Dizaina vadlīnijas izolētu vārtu draiveru lietošanai

Trīsdaļīgajā projektēšanas rokasgrāmatā ir paskaidrots, kā izvēlēties atbilstošu izolētu vārtu vadītāju jaudas pārslēgšanas ierīcēm jaudas elektronikas lietojumos, un dalās praktiskajā pieredzē. Šis raksts ir pirmā daļa, kas galvenokārt ietver izolētu vārtu vadītāju ievadu un atlases rokasgrāmatu.

Šī raksta atsauces adrese:

ON Semiconductor izolētie vārtu draiveri ir izstrādāti tā, lai atbilstu maksimālā pārslēgšanās ātruma un sistēmas izmēra ierobežojumiem, kas nepieciešami tādām tehnoloģijām kā SiC (silīcija karbīds) un GaN (gallija nitrīds), lai nodrošinātu uzticamu MOSFET vadību. Daudziem jaudas elektronikas nozares dizaineriem ir liela pieredze darbā ar Si MOSFET, SiC un GaN MOSFET, un viņi ir eksperti lietotāji. Sistēmu ražotāji arvien vairāk interesējas par savu konstrukciju energoefektivitātes uzlabošanu. Lai sasniegtu vadošo pozīciju tirgū, ļoti svarīga ir augstas energoefektivitātes un zemu izmaksu kombinācija. No pusvadītāju materiālu viedokļa šajā jomā ir panākts ievērojams progress, un tagad ir produkti, kas spēj pārslēgties lielā ātrumā, tādējādi palielinot sistēmas līmeņa efektivitāti, vienlaikus samazinot izmēru.

Izolēti vārtu vadītāji--Kas tie ir, kāpēc tie tiek izmantoti un kā tie darbojas?

Jaudas MOSFET ir sprieguma kontrolētas ierīces, ko izmanto kā komutācijas elementus strāvas ķēdēs, motora piedziņās un citās sistēmās. Vārti ir katras ierīces elektriski izolēta vadības spaile. Pārējie MOSFET termināļi ir avots un aizplūšana.

Lai darbinātu MOSFET, vārtiem parasti ir jāpieliek spriegums (pretēji avotam vai emitentam). Speciāls draiveris tiek izmantots, lai pievadītu spriegumu uz barošanas ierīces vārtiem un nodrošinātu piedziņas strāvu.

Vārtu draiveri tiek izmantoti, lai ieslēgtu un izslēgtu barošanas ierīces. Lai to izdarītu, vārtu vadītājs uzlādē barošanas ierīces vārtus līdz galīgajam ieslēgšanas spriegumam VGS(ON) vai vadītāja ķēde izlādē vārtus līdz galīgajam izslēgšanas spriegumam VGS(OFF). Lai pārietu starp diviem vārtu sprieguma līmeņiem, daļa jaudas tiek izkliedēta cilpā starp vārtu vadītāju, vārtu rezistoru un barošanas ierīci.

Mūsdienās augstfrekvences pārveidotāji mazas un vidējas jaudas lietojumiem galvenokārt izmanto vārtu sprieguma kontroles ierīces, piemēram, MOSFET.

Lieljaudas lietojumiem labākās pašlaik izmantotās ierīces ir silīcija karbīda (SiC) MOSFET, kurām nepieciešama lielāka piedziņas strāva, lai ātri ieslēgtu/izslēgtu šos barošanas slēdžus. Vārtu draiveri ir piemēroti ne tikai MOSFET, bet arī jaunām ierīcēm plašā joslas diapazonā, par ko pašlaik zina tikai daži cilvēki, piemēram, silīcija karbīda (SiC) FET un gallija nitrīda (GaN) FET.

Vārtu draiveris ir jaudas pastiprinātājs, kas pieņem ievadi no kontrollera IC un ģenerē atbilstošu lielu strāvu, lai vadītu jaudas pārslēgšanas ierīces vārtus.

