Преимущества новых высоковольтных SOI-драйверов Infineon

10 июня

телекоммуникацииуправление питаниемуправление двигателемInfineonстатьяинтегральные микросхемыAC-DCизоляцияККМMotor DriveAC/ВС

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

При производстве драйверов силовых транзисторов компания Infineon использует различные технологии: JI, SOI, CT. Драйверы, выполненные с применением технологии SOI, имеют целый ряд преимуществ по сравнению с классическими JI-драйверами. В статье рассматриваются эти преимущества на примере новых семейств драйверов 650 В 2ED210x и 2ED218x.

Каждому мощному транзистору нужен драйвер. Разумеется, если речь идет о переключении маломощной нагрузки, то можно управлять транзистором напрямую от цифрового выхода микроконтроллера или цифрового сигнального процессора (ЦСП, DSP). Однако в случае более мощной нагрузки без драйвера не обойтись.

Зачем нужен драйвер? Подробный ответ на этот вопрос потребует не одной статьи, поэтому кратко перечислим основные функции драйверов:

  • драйверы выступают в качестве интерфейса между низковольтными управляющими схемами (микроконтроллерами, ЦСП и так далее) и силовыми транзисторами;
  • драйверы обеспечивают перезаряд входных емкостей силовых транзисторов значительным током (от сотен миллиампер до единиц ампер), который не могут обеспечить цифровые выходы;
  • драйверы обеспечивают изоляцию между высоковольтной и низковольтной частями схемы;
  • драйверы защищают схему от аварийных ситуаций, таких как сквозные токи, просадки напряжений и прочее.

Таким образом, драйверы являются важными элементами мощных приложений, таких как импульсные преобразователи или приводы электродвигателей. Они позволяют микроконтроллеру или цифровому сигнальному процессору эффективно включать и выключать силовые МОП-транзисторы (MOSFET) или БТИЗ (IGBT).

Современные драйверы на основе высоковольтных интегральных схем (HVIC) отличаются высокой надежностью и простотой использования, что обеспечивает им огромную популярность среди разработчиков. Идею HVIC-драйверов предложила компания International Rectifier (IR), она же долгое время оставалась лидером в данном сегменте рынка. Драйверы производства IR стали своего рода промышленным стандартом и до сих пор применяются в широчайшем спектре приложений, начиная от бытовой техники и заканчивая промышленным оборудованием. В 2015 году IR был приобретен компанией Infineon, которая сохранила лидерство в этом сегменте и даже упрочила его благодаря внедрению новых технологий. Примером такой технологии является «кремний-на-изоляторе» (Silicon-on-Insulator, SOI).

Infineon использует технологию SOI для модернизации традиционных популярных семейств высоковольтных драйверов IR(S)2106, IR(S)2108, IR(S)2109, IR(S)21091, IR(S)2181, IR(S)2183 и IR(S)2184. В результате пользователям предлагаются новые семейства драйверов 650 В с улучшенными характеристиками:

  • семейство 2ED210x с затворным током + 290/- 700 мА;
  • семейство 2ED218x с затворным током + 2,5/- 2,5 А.

В данной статье представлен краткий обзор технологий драйверов от Infineon, а также анализируются преимущества технологии SOI на примере семейств 2ED210x и 2ED218x.

Краткий обзор технологий драйверов Infineon

Infineon выпускает широкий спектр драйверов для различных силовых транзисторов с рейтингом напряжения до 1700 В и коммутируемой мощностью до нескольких сотен кВт (рисунок 1) [1].

Рис. 1. Драйверы мощных силовых транзисторов производства Infineon [1]

Рис. 1. Драйверы мощных силовых транзисторов производства Infineon [1]

Очевидно, что требования к драйверам в приложениях с рабочим напряжением в несколько десятков вольт и в несколько сотен вольт очень сильно отличаются. По этой причине компания Infineon применяет различные технологии для производства драйверов, это:

  • технология неизолированных драйверов Non-isolated (N-ISO);
  • технология изоляции на базе трансформаторов без сердечника Coreless Transformer (CT);
  • классическая технология с изоляцией p-n-переходом Junction-Isolation (JI);
  • технология «кремний-на-изоляторе» – Silicon-on-Insulator (SOI).

Рассмотрим кратко особенности и преимущества каждой из этих технологий.

Технология N-ISO применяется для производства низковольтных драйверов. В этих драйверах все потенциалы отсчитываются относительно общего вывода, и отсутствует необходимость в схеме сдвига уровня. В результате внутренняя структура таких драйверов оказывается максимально простой.

Infineon выпускает одиночные и сдвоенные драйверы нижнего плеча с различной нагрузочной способностью и широким набором защитных функций, таких как защита от просадок напряжений, защита от перегрузки по току и так далее.

Простота и отточенный до идеала техпроцесс 0,13 мкм позволяет низковольтным драйверам Infineon обеспечить высокую надежность и конкурентную стоимость. Однако они не подходят для работы с высокими напряжениями.

Технология CT. В отличие от остальных представленных технологий, технология изоляции на базе трансформаторов без сердечника обеспечивает гальваническую развязку.

Гальваническая развязка в технологии CT реализуется с помощью трансформаторов, обмотки которых представляют собой спирали, расположенные друг под другом и изолированные оксидом кремния. Данная технология напоминает индуктивную технологию цифровых изоляторов. В данном случае трансформаторы позволяют передавать импульсные сигналы управления между первичной низковольтной и вторичной высоковольтной частями драйвера.

Наличие гальванической развязки позволяет обеспечивать рейтинг изоляции более 1200 В. Таким образом, драйверы, выполненные по технологии CT, способны работать с самыми высоковольтными кремниевыми IGBT и карбид-кремниевыми МОП-транзисторами.

