Directrius de disseny per a l'ús de controladors de portes aïllades

La guia de disseny de tres parts explica com seleccionar el controlador de porta aïllat adequat per als dispositius de commutació d'alimentació en aplicacions d'electrònica de potència i comparteix experiència pràctica. Aquest article és la primera part, que inclou principalment la introducció i la guia de selecció de controladors de portes aïllades.

Adreça de referència d'aquest article:

Els controladors de portes aïllades d'ON Semiconductor estan dissenyats per complir amb les limitacions màximes de velocitat de commutació i mida del sistema requerides per tecnologies com SiC (carbur de silici) i GaN (nitrur de gal·li) per proporcionar un control fiable dels MOSFET. Molts dissenyadors de la indústria de l'electrònica de potència tenen una àmplia experiència treballant amb MOSFET Si, ​​MOSFET SiC i GaN i són usuaris experts. Els fabricants de sistemes estan cada cop més interessats a millorar l'eficiència energètica dels seus dissenys. Per aconseguir una posició de lideratge al mercat, la combinació d'alta eficiència energètica i baix cost és crucial. Des de la perspectiva dels materials semiconductors, el camp ha avançat considerablement i ara hi ha productes capaços de canviar a altes velocitats, augmentant així l'eficiència a nivell del sistema alhora que es redueix la mida.

Controladors de portes aïllades--Què són, per què s'utilitzen i com funcionen?

Els MOSFET de potència són dispositius controlats per tensió utilitzats com a elements de commutació en circuits de potència, accionaments de motor i altres sistemes. La porta és el terminal de control aïllat elèctricament de cada dispositiu. Els altres terminals d'un MOSFET són la font i el drenatge.

Per fer funcionar un MOSFET, normalment s'ha d'aplicar una tensió a la porta (a diferència de la font o emissor). S'utilitza un controlador dedicat per aplicar tensió a la porta del dispositiu d'alimentació i proporcionar corrent d'accionament.

Els controladors de la porta s'utilitzen per encendre i apagar dispositius d'alimentació. Per fer-ho, el controlador de la porta carrega la porta del dispositiu d'alimentació a la tensió d'encesa final VGS (ON), o el circuit de controlador descarrega la porta a la tensió d'apagada final VGS (OFF). Per convertir entre els dos nivells de tensió de la porta, es dissipa una mica de potència al bucle entre el controlador de la porta, la resistència de la porta i el dispositiu d'alimentació.

Avui en dia, els convertidors d'alta freqüència per a aplicacions de baixa i mitjana potència utilitzen principalment dispositius de control de tensió de porta com ara MOSFET.

Per a aplicacions d'alta potència, els millors dispositius que s'utilitzen actualment són els MOSFET de carbur de silici (SiC), que requereixen corrents d'accionament més alts per encendre i apagar ràpidament aquests interruptors d'alimentació. Els controladors de porta no només són adequats per a MOSFET, sinó també per a nous dispositius amb l'ampli bandgap que només algunes persones coneixen actualment, com ara els FET de carbur de silici (SiC) i els FET de nitrur de gal·li (GaN).

Un controlador de porta és un amplificador de potència que accepta l'entrada d'un controlador IC i genera un corrent elevat adequat per accionar la porta d'un dispositiu de commutació de potència.

El següent és un breu resum dels motius pels quals s'utilitzen els controladors de la porta:

Impedància de l'accionament de la porta

La funció del controlador de la porta és encendre i apagar ràpidament els dispositius d'alimentació per reduir les pèrdues. Per evitar pèrdues de conducció creuada causades per l'efecte Miller o la commutació lenta sota determinades càrregues, el controlador ha d'establir l'estat desactivat amb una impedància menor que l'estat encès del transistor oposat. El marge d'accionament de la porta negativa té un paper important en la reducció d'aquestes pèrdues.

Inductància de la font

Aquesta és la inductància compartida pel bucle de corrent del controlador de la porta i el bucle de corrent de sortida. El marge de tensió de la porta negatiu combinat amb la inductància del cable de la font té un impacte directe en la velocitat de commutació de la sortida sota càrrega, que és l'efecte de degradació de la font de la inductància de la font (la inductància del cable de la font acobla el corrent de commutació de sortida a la unitat de la porta, per tant alentint el pas de la porta).

