Обзор линейки драйверов затвора компании Infineon

29 апреля

телекоммуникацииуправление питаниемуправление двигателемответственные примененияInfineonстатьяинтегральные микросхемыMOSFETIGBTизоляцияККМMotor Drive

Александр Русу (г. Одесса)

В широкой линейке интегральных драйверов затвора, выпускаемой компанией Infineon для транзисторов верхнего и нижнего плечей силовых преобразователей, имеются изделия с различными параметрами и со всеми типами разделения входных и выходных цепей: без изоляции, с изоляцией p-n-переходом, с изоляцией диэлектриком и с изоляцией посредством трансформаторов.

Драйверы затвора являются связующим звеном между двумя частями любого импульсного преобразователя электрической энергии: схемой управления и силовой частью. В общем случае эту задачу можно решить с помощью схем на основе дискретных компонентов, однако использование специализированных микросхем позволяет не только снизить затраты времени на разработку, но и упростить схему, уменьшить размеры печатной платы, а также сократить общий список компонентов преобразователя. Немаловажным фактором при выборе готового решения является наличие интегрированной изоляции с гарантированной электрической прочностью, что особенно важно для высоконадежных приложений.

На сегодняшний день в качестве силовых ключей в импульсных преобразователях могут использоваться биполярные (IGBT) или полевые (MOSFET) полупроводниковые приборы, в том числе появившиеся относительно недавно нитрид-галлиевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (GaN HEMT) и карбид-кремниевые полевые транзисторы с изолированным затвором (SiC MOSFET). Очевидно, что для каждого типа приборов лучше всего использовать специализированный тип драйверов, учитывающий специфику управления ими и позволяющий максимально полно использовать их положительные свойства. Кроме того, требования к драйверу зависят и от места установки транзистора в схеме преобразователя. Например, для драйверов верхнего плеча необходимо учитывать плавающий относительно общего провода схемы управления потенциал истока/эмиттера транзистора – этой проблемы при управлении транзисторами нижних плечей нет.

Из-за большого количества схем импульсных преобразователей и типов полупроводниковых приборов очень сложно создать какую-то одну универсальную микросхему драйвера. Производитель, работающий в этой области, должен предлагать своим клиентам как минимум несколько вариантов драйверов, каждый из которых идеально подходит для решения лишь некоторого ограниченного круга задач. Например, компания Infineon выпускает целые семейства микросхем, предназначенных для использования в разных схемах и с разными типами транзисторов. Ключевой особенностью рассмотренных в этой статье приборов является их простая интеграция с другими продуктами этой компании, в том числе с силовыми транзисторами CoolMOS™, OptiMOS™, StrongIRFET™, CoolSiC™, CoolGaN™, а также интеллектуальными силовыми модулями CIPOS™ и iMOTION™.

Ключевые особенности драйверов Infineon

На сегодняшний день компания Infineon выпускает четыре основных типа драйверов, отличающихся изоляцией между входными (подключаемыми к контроллеру) и выходными (подключаемыми к транзистору) цепями: без изоляции (N-ISO), с изоляцией p-n-переходом (JI), с изоляцией диэлектриком (SOI) и с изоляцией посредством трансформаторов (CT). В большинстве случаев драйверы без изоляции N-ISO предназначены для управления только транзисторами нижнего плеча, в то время как изолированные решения позволяют управлять полупроводниковыми приборами, расположенными и в других местах схемы. Однако это не является строгим правилом, поскольку, как будет сказано ниже, неизолированные драйверы с дифференциальным входом могут использоваться и в схемах, где обычно используются изолированные драйверы верхнего плеча.

Поскольку каждый тип изоляции имеет свои особенности, от которых зависят как электрические характеристики микросхем, так и их стоимость, то и каждый тип драйверов спроектирован для решения своего круга задач. Для наглядного отображения в едином информационном пространстве областей применения драйверов всех типов (рисунок 1, таблица 1) компания Infineon предложила использовать специализированный параметр – класс напряжения, определяющийся для разных микросхем по разным методикам. Для одиночных драйверов верхнего плеча и приборов, содержащих драйверы и верхнего, и нижнего плечей, например, для микросхем, ориентированных на использование в полумостовых, мостовых и трехфазных инверторах, класс напряжения определяется максимально допустимым напряжением, коммутируемым силовыми транзисторами. Для драйверов нижнего плеча класс напряжения равен максимально возможному напряжению питания силовой части преобразователя. А для некоторых специализированных решений, например, для драйверов с дифференциальным входом 1EDNx550 (1EDN-TDI), этот параметр соответствует максимально допустимому синфазному напряжению сигналов управления.

