Построение оптимального преобразователя мощности

2 августа

светотехникауправление питаниемInfineonстатьяинтегральные микросхемы

Тобиас Гербер (Infineon) 

Управляющие контроллеры, драйверы и МОП-транзисторы являются важнейшими элементами для инверторов и импульсных источников питания.

Современные системы питания нуждаются в компактных и надежных импульсных преобразователях, способных работать с высокими напряжениями и высокой частотой коммутаций, а также обеспечивающих минимальный уровень потерь при минимальных габаритах.

Очевидно, что выбор МОП-транзисторов сильно влияет на успешное удовлетворение этих потребностей. Тем не менее, достижение максимальной эффективности также зависит и от правильного выбора других компонентов схемы. Одной из наиболее важных задач, стоящих перед разработчиком, является поиск оптимальных драйверов для МОП-транзисторов с учетом особенностей конкретного приложения.

Требования к преобразователям мощности

Проектирование современных импульсных преобразователей, таких как импульсные источники питания (SMPS), DC/DC-преобразователи, приводы промышленных двигателей и инверторы солнечных батарей, необходимо выполнять с учетом целого ряда факторов. Существуют коммерческие, законодательные и экологические требования, направленные на повышение эффективности, снижение потерь, уменьшение эксплуатационных расходов, минимизацию потребления энергии и сокращение вредных выбросов парниковых газов. Кроме того, пользователи хотят видеть постоянное повышение эффективности без какого-либо увеличения габаритов и необходимости принятия дополнительных мер для защиты как элементов схемы, так и самих пользователей.

В то же время высокая плотность размещения компонентов вынуждает разработчиков искать пути более эффективного отвода тепла. Кроме того, ограничение бюджета требует максимального сокращения количества используемых компонентов и перехода на более дешевые комплектующие.

Наконец, все эти требования должны быть реализованы в кратчайшие сроки для максимально быстрого старта производства и выхода на рынок.

Перечисленные факторы приводят к значительному росту популярности высокоточных и быстродействующих схем преобразователей мощности. Повышение скорости переключений не только способствует улучшению динамических характеристик и росту эффективности преобразователей, но также позволяет использовать для построения фильтров менее габаритные и более бюджетные индуктивные компоненты. В таких схемах обычно применяются интегральные контроллеры или регуляторы, формирующие высокочастотные сигналы управления, а также силовые МОП-транзисторы, которые осуществляют физическую коммутацию нагрузки.

Управление МОП-транзисторами с суперпереходами (SJ)

Для достижения показателей эффективности, требуемых современными приложениями, необходимы высокопроизводительные МОП-транзисторы. Обычно в таких случаях речь идет о МОП-транзисторах с суперпереходом (superjunction, SJ). Это связано с тем, что в SJ МОП-транзисторах используется особая конструкция стока, которая обеспечивает более низкое сопротивление канала во включенном состоянии без ущерба для рейтинга напряжения. Кроме того, благодаря некоторым особенностям структуры и геометрии транзисторных МОП-ячеек технология SJ также характеризуется меньшими значениями паразитных емкостей, что в свою очередь приводит к улучшению показателя качества (FoM) и других характеристик эффективности.

На рисунке 1 показана структура SJ МОП-транзисторов новейшего поколения, в которой используются семь компенсационных столбцов. Наглядным примером преимуществ такой структуры становятся последние модели 600-вольтовых транзисторов семейства CoolMOS C7. В этих транзисторах впервые был преодолен рубеж 1 Ом/мм2 для показателя RDS(ON) × A.

Рис. 1. Структура CoolMOS C7 Superjunction

Рис. 1. Структура CoolMOS C7 Superjunction

Во многих схемах интегральные контроллеры напрямую не управляют МОП-транзисторами. Это оказывается нецелесообразным по целому ряду причин, притом что многие контроллеры попросту не обладают достаточной выходной мощностью для работы с современными высокопроизводительными силовыми ключами. Например, в большинстве случаев для полного открывания МОП-транзистора напряжение на затворе (VGS) должно быть не менее 8 В. В то же время для достижения высокой эффективности необходимо обеспечить быстрые переключения, что требует больших управляющих токов, обычно – более 1 А. Таким образом, отсутствует как технический (в основном – из-за проблем с отводом тепла), так и коммерческий смысл реализации драйвера и контроллера на одном кристалле.

Кроме того, для уменьшения уровня электромагнитных помех, возникающих при коммутациях, разработчики стараются располагать драйверы максимально близко к силовым ключам.

В результате разработчики все чаще используют отдельные интегральные микросхемы драйверов для взаимодействия между контроллером и МОП-транзистором. Реализация такого подхода на примере типового преобразователя напряжения представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема преобразователя напряжения содержит управляющие контроллеры, драйверы и силовые SJ МОП-транзисторы

Рис. 2. Схема преобразователя напряжения содержит управляющие контроллеры, драйверы и силовые SJ МОП-транзисторы

Среди основных характеристик, которые должен учитывать разработчик при выборе драйвера, следует отметить: токовую нагрузку выходов, скорость переключений, форм-фактор, уровень интеграции (например, сколько каналов драйверов имеется в микросхеме и какие в ней реализованы функции защиты), тепловые характеристики (насколько корпус драйвера соответствует требованиям эффективности и тепловым характеристикам целевого приложения).