Tālāk ir sniegts īss vārtu draiveru izmantošanas iemeslu kopsavilkums:

Vārtu piedziņas pretestība

Vārtu draivera funkcija ir ātri ieslēgt un izslēgt barošanas ierīces, lai samazinātu zudumus. Lai izvairītos no šķērsvadības zudumiem, ko izraisa Millera efekts vai lēna pārslēgšanās pie noteiktām slodzēm, vadītājam jāizveido izslēgšanas stāvoklis ar zemāku pretestību nekā pretējā tranzistora ieslēgšanas stāvoklis. Negatīvā vārtu piedziņas rezerve spēlē svarīgu lomu šo zaudējumu samazināšanā.

Avota induktivitāte

Šī ir induktivitāte, ko dala vārtu vadītāja strāvas cilpa un izejas strāvas cilpa. Negatīvā vārtu piedziņas sprieguma rezerve apvienojumā ar avota pievada induktivitāti tieši ietekmē izejas pārslēgšanās ātrumu zem slodzes, kas ir avota induktivitātes avota degradācijas efekts (avota pievada induktivitāte savieno izejas pārslēgšanas strāvu atpakaļ ar vārtu piedziņu, tādējādi palēninot vārtu piedziņu).

Vārtu draiveris pieliek sprieguma signālu (VGS) starp aizbīdni (G) un MOSFET strāvas avotu (S), vienlaikus nodrošinot lielas strāvas impulsu, kā parādīts 1. attēlā.

· Iespējot CGS un CGD ātru uzlādi/izlādi

· Ātra ieslēgšanas/izslēgšanas jauda MOSFET

1. attēls. Vārtu piedziņas strāvas ceļš

Kāpēc galvaniskā izolācija?

Lieljaudas lietojumiem ir nepieciešama galvaniskā izolācija, lai novērstu bīstamu zemējuma cilpu aktivizēšanos, kas var izraisīt troksni, izraisot abu ķēžu zemējumu atšķirīgu potenciālu un tādējādi apdraudot sistēmas drošību. Strāvas šādās sistēmās var būt nāvējošas cilvēkiem, tāpēc ir jānodrošina visaugstākais drošības līmenis. Elektriskā vai galvaniskā izolācija attiecas uz stāvokli, kurā starp diviem punktiem ar atšķirīgu potenciālu necirkulē līdzstrāva.

Precīzāk, galvaniskās izolācijas stāvoklī nav iespējams pārvietot nesējus no viena punkta uz otru, bet elektrisko enerģiju (vai signālus) joprojām var apmainīties ar citām fizikālām parādībām, piemēram, elektromagnētisko indukciju, kapacitatīvo savienojumu vai gaismu. Šis nosacījums ir līdzvērtīgs bezgalīgai pretestībai starp diviem punktiem; praksē pietiek ar pretestību līdz aptuveni 100 MΩ. Ja bojājumi attiecas tikai uz elektroniskajiem komponentiem, drošības izolācija var nebūt nepieciešama, bet, ja vadības pusē ir iesaistīta cilvēka darbība, starp lieljaudas pusi un zemsprieguma vadības ķēdi ir nepieciešama galvaniskā izolācija. Tas pasargā no jebkādām kļūmēm augstsprieguma pusē, jo pat tad, ja ir bojāti vai bojāti komponenti, izolācijas barjera neļauj strāvai nonākt pie lietotāja. Izolācija ir obligāta regulējošajām aģentūrām un drošības sertifikācijas iestādēm, lai novērstu elektriskās strāvas trieciena risku. Tālāk ir sniegts kopsavilkums par izmantošanas iemesliem un galvaniskās izolācijas metodēm daudzos enerģijas lietojumos.

·Novērst un droši izturēt augstsprieguma pārspriegumus, kas bojā aprīkojumu vai apdraud cilvēkus.