Рис. 1. Области применения драйверов Infineon с разными типами изоляции

Рис. 1. Области применения драйверов Infineon с разными типами изоляции

Таблица 1. Применение драйверов Infineon с разным типом изоляции

Класс напряжения 5 В 25 В 100 В 200 В 500 В 600 В 650 В 1200 В
Одноканальные Верхнего плеча JI JI JI JI CT CT
Нижнего плеча N-ISO N-ISO
Двухканальные Верхнего плеча CT CT
Нижнего плеча N-ISO
Верхнего и нижнего плеча JI JI JI, SOI SOI JI
Полумостовой JI JI JI, SOI CT, SOI JI, CT
Четырехканальные Мостовой JI
Шестиканальные Трехфазный SOI JI, SOI JI, SOI

Если же рассматривать общую сферу практического применения драйверов, то, благодаря богатому опыту и использованию передовых технологий объединенных в 2015 году компаний Infineon и International Rectifier, они используются во многих приложениях, начиная от бытовой техники и заканчивая мощными преобразователями для промышленного оборудования и электротранспорта (рисунок 2).

Рис. 2. Основные приложения для драйверов Infineon

Рис. 2. Основные приложения для драйверов Infineon

Особенности неизолированных драйверов

Драйверы с электрической связью между входными и выходными цепями чаще всего используются для управления транзисторами нижнего плеча, поскольку в этом случае общий провод сигналов управления можно соединить с одной из силовых шин. В большинстве случаев это значительно упрощает технологию производства микросхем, что благоприятно сказывается на их цене.

Несмотря на то, что класс напряжения неизолированных (Non-isolated, N-ISO) драйверов затворов Infineon может достигать 200 В, они относятся к низковольтным интегральным микросхемам. В большинстве случаев приборы этого типа изготавливаются с использованием надежных и проверенных технологий по техпроцессу с размером 0,13 мкм (рисунок 3). Использование передовых технологических решений позволило значительно повысить удельную мощность выпускаемых приборов и создать мощные драйверы с большим выходным током в миниатюрных корпусах SOT23, WSON и DSO-8.

Рис. 3. Неизолированный драйвер

Рис. 3. Неизолированный драйвер

В ассортименте компании Infineon присутствуют одноканальные (рисунок 4) и двухканальные (рисунок 5) неизолированные драйверы нижнего плеча с различными значениями максимального выходного тока, что позволяет подбирать микросхемы, максимально подходящие под требования конкретного приложения. Кроме этого, есть несколько специализированных моделей (рисунок 6), ориентированных на использование в автомобильных приложениях.

Рис. 4. Параметры одноканальных неизолированных драйверов

Рис. 4. Параметры одноканальных неизолированных драйверов

Рис. 5. Параметры двухканальных неизолированных драйверов

Рис. 5. Параметры двухканальных неизолированных драйверов

Рис. 6. Параметры неизолированных драйверов Infineon для автомобильных приложений

Рис. 6. Параметры неизолированных драйверов Infineon для автомобильных приложений

Следует отметить, что кроме стандартного согласования уровней сигналов данные микросхемы могут обеспечивать множество дополнительных функций, в числе которых блокировка при понижении напряжения питания (Under-Voltage Lockout, UVLO) и защита от перегрузки по току (Overcurrent Protection, OCP). Особо следует отметить наличие драйверов с дифференциальными входами (Truly Differential Inputs, TDI), позволяющими не только уменьшить вероятность несанкционированного открытия силовых ключей из-за колебаний потенциала силовой шины, но и управлять транзисторами нижнего плеча с плавающим потенциалом истока/эмиттера (рисунок 7).