El controlador de la porta aplica un senyal de tensió (VGS) entre la porta (G) i la font (S) del MOSFET de potència mentre lliura un pols de corrent elevat, tal com es mostra a la figura 1.

·Habilita la càrrega/descàrrega ràpida de CGS i CGD

· MOSFET d'encesa/apagada ràpida

Figura 1. Trajecte del corrent d'accionament de la porta

Per què aïllament galvànic?

Les aplicacions d'alta potència requereixen un aïllament galvànic per evitar que s'activin llaços de terra perillosos, que podrien provocar soroll, fent que les masses dels dos circuits es trobin a potencials diferents i comprometin així la seguretat del sistema. Els corrents en aquests sistemes poden ser letals per als humans, per la qual cosa s'ha de garantir el màxim nivell de seguretat. L'aïllament elèctric o galvànic es refereix a l'estat en què no circula cap corrent continu entre dos punts amb potencials diferents.

Més precisament, en l'estat d'aïllament galvànic, és impossible moure portadors d'un punt a un altre, però encara es pot intercanviar energia elèctrica (o senyals) mitjançant altres fenòmens físics com la inducció electromagnètica, l'acoblament capacitiu o la llum. Aquesta condició és equivalent a una resistència infinita entre els dos punts; a la pràctica, són suficients resistències de fins a uns 100 MΩ. Si el dany es limita als components electrònics, pot ser que no sigui necessari l'aïllament de seguretat, però si hi ha activitat humana al costat del control, es requereix un aïllament galvànic entre el costat d'alta potència i el circuit de control de baixa tensió. Protegeix contra qualsevol fallada en el costat d'alta tensió, perquè fins i tot si hi ha danys o fallades dels components, la barrera d'aïllament impedeix que l'energia arribi a l'usuari. L'aïllament és obligatori per les agències reguladores i els organismes de certificació de seguretat per evitar el risc de descàrrega elèctrica. A continuació es mostra un resum de les raons d'ús i els mètodes d'aïllament galvànic en moltes aplicacions d'energia.

·Prevenir i suportar amb seguretat les sobretensions d'alta tensió que danyin els equips o posen en perill les persones.

·Protegir els controladors cars - sistemes intel·ligents

·Tolerar grans diferències de potencial i llaços de terra destructius en circuits amb alta energia o separacions llargues

·Comunicar de manera fiable amb components d'alta tensió d'alt rendiment

Solucions

Figura 2. No aïllat i aïllat

Guia de selecció de controladors de porta aïllada

A continuació s'explica com seleccionar un controlador de porta aïllat. Per exemple, per a un sistema amb una tensió de funcionament més baixa, el dispositiu de commutació es pot connectar directament al controlador sempre que la tensió de resistència del controlador estigui dins del rang permès. Tanmateix, el controlador de la porta és un component comú a la majoria dels convertidors de potència. Com que el circuit de control funciona a una tensió baixa, el controlador no pot proporcionar prou potència per obrir o tancar l'interruptor d'alimentació de manera ràpida i segura. Per tant, el senyal del controlador s'envia al controlador de la porta, que és capaç de suportar una potència més gran i pot conduir la porta del MOSFET segons sigui necessari. En aplicacions d'alta potència o alta tensió, els components del circuit estan sotmesos a grans excursions de tensió i corrents elevats. Si el corrent es filtra des del MOSFET de potència al circuit de control, l'alta tensió i el corrent del circuit de conversió d'energia poden cremar fàcilment el transistor, provocant una avaria greu del circuit de control. A més, les aplicacions d'alta potència han de tenir un aïllament galvànic entre l'entrada i la sortida per protegir els usuaris i altres dispositius.

Interval de voltatge de la unitat de porta

La tensió de funcionament del convertidor depèn de les especificacions de l'element de commutació (com ara Si MOSFET o SiC MOSFET). S'ha de confirmar que la tensió de sortida del convertidor no supera el valor màxim de la tensió de la porta de l'element de commutació.