·Aizsargājiet dārgos kontrolierus – viedās sistēmas

·Pacieš lielas potenciālu atšķirības un destruktīvas zemējuma cilpas ķēdēs ar lielu enerģiju vai ilgu atdalīšanu

· Uzticami sazināties ar augstas puses komponentiem augstsprieguma augstas veiktspējas režīmā

Risinājumi

2. attēls. Neizolēts un izolēts

Izolēta vārtu vadītāja izvēles rokasgrāmata

Tālāk ir paskaidrots, kā izvēlēties izolētu vārtu vadītāju. Piemēram, sistēmai ar zemāku darba spriegumu komutācijas ierīci var tieši savienot ar kontrolieri, ja vien regulatora izturības spriegums ir pieļaujamā diapazonā. Tomēr vārtu draiveris ir izplatīta sastāvdaļa lielākajā daļā strāvas pārveidotāju. Tā kā vadības ķēde darbojas ar zemu spriegumu, kontrolieris nevar nodrošināt pietiekami daudz jaudas, lai ātri un droši atvērtu vai aizvērtu strāvas slēdzi. Tāpēc kontroliera signāls tiek nosūtīts uz vārtu draiveri, kas spēj izturēt lielāku jaudu un var vadīt MOSFET vārtus pēc vajadzības. Lieljaudas vai augstsprieguma lietojumos ķēdes komponenti tiek pakļauti lieliem sprieguma novirzēm un lielām strāvām. Ja strāva noplūst no jaudas MOSFET uz vadības ķēdi, augstais spriegums un strāva strāvas pārveidošanas ķēdē var viegli izdegt tranzistoru, izraisot nopietnu vadības ķēdes bojājumu. Turklāt lielas jaudas lietojumprogrammām ir jābūt galvaniskai izolācijai starp ievadi un izvadi, lai aizsargātu lietotājus un citas ierīces.

Vārtu piedziņas sprieguma diapazons

Pārveidotāja darba spriegums ir atkarīgs no komutācijas elementa specifikācijām (piemēram, Si MOSFET vai SiC MOSFET). Jāapstiprina, ka pārveidotāja izejas spriegums nepārsniedz komutācijas elementa aizbīdņa sprieguma maksimālo vērtību.

Vārtu piedziņas pozitīvajam spriegumam jābūt pietiekami augstam, lai nodrošinātu, ka vārti ir pilnībā ieslēgti. Ir arī jānodrošina, lai piedziņas spriegums nepārsniegtu absolūto maksimālo vārtu spriegumu. Si-MOSFET parasti izmanto piedziņas spriegumu +12V, +15V parasti izmanto SiC darbināšanai, un GaN aizbīdņa spriegums ir +5V. 0-V vārtu spriegums var uzturēt visas ierīces izslēgtā stāvoklī. Vispārīgi runājot, MOSFET nav nepieciešama negatīva slīpuma vārtu piedziņa, ko dažreiz izmanto SiC un GaN MOSFET. Komutācijas lietojumprogrammās ir ļoti ieteicams izmantot SiC un GaN MOSFET negatīvās nobīdes vārtu piedziņu, jo parazitārā induktivitāte, ko rada neideāls PCB izkārtojums augstas di/dt un dv/dt pārslēgšanās laikā, var izraisīt zvana signālu aizvara avota piedziņas spriegumam. jaudas tranzistors. Tālāk ir norādīti katrai komutācijas ierīcei piemērojamie vārtu piedziņas spriegumi.

Izolācijas spēja

Šo iespēju nosaka sistēmas darba spriegums. Sistēmas darba spriegums ir tieši proporcionāls izolācijas spējai. Viens no izolētu vārtu draivera galvenajiem parametriem ir tā izolācijas sprieguma nomināls. Izolācijas reitings ir paredzēts, lai novērstu neparedzētu sprieguma pāreju no bojājumiem citām ķēdēm, kas pievienotas barošanas avotam, tāpēc pareiza izolācijas vērtība ir būtiska, lai aizsargātu lietotāju no potenciāli kaitīgām strāvas izlādes. Turklāt šis novērtējums pasargā pārveidotājā esošos signālus no trokšņa vai neparedzētu kopējā režīma sprieguma pārejas traucējumiem. Izolācijas vērtību parasti izsaka kā sprieguma daudzumu, ko izolācijas barjera var izturēt. Lielākajā daļā izolēto vārtu draiveru datu lapu izolācijas spriegums ir norādīts kā tādi parametri kā maksimālais atkārtotas maksimālās izolācijas spriegums (VIORM), darba izolācijas spriegums (VIOWM), maksimālais pārejošas izolācijas spriegums (VIOTM), maksimālais pārsprieguma izolācijas spriegums (VIOSM) un RMS. izolācijas spriegums (VISO). Jo augstāks sistēmas darba spriegums, jo lielāka ir nepieciešama pārveidotāja izolācijas spēja.