Рис. 7. Один из возможных вариантов использования драйверов 1EDN7550/1EDN8550

Рис. 7. Один из возможных вариантов использования драйверов 1EDN7550/1EDN8550

Особенности изолированных драйверов

Одной их первых практически освоенных технологий изоляции электрических элементов при производстве микросхем стала изоляция с помощью обратно смещенных p-n-переходов (p-n Junction-Isolation, JI). Первые микросхемы с интегрированными на одном кристалле узлами, находящимися под большой разностью потенциалов, были произведены компанией International Rectifier (IR) в 1989 году. С этого момента технология производства высоковольтных интегральных схем (High Voltage Integrated Circuits, HVIC) постоянно совершенствовалась, что привело к появлению множества оригинальных патентованных решений, ныне являющихся собственностью компании Infineon. Именно поэтому драйверы Infineon, изготовленные с использованием этой технологии, отличаются высоким качеством — они выпускаются уже более 30 лет.

В микросхемах, выполненных по данной технологии, изоляция высоковольтной части осуществляется с помощью созданных на подложке барьеров из поликристаллического кремния (рисунок 8), выдерживающего напряжение до 1300 B. Это позволяет создавать на основе технологии изоляции p-n-переходом драйверы с классом напряжения до 1200 В, что вполне достаточно для создания преобразователей мощностью до 10 кВт.

Рис. 8. Драйверы с изоляцией обратно смещенным p-n-переходом

Рис. 8. Драйверы с изоляцией обратно смещенным p-n-переходом

Однако, несмотря на простоту и высокую электрическую прочность изоляции p-n-перехода, наличие паразитных полупроводниковых элементов, неизбежно образующихся при этом, может отрицательно сказаться на надежности преобразователя. Это связано с тем, что при коммутации больших токов из-за наличия паразитных индуктивностей силовых шин плавающее напряжение изолированной части может кратковременно изменить полярность, что приведет к открытию изолирующих структур, самопроизвольному защелкиванию силовых транзисторов и возможному выходу преобразователя из строя. Очевидно, что даже небольшая вероятность возникновения таких ситуаций неприемлема, поэтому Infineon для подобных приложений предлагает драйверы, изготовленные с использованием технологии «кремний-на-изоляторе» (Silicon-On-Insulator, SOI), высоковольтная часть которых изолирована диэлектриком из диоксида кремния, созданного непосредственно на подложке микросхемы (рисунок 9).

Рис. 9. Драйверы с изоляцией диэлектриком

Рис. 9. Драйверы с изоляцией диэлектриком

Использование диэлектриков в качестве изоляторов позволило компании Infineon создать семейство высоковольтных микросхем EiceDRIVER™ с лучшим в своем классе уровнем эксплуатационной надежности. Например, изолированная часть 1200-вольтовых драйверов 6ED2230S12T при питании выходного каскада напряжением VBS = 15 В может кратковременно (до 700 нс) находиться под отрицательным напряжением, достигающим 100 В, без каких-либо нарушений в работе схемы или повреждения кристалла (рисунок 10).

Рис. 10. Влияние паразитных индуктивностей на уровень потенциала изолированной части драйвера и область безопасной работы микросхемы 6ED2230S12T при VBS = 15 В

Рис. 10. Влияние паразитных индуктивностей на уровень потенциала изолированной части драйвера и область безопасной работы микросхемы 6ED2230S12T при VBS = 15 В

Однако кроме высокой надежности, драйверы, выполненные с использованием технологии SOI, имеют ряд дополнительных преимуществ, одним из которых является возможность интеграции бутстрепного диода. Бутстрепная схема, как известно, уже давно стала фактически стандартом питания выходных каскадов драйверов верхнего плеча в полумостовых, мостовых и трехфазных преобразователях. В большинстве случаев для питания каждого такого транзистора необходимы два внешних компонента: диод и конденсатор. Интеграция сверхбыстрых бутстрепных диодов позволяет не только сократить количество внешних компонентов и площадь печатной платы, но и, благодаря их малому внутреннему сопротивлению (RBS ≤ 40 Ом), расширить рабочий диапазон (рисунок 11).