Интегральные драйверы МОП-транзисторов

В настоящее время существуют интегральные драйверы, идеально соответствующие требованиям современных SJ МОП-транзисторов. В качестве примера можно привести новую серию двухканальных высокоскоростных драйверов производства Infneon, имеющих большое значение выходного тока. На рисунке 3 показана функциональная блок-схема драйвера 2EDNx52x.

Рис. 3. Блок-схема драйверов 2EDNx52x от Infneon

Рис. 3. Блок-схема драйверов 2EDNx52x от Infneon

В состав 2EDNx52x входят сразу два независимых неизолированных драйвера нижнего плеча, каждый из которых способен обеспечивать протекание пиковых токов до 5 А в обоих направлениях. Оба канала работают с типовым временем нарастания и спада всего 5 нс. Несмотря на высокий ток, выходной каскад драйвера обладает очень низким сопротивлением, а это означает, что сам драйвер обеспечивает минимальное рассеивание мощности, даже если в контуре управления отсутствует затворный резистор (или имеет малое сопротивление).

Высокая нагрузочная способность и высокое быстродействие семейства 2EDNx52x гарантируют быстрое прохождение Плато Миллера (плоской горизонтальной части зарядной характеристики затвора МОП-транзистора, на которой напряжение остается практически постоянным до тех пор, пока не будет накоплен или рассеян заряд, достаточный для переключения устройства). Возможность точной синхронизации является еще одним важнейшим условием построения высокоэффективных, высокопроизводительных схем на базе SJ МОП-транзисторов, например, схем коррекции коэффициента мощности (PFC), полумостовых схем и синхронных выпрямителей.

Несмотря на то что драйверы микросхем 2EDNx52x являются независимыми, рассогласование их времени задержки не превышает 1 нс. В результате разработчики могут использовать одновременные коммутации. Одновременные коммутации будут полезны для приложений, в которых используется параллельное подключение нескольких выходов для увеличения выходного тока.

Скачки потенциала земли

Другая проблема, возникающая при проектировании современных высокочастотных преобразователей мощности, заключается в том, что увеличение скорости коммутаций МОП-транзисторов приводит к повышению вероятности возникновения помех, связанных со скачками потенциала земли (отскок земли). Скачок потенциала происходит в момент, когда напряжение затвора МОП-транзистора оказывается ниже, чем потенциал локальной земли, что приводит к протеканию тока через цепь земли. Это, в свою очередь, может привести к аварийным сбоям системы из-за нестабильного управления силовыми ключами.

Все драйверы серии 2EDNx52x устойчивы к появлению отрицательных напряжений до -10 В на обоих входах и способны обеспечивать нормальное управление силовыми транзисторами, что гарантирует высокую надежность и защиту при появлении аварийных ситуаций, связанных с отскоком земли, Кроме того, стабильная работа сохраняется, даже если отрицательные напряжения присутствуют постоянно.

Если же предотвратить аварийное состояние не удалось, то у системы есть возможность быстрого отключения благодаря сверхмалой задержке распространения управляющих сигналов, составляющей всего 19 нс. Стоит отметить, что задержка распространения может быть ниже, но производитель намеренно ограничил ее на уровне 19 нс. Это связано с тем, что неправильная компоновка и трассировка платы, а также паразитные составляющие частот становятся причинами высокочастотных звонов, а уменьшение времени задержки менее 15 нс может только ухудшить ситуацию.

Новые драйверы могут работать с напряжениями питания 4,5…20 В. Они снабжены функцией защиты от пониженных напряжений (UVLO), которая уберегает SJ МОП-транзисторы от разрушений во время работы в линейном режиме. Микросхемы выпускаются в 8-контактном корпусе со стандартным расположением выводов, что позволяет разработчикам заменять ими устаревшие драйверы без дорогостоящего и трудоемкого перепроектирования печатных плат. 2EDNx52x также позволяют работать в широком диапазоне температур, благодаря расширению допустимой температуры кристалла до -40…150°С.

Перспективы развития

Поскольку частота коммутаций и токи управления продолжают постоянно расти, интегральные драйверы становятся все более важными компонентами современных импульсных преобразователей. Грамотный выбор драйверов с учетом особенностей современных SJ МОП-транзисторов, например, представителей серии CoolMOS C7 600 В, позволяет разработчикам увеличивать эффективность, уменьшать габариты, повышать надежность и снижать общую стоимость импульсных преобразователей.

Следует отметить, что помимо самих драйверов, компания Infneon предоставляет инструменты разработки и отладки в виде оценочных плат и референсных решений. В этих платах используются драйверы 2EDNx52x и новые 600 В МОП-транзисторы семейства CoolMOS C7. Среди конкретных примеров можно привести плату 800 Вт ККМ с рабочей частотой 130 кГц, плату 3,5 кВт ККМ и плату 600 Вт LLC-преобразователя с полумостовым каскадом и выходом 12 В/50 А.

Оригинал статьи

Перевод выполнил Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

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
2EDN7523FXTMA1 (INFIN)
2EDN7524FXTMA1 (INFIN)
2EDN8523GXTMA1 (INFIN)
2EDN8524RXUMA1 (INFIN)
2EDN7524GXTMA1 (INFIN)
2EDN8523RXUMA1 (INFIN)
2EDN7523GXTMA1 (INFIN)
2EDN7524RXUMA1 (INFIN)
2EDN8524FXTMA1 (INFIN)
2EDN7523RXUMA1 (INFIN)
2EDN8523FXTMA1 (INFIN)
2EDN8524GXTMA1 (INFIN)