IESLĒGTS Semiconductor izolēto vārtu draiveri tiek ražoti, izmantojot MPS testeri (modelis MSPS-20).

Izolācijas kapacitāte

Izolācijas kapacitāte ir parazitārā kapacitāte starp pārveidotāja ieejas un izejas malām. No šādas formulas mēs redzam, ka izolācijas kapacitāte ir proporcionāla noplūdes strāvai.

Starp tiem: noplūde: noplūdes strāva, fS: darba frekvence, CISO: izolācijas kapacitāte. VSYS: sistēmas darba spriegums

Jaudas zudumi ir proporcionāli noplūdes strāvai. Ja sistēmai jādarbojas ar augstu darba frekvenci un augstu spriegumu, mums jāpievērš lielāka uzmanība pārveidotāja izolācijas kapacitātes lielumam, lai izvairītos no pārmērīgas temperatūras paaugstināšanās.

Kopējā režīma pārejoša imunitāte (CMTI)

Kopējā režīma īslaicīgā imunitāte (CMTI) ir viena no galvenajām īpašībām, kas saistīta ar izolētiem vārtu draiveriem, īpaši, ja sistēma darbojas ar augstām pārslēgšanas frekvencēm. Tas ir svarīgi, jo liela ātruma (augstas frekvences) pārejas var sabojāt datu pārraidi pāri izolācijas barjerai. Kapacitāte pāri izolācijas barjerai (ti, starp izolācijas iezemējuma plaknēm) nodrošina ceļu šīm ātrajām pārejām šķērsot izolācijas barjeru un sabojāt izejas viļņu formu. Šī raksturīgā parametra mērvienība parasti ir kV/uS.

Ja CMTI nav pietiekami augsts, lielas jaudas troksnis var savienoties pāri izolētajam vārtu draiverim, radot strāvas cilpu un izraisot lādiņa parādīšanos slēdža vārtos. Šis lādiņš, ja tas ir pietiekami liels, var likt vārtu vadītājam nepareizi interpretēt šo troksni kā piedziņas signālu, un šī caurlaide var izraisīt nopietnu ķēdes atteici.

Pašreizējie piedziņas iespēju apsvērumi

Jo lielāka ir vārtu strāva, ko var iegūt/nogremdēt īsā laika periodā, jo īsāks ir aizbīdņa pārslēgšanas laiks un mazāki pārslēgšanas jaudas zudumi darbināmajā tranzistorā.

Maksimālajām avota un izlietnes strāvām (ISOURCE un ISINK) jābūt lielākām par vidējām strāvām (IG, AV), kā parādīts 3. attēlā.

3. attēls. Pašreizējās piedziņas iespēju definīcija

Katram vadītāja strāvas novērtējumam aptuveno maksimālo vārtu lādiņu QG, ko var pārslēgt norādītajā laikā, var aprēķināt šādi: Nepieciešamā vadītāja strāvas vērtība ir atkarīga no tā, cik daudz vārtu lādiņa QG jāpārvieto, cik ilgā pārslēgšanas laikā tSW−ON/ OFF, jo vidējā vārtu strāva pārslēgšanas laikā ir IG.

Kur tSW,ON/OFF apzīmē MOSFET pārslēgšanas ātrumu. Ja nav zināms, sāciet ar 2% no pārslēgšanās perioda tSW.

Aptuvenās vārtu vadītāja maksimālās avota un izlietnes strāvas var aprēķināt, izmantojot šādas formulas.