Рис. 11. Типовая схема включения драйверов полумостового преобразователя с интегрированным бутстрепным диодом

Рис. 11. Типовая схема включения драйверов полумостового преобразователя с интегрированным бутстрепным диодом

При проектировании высоковольтных полумостовых схем не следует забывать, что наличие драйвера верхнего плеча с плавающим потенциалом увеличивает выходную емкость преобразователя. Кроме этого, передача информации, необходимой для управления транзистором, между неизолированными и изолированными узлами также осуществляется с помощью встроенных конденсаторов. Очевидно, что наличие подобных емкостных связей приведет к появлению дополнительных потерь, связанных с их периодическим перезарядом, и разогреву кристалла микросхемы драйвера с ростом частоты переключений.

Особенностью драйверов Infineon, изготовленных по технологии SOI, является крайне низкий уровень заряда, необходимого для связи неизолированных и изолированных узлов, что уменьшает энергопотребление и температуру микросхемы. Это хорошо видно по результатам сравнительного исследования двух идентичных драйверов полумостовых преобразователей, работающих в одинаковых режимах: обычного совмещенного драйвера верхнего и нижнего плеча и микросхемы 2ED2106S06F семейства EiceDRIVER™, реализованной на основе технологии SOI (рисунок 12). Как видно из термограммы, при напряжении питающей шины 300 В и рабочей частоте преобразователя 300 кГц корпус обычной микросхемы разогревается до 122⁰С, в то время как температура корпуса драйвера EiceDRIVER™ не превышает 70⁰C. Это позволяет не только упростить разработку преобразователя, но и повысить его надежность и срок службы, поскольку при низких температурах скорость деградации кристаллов полупроводниковых компонентов значительно ниже.

Рис. 12. Результаты исследования температуры перегрева драйверов полумостового преобразователя

Рис. 12. Результаты исследования температуры перегрева драйверов полумостового преобразователя

Однако, несмотря на крайне малую паразитную емкость между неизолированной и изолированной частями драйвера, ее наличие все-таки является серьезным недостатком, ограничивающим максимально допустимое напряжение микросхем с технологией SOI. Кроме того, наличие дополнительной емкости увеличивает задержки распространения сигнала, что дополнительно уменьшает максимальное значение рабочей частоты преобразователей. Таким образом, для мощных высокочастотных приложений следует искать другие способы изоляции.

Одним из таких решений является физическое разделение кристаллов, расположенных по разные стороны изоляционного барьера, с передачей информации о состоянии транзистора с помощью высокочастотных трансформаторов без сердечников (Coreless Transformer, CT) изображенных на рисунке 13. Как известно, эффективность магнитной связи возрастает с ростом частоты, поэтому микросхемы, изготовленные по этой технологии, отличаются не только повышенной электрической прочностью, но и значительно меньшим временем распространения сигналов управления. Таким образом, драйверы с изоляцией трансформатором идеально подходят для управления как современными IGBT, так и высоковольтными карбид-кремниевыми MOSFET.

Рис. 13. Драйверы с изоляцией трансформатором

Рис. 13. Драйверы с изоляцией трансформатором

Ключевым преимуществом технологии CT является повышенная электрическая прочность изоляции, начинающаяся с 1200 В для любой полярности напряжения между изолированной и неизолированной частями микросхемы. Это позволяет использовать драйверы с индуктивной связью практически при любом характере переходных процессов в силовой части схемы. Небольшая паразитная емкость между выходными и выходными узлами микросхемы приводит к малым значениям потерь при переключении, а индуктивная связь – к уменьшению времени прохождения сигналов, что в совокупности позволяет расширить рабочую частоту драйверов до нескольких мегагерц.

Однако высокое быстродействие не является гарантией надежной работы преобразователя, поскольку при работе на высоких частотах не менее важна стабильность времени распространения сигналов. Невыполнение этого условия может привести к появлению шумов в выходных напряжениях и появлению сквозных токов, что вынуждает разработчиков искусственно увеличивать длительность мертвого времени и, как следствие, потери в снабберах. Для повышения стабильности динамических характеристик драйверов с технологией CT компания Infineon интегрировала в микросхемы специализированные узлы, повышающие помехозащищенность канала передачи информации внутри микросхемы (рисунок 14). Это позволило отказаться от дополнительных внешних фильтров, уменьшить длительность мертвого времени, что, в конечном итоге, благоприятно отразилось как на общем КПД системы, так и на уровне искажений выходных напряжений преобразователя.