La tensió positiva del controlador de la porta ha de ser prou alta per assegurar-se que la porta estigui completament encesa. També cal assegurar-se que la tensió d'accionament no superi la tensió màxima absoluta de la porta. Els Si-MOSFET solen utilitzar una tensió d'accionament de +12V, +15V s'utilitza habitualment per impulsar SiC i la tensió de la porta per a GaN és +5V. Una tensió de porta 0-V pot mantenir tots els dispositius en estat apagat. En termes generals, els MOSFET no requereixen una unitat de porta de polarització negativa, que de vegades s'utilitza per als MOSFET SiC i GaN. En aplicacions de commutació, és molt recomanable utilitzar la unitat de porta de polarització negativa per a MOSFET SiC i GaN perquè la inductància paràsit introduïda per un disseny de PCB no ideal durant la commutació alta di/dt i dv/dt pot provocar sons a la tensió de la unitat de la font de la porta de el transistor de potència. A continuació es mostren les tensions d'accionament de la porta aplicables per a cada dispositiu de commutació.

Capacitat d'aïllament

Aquesta capacitat ve determinada per la tensió de funcionament del sistema. La tensió de funcionament del sistema és directament proporcional a la capacitat d'aïllament. Un dels paràmetres clau d'un controlador de porta aïllada és la seva tensió d'aïllament. La classificació d'aïllament està dissenyada per evitar que els transitoris de tensió inesperats danyin altres circuits connectats a la font d'alimentació, de manera que tenir la classificació d'aïllament correcta és clau per protegir l'usuari de descàrregues de corrent potencialment perjudicials. A més, aquesta qualificació protegeix els senyals dins del convertidor de ser molestats per sorolls o transitoris de tensió de mode comú inesperats. El valor d'aïllament s'expressa normalment com la quantitat de tensió que pot suportar la barrera d'aïllament. A la majoria de fulls de dades del controlador de portes aïllades, la tensió d'aïllament es mostra com a paràmetres com ara la tensió d'aïllament màxima repetitiva (VIORM), la tensió d'aïllament de treball (VIOWM), la tensió d'aïllament transitòria màxima (VIOTM), la tensió màxima d'aïllament de sobretensió (VIOSM) i RMS. tensió d'aïllament (VISO). Com més gran sigui la tensió de funcionament del sistema, més gran serà la capacitat d'aïllament del convertidor.

Els controladors de la porta aïllada d'ON Semiconductor es posen a prova de producció en un provador MPS (model MSPS-20).

Capacitat d'aïllament

La capacitat d'aïllament és la capacitat paràsita entre els costats d'entrada i sortida del convertidor. A partir de la fórmula següent, podem veure que la capacitat d'aïllament és proporcional al corrent de fuga.

Entre ells: Ileak: corrent de fuga, fS: freqüència de funcionament, CISO: capacitat d'aïllament. VSYS: tensió de funcionament del sistema

La pèrdua de potència és proporcional al corrent de fuga. Si el sistema ha de funcionar a alta freqüència de funcionament i alta tensió, hem de prestar més atenció a la mida de la capacitat d'aïllament del convertidor per evitar un augment excessiu de la temperatura.

Immunitat transitòria en mode comú (CMTI)

La immunitat transitòria de mode comú (CMTI) és una de les principals característiques associades als controladors de portes aïllades, especialment quan el sistema funciona a freqüències de commutació altes. Això és important perquè els transitoris de velocitat alta (alta freqüència) poden corrompre la transmissió de dades a través de la barrera d'aïllament. La capacitat a través de la barrera d'aïllament (és a dir, entre els plans de terra d'aïllament) proporciona un camí perquè aquests transitoris ràpids travessin la barrera d'aïllament i corrompin la forma d'ona de sortida. La unitat d'aquest paràmetre característic sol ser kV/uS.

Si CMTI no és prou alt, el soroll d'alta potència es pot acoblar a través del controlador de la porta aïllada, creant un bucle de corrent i fent que aparegui la càrrega a la porta de l'interruptor. Aquesta càrrega, si és prou gran, pot fer que el controlador de la porta malinterpreti aquest soroll com a senyal d'accionament, i aquest llançament pot provocar una fallada greu del circuit.

Consideracions actuals sobre la capacitat de la unitat

Com més gran sigui el corrent de la porta que es pot obtenir/enfonsar en un curt període de temps, més curt serà el temps de commutació del controlador de la porta i menor serà la pèrdua de potència de commutació al transistor accionat.