Ieslēgts (avots pašreizējais)

Kad izslēgts (grimšanas strāva)

Kur QG ir vārtu maksa pie VGS=VCC, tSW, ON/OFF=ieslēgšanas/izslēgšanas laiks, 1.5=empīriski noteikts faktors (ko ietekmē aizkave vadītāja ievades posmā un parazitārās sastāvdaļas)

Vārtu rezistoru apsvērumi

Nosakot vārtu rezistoru izmērus, ir svarīgi apsvērt iespēju samazināt zvana spriegumu, ko izraisa parazitārā induktivitāte un kapacitāte. Tomēr tas ierobežos pašreizējās vārtu draivera izejas iespējas. Ierobežotās strāvas jaudas vērtības ieslēgšanas un izslēgšanas vārtu rezistoru dēļ var iegūt, izmantojot šādas formulas.

Starp tiem: ISOOURCE: maksimālā avota strāva, ISINK: maksimālā izlietnes strāva, VOH: augsta līmeņa izejas sprieguma kritums, VOL: zema līmeņa izejas sprieguma kritums

ON pusvadītāju izolēto vārtu draiveri

ON Semiconductor piedāvā dažādus izolētus vārtu draiverus, kuru pamatā ir integrēti magnētiski savienoti bezkodolu transformatori, kas ir piemēroti lietojumiem, kur pārslēgšanās ātrums ir ļoti augsts un pastāv sistēmas izmēra ierobežojumi, un var droši kontrolēt Si MOSFET un SiC FET.

Mēs piedāvājam funkcionālus un pastiprinātus izolācijas produktus, kas sertificēti atbilstoši UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 un CQC GB 4943.1. Mūsu izolētie vārtu vadītāji ietver gan rūpnieciskos, gan automobiļus sertificētos produktus.

Šajos izolētos vārtu draiveros ir integrētas dažādas funkcijas, lai izturētu augstus CMTI līmeņus, tiem ir vairākas UVLO opcijas un tie nodrošina ātru izplatīšanās aizkavi (tostarp īsas aizkaves neatbilstības) un minimālu impulsa platuma kropļojumu.

Jo īpaši ON Semiconductor gaidāmie jaunie produkti nodrošinās vienkāršu metodi, lai radītu negatīvu novirzi vārtu piedziņas cilpā, kas ir piemērota SiC MOSFET vadīšanai. Šī negatīvā novirze ir noderīga, ja PCB izkārtojums un/vai pakotnes vadi rada spēcīgu zvana signālu jaudas tranzistorā Vg. Šis vārtu sprieguma zvana signāls parasti notiek augsta di/dt un dv/dt pārslēgšanas apstākļos. Lai zvana signāls būtu zem sliekšņa sprieguma, lai novērstu nepareizu ieslēgšanos, vārtu draiverim parasti tiek piemērots negatīvs nobīde. Ir pieejamas dažādas opcijas, lai ģenerētu -2V, -3V, -4V un -5V, lai tās atbilstu visām konfigurācijām. ON Semiconductor izolētie vārtu draiveri ir pieejami dažādās pakotņu opcijās, tostarp mazos LGA un SOIC 8-pin to 16-pin variantos.

Tālāk ir norādītas ON Semiconductor izolēto vārtu vadītāju saimes galvenās funkcijas, elektriskās specifikācijas un ar drošību saistītie sertifikāti.

1. tabula.

- Izstrādē

- Pēc izvēles, pieejams pēc pieprasījuma

- Plānots

Izolētu vārtu vadītāja atbalsta rīki

Visi saistītie dokumenti par galvaniski izolētu vārtu vadītājiem ir pieejami ON Semiconductor mājaslapā, tostarp datu lapas, projektēšanas un izstrādes rīki, simulācijas modeļi, piezīmes par lietojumu, novērtēšanas padomes dokumentācija, atbilstības ziņojumi utt.

Galvenie saistītie draiveri ir:

● NCP51560

● NCP51561 和 NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563