Рис. 14. Входной фильтр изолированной части драйвера CT

Рис. 14. Входной фильтр изолированной части драйвера CT

Но для надежной работы мощных преобразователей, чей выход из строя может нанести серьезный вред подключенному оборудованию, требуется всесторонняя диагностика системы. Поэтому многие драйверы Infineon могут содержать ряд вспомогательных узлов, существенно повышающих надежность системы при возникновении аварийных ситуаций. В число дополнительных функций драйверов, изготовленных по технологии Infineon, входят:

  • обнаружение коротких замыканий выхода с помощью прецизионного детектора активного режима выходного каскада (Desaturation Detection Circuits, DESAT), изображенного на рисунке 15;
  • двухуровневая система выключения (Two-Level Turn-Off, TLTO), уменьшающая амплитуду импульсов на коллекторе транзистора при коротких замыканиях и перегрузках по току.

Рис. 15. Принцип работы функции DESAT

Рис. 15. Принцип работы функции DESAT

Кроме этого, в микросхемах может быть реализована защита от защелкивания при высоких скоростях нарастания напряжения на коллекторе/стоке из-за наличия паразитной емкости Миллера (Active Miller Clamp, M-CLAMP) и многие другие функции.

На сегодняшний день в ассортименте компании Infineon присутствуют более 500 наименований приборов, среди которых можно выбрать одноканальные (рисунок 16) и двухканальные (рисунок 17) драйверы верхнего плеча, а также комбинированные микросхемы, содержащие узлы для управления транзисторами и верхнего, и нижнего плеча. Причем в последнем случае микросхемы могут быть как предварительно сконфигурированными для независимого использования (рисунок 18), так и рассчитанными на работу в полумостовых (рисунок 19), мостовых (рисунок 20) и трехфазных (рисунок 21) преобразователях. Кроме этого, существует отдельная серия изолированных драйверов для автомобильных приложений (рисунок 22).

Рис. 16. Параметры одноканальных драйверов верхнего плеча

Рис. 16. Параметры одноканальных драйверов верхнего плеча

Рис. 17. Параметры двухканальных драйверов верхнего плеча

Рис. 17. Параметры двухканальных драйверов верхнего плеча

Рис. 18. Параметры сдвоенных драйверов верхнего и нижнего плеча

Рис. 18. Параметры сдвоенных драйверов верхнего и нижнего плеча

Рис. 19. Параметры драйверов для полумостовых преобразователей

Рис. 19. Параметры драйверов для полумостовых преобразователей

Рис. 20. Параметры драйверов для мостовых преобразователей

Рис. 20. Параметры драйверов для мостовых преобразователей

Рис. 21. Параметры драйверов для трехфазных преобразователей

Рис. 21. Параметры драйверов для трехфазных преобразователей

Рис. 22. Параметры изолированных драйверов для автомобильных приложений

Рис. 22. Параметры изолированных драйверов для автомобильных приложений

Заключение

Управление современными силовыми полупроводниковыми приборами требует от разработчика как четкого понимания всех процессов, происходящих в силовой части, так и знания ассортимента ведущих мировых производителей электронных компонентов. Только в этом случае можно быстро и эффективно подобрать готовое решение, позволяющее максимально эффективно реализовать в сжатые сроки даже самое сложное техническое задание.

•••

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
1ED44176N01FXUMA1 (INFIN)
1EDC20H12AHXUMA1 (INFIN)
1EDC40I12AHXUMA1 (INFIN)
1EDC60H12AHXUMA1 (INFIN)
1EDC60I12AHXUMA1 (INFIN)
1EDF5673FXUMA1 (INFIN)
1EDF5673KXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDI30I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDN7511BXUSA1 (INFIN)
1EDN8511BXUSA1 (INFIN)
2ED2304S06FXUMA1 (INFIN)
2EDL05I06PFXUMA1 (INFIN)
2EDL05N06PFXUMA1 (INFIN)
2EDN7424RXUMA1 (INFIN)
2EDN7523FXTMA1 (INFIN)
2EDN7524FXTMA1 (INFIN)
6ED003L02F2XUMA1 (INFIN)
6EDL04N02PRXUMA1 (INFIN)