Infineon решает проблему колебания потенциала земли

16 апреля

управление питаниемответственные примененияInfineonстатьяинтегральные микросхемы

При управлении высоковольтным МОП-транзистором в нижнем плече импульсного источника питания драйверы затвора 1EDN7550B и 1EDN8550B производства Infineon обеспечивают устойчивость к смещениям земли в конструкциях с большими однослойными печатными платами или при больших расстояниях между ШИМ-контроллером и драйвером затвора.

Драйверы затвора нижнего плеча часто используются в импульсных источниках питания (SMPS). Они служат для управления силовыми МОП-транзисторами. В частности, в схеме Boost-PFC они управляют высоковольтным МОП-транзистором, установленным в нижнем плече. В высоковольтных каскадах DC/DC, таких как LLC, ZVS и TTF, драйверы управляют силовыми МОП-транзисторами через сигнальный импульсный трансформатор. В схеме синхронного выпрямления со средней точкой драйверы управления напрямую подключаются к низковольтным МОП-транзисторам. Драйверы затвора, такие как 1EDN7550B и 1EDN8550B, обеспечивают достаточную устойчивость к смещениям земли (GND), которые обычно присутствуют в конструкциях с большими однослойными печатными платами, а также в топологиях, где требования к механическим конструкциям предполагают большие расстояния между ШИМ-контроллером и драйвером затвора.

Уровни входного сигнала обычного драйвера затвора нижнего плеча в типичном SMPS (рисунок 1) зависят от его потенциала земли. Ложное срабатывание драйвера затвора может произойти, если его потенциал земли смещается слишком далеко от потенциала земли ШИМ-контроллера. Это может поставить под угрозу производительность SMPS вплоть до уровня, при котором происходит протекание сквозного тока полумоста, а подключенные силовые МОП-транзисторы подвергаются функциональному разрушению из-за электрического перенапряжения.

Рис. 1. Блок-схема типичного SMPS мощностью 800 Вт

Рис. 1. Блок-схема типичного SMPS мощностью 800 Вт

Проблемы жесткого переключения

В топологиях с жестким переключением, например, в ККМ на базе повышающего преобразователя или в двухтранзисторном прямоходовом преобразователе, паразитные индуктивности в выводе истока силового МОП-транзистора и в цепи заземления платы требуют особого внимания. Жесткое переключение идет рука об руку с высоким значениями di/dt, что в свою очередь приводит к возникновению шума на потенциале земли при переключении. Этот шум представляет собой колебание высокого напряжения в диапазоне 50…120 МГц с амплитудой до ±70 В. Он является первопричиной кратковременных сдвигов между потенциалом земли ШИМ-контроллера и потенциалом земли драйвера затвора. Чем выше номинальная мощность SMPS, тем ярче выражен этот эффект. Кроме того, если конструкции печатных плат не оптимизированы из-за ограничений по стоимости и инженерных требований к разработке, ситуация может еще более усугубиться.

Решить данную проблему довольно сложно. В конечном итоге, чем ниже паразитная индуктивность заземления в контуре питания, тем ниже будут индуцированные колебания потенциала заземления и риск ложных срабатываний. Чтобы максимально снизить нежелательный сдвиг потенциала земли, у разработчиков есть несколько вариантов. Можно минимизировать динамический затворный контур в узких пределах на печатной плате и использовать на ней отдельные печатные проводники GND для обеспечения пути протекания тока с наименьшей возможной индуктивностью. Либо же уменьшить влияние жесткого переключения на схему управления затвором при помощи максимально широких проводников на выходе драйвера затвора, используя силовые МОП-транзисторы в бессвинцовом варианте или силовые МОП-транзисторы с выводом Кельвина. Все эти решения работают, но могут усложнить технический дизайн и значительно увеличить стоимость проектирования.

Обычные драйверы затвора нижнего плеча подвержены ложному срабатыванию

В обычном драйвере затвора нижнего плеча интерпретация входных сигналов управления и разрешающих сигналов всегда выполняется посредством сравнения данных сигналов с потенциалом земли драйвера затвора. В примере, показанном на рисунке 2, вход понимается как логически выключенный, если входной сигнал не выше 0,8 В относительно земли. И наоборот, если уровень входного сигнала по крайней мере на 2 В выше потенциала земли, тогда этот вход логически включен.

Рис. 2. Обычная схема драйвера затвора нижнего плеча, входы привязаны к GND драйвера затвора

Рис. 2. Обычная схема драйвера затвора нижнего плеча, входы привязаны к GND драйвера затвора

Чтобы лучше понять проблему, которая возникает, если смещается потенциал GND драйвера затвора, рассмотрим, что входы драйвера затвора обычно подключены к ШИМ-контроллеру. С точки зрения электрической конструкции, ШИМ-контроллер имеет более стабильный потенциал GND, чем у драйвера затвора. В некоторых конструкциях ситуация ухудшается, если контакт GND драйвера затвора находится далеко от контакта земли ШИМ-контроллера. Это может произойти, например, когда ШИМ-контроллер находится на дочерней плате, которая вставлена в основную плату питания.

На рисунке 3a показана схема повышающего преобразователя с коррекцией коэффициента мощности, причем этот преобразователь использует силовой MOSFET с выводом по схеме Кельвина. Изолированный драйвер затвора используется для развязки двух потенциалов земли: земли ШИМ-контроллера и входной стороны драйвера затвора (GND1) от земли выходной стороны драйвера затвора (GND2). Это называется разрезанием контура заземления.

