM), pracovní izolační napětí (VIOWM), maximální přechodové izolační napětí (VIOTM), maximální přepěťové izolační napětí (VIOSM) a RMS izolační napětí (VISO). Čím vyšší je provozní napětí systému, tím vyšší je potřeba izolační schopnosti převodníku.

Ovladače izolované brány ON Semiconductor jsou produkčně testovány na testeru MPS (model MSPS-20).

Izolační kapacita

Izolační kapacita je parazitní kapacita mezi vstupní a výstupní stranou převodníku. Z následujícího vzorce můžeme vidět, že izolační kapacita je úměrná svodovému proudu.

Mezi nimi: Ileak: svodový proud, fS: pracovní frekvence, CISO: izolační kapacita. VSYS: provozní napětí systému

Ztráta výkonu je úměrná svodovému proudu. Pokud systém potřebuje pracovat při vysoké pracovní frekvenci a vysokém napětí, musíme věnovat větší pozornost velikosti izolační kapacity převodníku, aby nedošlo k nadměrnému nárůstu teploty.

Běžná přechodová imunita (CMTI)

Společný režim přechodové odolnosti (CMTI) je jednou z hlavních charakteristik spojených s izolovanými hradlovými budiči, zvláště když systém pracuje při vysokých spínacích frekvencích. To je důležité, protože přechodové jevy s vysokou rychlostí přeběhu (vysoká frekvence) mohou narušit přenos dat přes izolační bariéru. Kapacita přes izolační bariéru (tj. mezi izolačními zemními plochami) poskytuje cestu pro tyto rychlé přechodové jevy, aby překročily izolační bariéru a narušily výstupní tvar vlny. Jednotkou tohoto charakteristického parametru je obvykle kV/uS.

Není-li CMTI dostatečně vysoká, může se přes izolovaný budič brány spojit vysokovýkonový šum, vytvořit proudovou smyčku a způsobit, že se na hradle spínače objeví náboj. Tento náboj, pokud je dostatečně velký, může způsobit, že ovladač brány nesprávně interpretuje tento šum jako signál pohonu a toto přestřelení může způsobit vážné selhání obvodu.

Aktuální možnosti disku

Čím vyšší je hradlový proud, který lze získat/utopit v krátkém časovém úseku, tím kratší je spínací čas hradlového budiče a tím nižší spínací výkonová ztráta v buzeném tranzistoru.

Špičkové proudy zdroje a jímky (ISOURCE a ISINK) by měly být vyšší než průměrné proudy (IG, AV), jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3. Definice aktuální schopnosti měniče

Pro každý jmenovitý proud ovladače lze přibližné maximální nabití brány QG, ​​které lze přepnout za zobrazený čas, vypočítat následovně: Požadovaná jmenovitá hodnota proudu ovladače závisí na tom, o kolik QG nabití brány se musí posunout za dobu přepínání tSW−ON/ OFF, protože průměrný proud brány během spínání je IG.

Kde tSW, ON/OFF představuje, jak rychle se má MOSFET přepnout. Pokud neznáme, začněte s 2 % spínací periody tSW.

Přibližné špičkové proudy zdroje a jímky hradlového ovladače lze vypočítat pomocí následujících vzorců.

Zapnuto (aktuální zdroj)

Když je vypnutý (klesající proud)

Kde QG je nabití brány na VGS=VCC, tSW, ON/OFF=doba zapnutí/vypnutí, 1.5=empiricky stanovený faktor (ovlivněný zpožděním ve vstupní fázi ovladače a parazitní složky)

Úvahy o hradlovém rezistoru

Při dimenzování hradlového rezistoru je důležité zvážit snížení vyzváněcího napětí způsobeného parazitní indukčností a kapacitou. Omezí však proudovou kapacitu výstupu budiče brány. Omezené hodnoty proudové kapacity v důsledku zapínacích a vypínacích hradlových odporů lze získat pomocí následujících vzorců.

Mezi nimi: ISOOURCE: špičkový zdrojový proud, ISINK: špičkový klesající proud, VOH: vysoký pokles výstupního napětí, VOL: nízký pokles výstupního napětí

Ovladače izolované brány ON Semiconductor

ON Semiconductor nabízí řadu izolovaných hradlových ovladačů založených na integrovaných magneticky vázaných bezjádrových transformátorech, vhodných pro aplikace, kde jsou spínací rychlosti velmi vysoké a existují omezení velikosti systému, a mohou spolehlivě řídit Si MOSFET a SiC FET.

Nabízíme funkční a zesílené izolační produkty certifikované podle UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 a CQC GB 4943.1. Naše izolované ovladače bran zahrnují průmyslové i automobilové certifikované produkty.

Tyto izolované hradlové ovladače integrují řadu funkcí, aby vydržely vysoké úrovně CMTI, mají více možností UVLO a poskytují rychlé zpoždění šíření (včetně krátkého nesouladu zpoždění) a minimální zkreslení šířky pulzu.

Zejména připravované nové produkty ON Semiconductor poskytnou jednoduchou metodu pro generování negativního předpětí ve smyčce hradla, vhodnou pro řízení SiC MOSFETů. Toto záporné zkreslení je užitečné, pokud uspořádání PCB a/nebo vodiče pouzdra vytvářejí vysoké zvonění ve výkonovém tranzistoru Vg. Toto zvonění hradlového napětí se obvykle vyskytuje za podmínek vysokého spínání di/dt a dv/dt. Aby se zvonění udrželo pod prahovým napětím, aby se zabránilo falešnému zapnutí, je na ovladač brány typicky aplikováno záporné předpětí. K dispozici jsou různé možnosti generování -2V, -3V, -4V a -5V, aby vyhovovaly všem konfiguracím. Izolované hradlové ovladače ON Semiconductor jsou k dispozici v různých variantách balíčků, včetně malých variant LGA a SOIC 8-pin to 16-pin.

Níže jsou uvedeny klíčové vlastnosti, elektrické specifikace a bezpečnostní certifikace řady ovladačů izolované brány ON Semiconductor.

Tabulka 1

- Ve vývoji

- Volitelné, k dispozici na vyžádání

- Plánováno

Nástroje pro podporu ovladače izolované brány

Všechny související dokumenty pro ovladače galvanicky oddělených hradel jsou k dispozici na domovské stránce ON Semiconductor, včetně datových listů, návrhových a vývojových nástrojů, simulačních modelů, aplikačních poznámek, dokumentace hodnotící desky, zpráv o shodě atd.

Mezi hlavní související ovladače patří:

● NCP51560

● NCP51561 和 NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563