Els pics de corrent de font i d'enfonsament (ISOURCE i ISINK) han de ser superiors als corrents mitjans (IG, AV), tal com es mostra a la figura 3.

Figura 3. Definició actual de la capacitat de la unitat

Per a cada valor nominal de corrent del controlador, la càrrega màxima aproximada de la porta QG que es pot canviar en el temps mostrat es pot calcular de la següent manera: La qualificació de corrent del controlador requerida depèn de quanta càrrega de porta QG s'ha de moure en quant temps de commutació tSW−ON/ OFF, ja que el corrent mitjà de la porta durant la commutació és IG.

On tSW, ON/OFF representa la rapidesa amb què s'ha de canviar el MOSFET. Si es desconeix, comença amb el 2% del període de canvi tSW.

Es poden calcular els corrents màxims aproximats de la font i de la pica del controlador de la porta mitjançant les fórmules següents.

Activat (Font corrent)

Quan està apagat (corrent enfonsant)

On QG és la càrrega de la porta a VGS=VCC, tSW, ON/OFF=temps d'encesa/desactivació, 1.5=factor determinat empíricament (afectat pels retards en l'etapa d'entrada del controlador i components paràsits)

Consideracions sobre resistències de porta

A l'hora de dimensionar la resistència de la porta, és important tenir en compte la reducció de la tensió de sonada causada per la inductància i la capacitat paràsites. Tanmateix, limitarà la capacitat actual de la sortida del controlador de la porta. Els valors de capacitat de corrent limitats a causa de les resistències de la porta d'encesa i apagada es poden obtenir mitjançant les fórmules següents.

Entre ells: ISOOURCE: pic de corrent de la font, ISINK: pic de corrent d'aigüera, VOH: caiguda de voltatge de sortida d'alt nivell, VOL: caiguda de tensió de sortida de baix nivell

Controladors de portes aïllades d'ON Semiconductor

ON Semiconductor ofereix una varietat de controladors de portes aïllades basats en transformadors sense nucli integrats acoblats magnèticament, adequats per a aplicacions on les velocitats de commutació són molt altes i hi ha limitacions de mida del sistema, i poden controlar de manera fiable els MOSFET Si i els FET SiC.

Oferim productes d'aïllament funcionals i reforçats certificats segons UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 i CQC GB 4943.1. Els nostres controladors de portes aïllades inclouen productes certificats tant industrials com d'automoció.

Aquests controladors de porta aïllats integren una varietat de funcions per suportar nivells alts de CMTI, tenen múltiples opcions UVLO i proporcionen retards de propagació ràpids (incloent-hi desajustos de retard curts) i una distorsió mínima de l'amplada del pols.

En particular, els propers nous productes d'ON Semiconductor proporcionaran un mètode senzill per generar un biaix negatiu en el bucle d'accionament de la porta, adequat per conduir MOSFET SiC. Aquest biaix negatiu és útil si el disseny de la PCB i/o els cables del paquet creen un fort timbre al transistor de potència Vg. Aquest timbre de tensió de porta es produeix normalment en condicions de commutació di/dt i dv/dt altes. Per mantenir el timbre per sota de la tensió llindar per evitar l'encesa falsa, normalment s'aplica un biaix negatiu al controlador de la porta. Hi ha diferents opcions disponibles per generar -2V, -3V, -4V i -5V per adaptar-se a totes les configuracions. Els controladors de portes aïllades d'ON Semiconductor estan disponibles en una varietat d'opcions de paquet, incloses les petites variants LGA i SOIC 8-pin a 16-pin.

A continuació es mostren les característiques clau, les especificacions elèctriques i les certificacions relacionades amb la seguretat de la família de controladors de portes aïllades ON Semiconductor.

Taula 1.

- En desenvolupament

- Opcional, disponible a petició

- Planificada

Eines de suport del controlador de la porta aïllada

Tots els documents relacionats amb els controladors de portes aïllades galvàniques estan disponibles a la pàgina d'inici d'ON Semiconductor, incloent fulls de dades, eines de disseny i desenvolupament, models de simulació, notes d'aplicació, documentació de la junta d'avaluació, informes de compliment, etc.

Els principals controladors relacionats inclouen:

● NCP51560

● NCP51561 和 NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563