В схемах, показанных на рисунке 3а, вывод Кельвина используется для уменьшения влияния паразитной индуктивности истока силового МОП-транзистора на потенциал земли драйвера затвора. Измерения таких топологий показывают, что колебания между землей ШИМ-контроллера и GND2 драйвера затвора могут по-прежнему достигать ±60 В.

В источниках питания малой мощности максимальная производительность не всегда является главной целью. Во многих случаях решающими факторами оказываются требования к механическим конструкциям, а также стоимость компонентов и печатных плат. Такие ограничения могут привести к созданию источников питания с большими, чем хотелось бы, расстояниями между драйвером затвора и ШИМ-контроллером. Такие ограничения могут вынудить разработчика использовать однослойные печатные платы и исключить использование изолированных интегральных схем (ИС) драйвера затвора. При этих обстоятельствах наиболее частой проблемой оказывается высокая паразитная индуктивность заземления (рисунок 3б). В подобных применениях переключение силового МОП-транзистора может легко привести к динамическому сдвигу земли между ШИМ-контроллером и драйвером затвора, достигающим ±20 В.

Рис. 3. МОП-транзистор с выводом Кельвина, приводимый в действие изолированной ИС драйвера затвора для отключения контура заземления (а) и пример паразитной индуктивности заземления (б)

Рис. 3. МОП-транзистор с выводом Кельвина, приводимый в действие изолированной ИС драйвера затвора для отключения контура заземления (а) и пример паразитной индуктивности заземления (б)

Драйвер затвора нижнего ключа с истинно дифференциальными входами решает проблемы смещения GND

Если интегральная схема драйвера затвора имеет действительно дифференциальные входы, его управляющие сигналы в значительной степени не зависят от потенциала земли этой интегральной схемы. Только разность напряжений между его входными контактами имеет значение для включения или выключения его выхода. Например, если потенциал Vin+ выше чем потенциал Vin- на 1,8 В, эта ситуация интерпретируется как логическое включение. Если разница меньше 1,5 В, то данная ситуация интерпретируется как логическое выключение (рисунок 4).

Рис. 4. Схема драйвера нижнего плеча с истинно дифференциальными входами; входы не зависят от GND драйвера затвора

Рис. 4. Схема драйвера нижнего плеча с истинно дифференциальными входами; входы не зависят от GND драйвера затвора

1EDN7550B и 1EDN8550B EiceDRIVER ™ производства компании Infineon – это одноканальные интегральные микросхемы драйвера нижнего плеча, которые могут разрешать проблемы статического сдвига GND до ±70 В. Если потенциал смещения земли колеблется в разные моменты времени, что типично для помех, вызванных переключением MOSFET, то эти интегральные схемы драйвера затвора устойчивы к сдвигам до ±150 В пиковых значений. Это можно назвать статической и динамической стойкостью к синфазному режиму управляющих входов драйвера.

Поскольку работа этих драйверов основана на разности напряжений между двумя входами, наиболее важным техническим правилом является размещение двух синфазных резисторов физически максимально близко и симметрично к двум входным выводам микросхем драйвера затвора. Выходные контакты и вывод VDD расположены в соответствии с обычно используемыми одноканальными интегральными схемами драйвера затвора нижнего плеча, поэтому при обновлении существующей схемы с помощью 1EDN7550 или 1EDN8550 должна изменяться только входная часть схемы печатной платы.

Микросхемы 1EDN7550B и 1EDN8550B имеют небольшой шестивыводной корпус SOT-23. Это помогает повысить удельную мощность по сравнению с использованием изолированных интегральных схем драйвера затвора. Второе их преимущество заключается в том, что разработчики могут разместить эти драйверы затвора в наиболее оптимальном месте относительно вывода затвора MOSFET.

Заключение

Микросхемы драйвера затвора нижнего плеча с истинно дифференциальными управляющими входами, такие как 1EDN7550B или 1EDN8550B производства Infineon, могут выдерживать статические сдвиги потенциала GND синфазного режима до ±70 В, а при динамических сдвигах доходить до пиковых значений ±150 В. С микросхемами 1EDN7550B и 1EDN8550B можно применять транзисторы в схеме включения нижнего плеча, имеющие вывод Кельвина (рисунок 5). Речь идет о таких сериях транзисторов как CoolMOS P7, C7 или G7, например, в топологии ККМ на базе повышающего преобразователя на 2,5 кВт. Также нет необходимости разделять контуры заземления изолированной микросхемой драйвера. Микросхемы 1EDN7550B и 1EDN8550B обеспечивают достаточную устойчивость к перепадам напряжения на заземлении, обычно присутствующим в схемах с большими однослойными печатными платами, а также в топологиях, где требования к механическим конструкциям подразумевают большие расстояния между ШИМ-контроллером и драйвером затвора.

Рис. 5. МОП-транзистор с выводом Кельвина, управляемый драйвером затвора с истинно дифференциальными управляющими входами

Рис. 5. МОП-транзистор с выводом Кельвина, управляемый драйвером затвора с истинно дифференциальными управляющими входами

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
1EDN7512BXTSA1 (INFIN)
1EDN7511BXUSA1 (INFIN)
1EDN7512GXTMA1 (INFIN)
1EDN7511BXTSA1 (INFIN)
1EDN7550BXTSA1 (INFIN)
1EDN8511BXUSA1 (INFIN)
1EDN8511BXTSA1 (INFIN)
1EDN8550BXTSA1 (INFIN)