Технология JI. Данную технологию можно считать классической. Она была предложена компанией International Rectifier еще в 1989 году и с тех пор применяется в наиболее популярных сериях драйверов в приложениях с рейтингом напряжения вплоть до 1200 В [1].

Infineon выпускает различные типы JI-драйверов, в том числе одиночные, полумостовые, трехфазные и прочие с рейтингом напряжения 100/200/500/600/1200 В и выходным током до 4 А.

За долгое время данная технология была доведена до совершенства, что обеспечивает высокую надежность и привлекательную цену JI-драйверов.

Технология SOI. Технология «кремний-на-изоляторе» позволяет повысить качество изоляции по сравнению с традиционной JI-технологией за счет дополнительного слоя оксида кремния. Такой подход обеспечивает целый ряд преимуществ, в первую очередь – увеличение устойчивости к отрицательным выбросам напряжения и снижение уровня потерь. Рассмотрим эту технологию подробнее.

Краткий обзор технологии SOI драйверов Infineon

JI-технология, предложенная International Rectifier, позволяет реализовать на одном кристалле низковольтные и высоковольтные КМОП-схемы, а также схему сдвига уровня (рисунок 2). Причем элементы выращиваются непосредственно на кремниевой подложке, а изоляция образуется автоматически за счет паразитных p-n-переходов. Преимуществом такого решения является низкая стоимость и возможность получения высоких рабочих напряжений. Вместе с тем, наличие изолирующих p-n-переходов приводит к возможности защелкивания при воздействии отрицательных выбросов напряжения.

Рис. 2. JI-технология позволяет реализовать на одном кристалле низковольтные и высоковольтные КМОП-схемы [1]

Рис. 2. JI-технология позволяет реализовать на одном кристалле низковольтные и высоковольтные КМОП-схемы [1]

Технология SOI от Infineon предполагает размещение всех элементов драйвера не напрямую на кремниевой подложке, а на предварительно сформированном изолирующем слое из оксида кремния (рисунок 3) [2]. Благодаря слою диэлектрика из структуры элементарной транзисторной ячейки исключается паразитный биполярный транзистор, который является причиной защелкивания. Отсутствие паразитных p-n-переходов также благотворно сказывается на уменьшении токов утечки, а значит, приводит к уменьшению уровня потерь.

Рис. 3. Сравнение структур SOI-драйверов (а) и JI-драйверов (б)

Рис. 3. Сравнение структур SOI-драйверов (а) и JI-драйверов (б)

Стоит отметить, что, несмотря на применение новой технологии, компания Infineon по-прежнему использует в новых семействах SOI-драйверов 2ED210x и 2ED218x ту же самую проверенную временем структуру, которая уже более 20 лет назад была предложена IR (рисунок 4) [2]. В составе драйвера присутствует низковольтная входная КМОП-логика, генератор импульсов, схема сдвига уровня, высоковольтный выходной буфер, схема мертвого времени. Входные сигналы управления являются цифровыми и формируются относительно земли схемы. Генератор импульсов преобразует входной сигнал HIN в импульсы управления Set/Reset, которые поступают на схему сдвига уровня. Благодаря схеме сдвига уровня сигналы управления оказываются в высоковольтном домене и фиксируются триггером. Выход триггера управляет выходным буфером.

Важным достоинством SOI-драйверов производства Infineon является наличие встроенного бутстрепного диода и резистора, что позволяет упростить схему и трассировку, а также сократить габариты печатной платы.

Блок-схема, представленная на рисунке 4, соответствует классической схеме драйвера IR [3]. Это очень большой плюс, так как разработчикам, которые долгое время работали с драйверами IR (а таких очень много), будет максимально просто перейти на новые SOI-драйверы. Кроме того, все знания, полученные из «библии драйверов» – «Application Note AN-978» от International Rectifier [4], будут по-прежнему актуальными.

Рис. 4. Блок схема высоковольтного драйвера

Рис. 4. Блок схема высоковольтного драйвера

Таким образом, можно отметить, что основными преимуществами SOI-драйверов производства Infineon являются:

  • повышенная устойчивость к выбросам напряжения;
  • наличие интегрированного бутстрепного диода;
  • уменьшение уровня потерь;
  • возможность безболезненного перехода с JI-драйверов предыдущего поколения благодаря повыводной совместимости и сохранению базовой структуры (речь идет о семействах 2ED210x и 2ED218x).

В следующих разделах рассмотрим преимущества технологии SOI на примере новых семейств 2ED210x и 2ED218x.

Обзор новых семейств SOI-драйверов 2ED210x и 2ED218x

Совсем недавно компания Infineon представила два новых семейства высоковольтных драйверов, выполненных по технологии SOI (таблицы 1 и 2) [2]:

  • семейство 2ED210x с затворным током + 290/- 700 мА;
  • семейство 2ED218x с затворным током + 2,5/- 2,5 А.

Драйверы имеют рейтинг напряжения 650 В, выпускаются в одиночном и полумостовом исполнениях с фиксированным или программируемым значениями мертвого времени.

Практически для всех моделей драйверов есть два типа корпусного исполнения: DSO-8 и DSO-14.

Данные семейства реализуют все преимущества технологии SOI.

Таблица 1. Новое семейство SOI-драйверов 2ED210x

Наименование Корпус Выходной/входной  ток, мА Логика Защита от сквозных токов Мертвое время, нс Вывод земли tON/tOFF, нс
2ED2106S06F DSO-8 + 290/- 700 HIN, LIN COM 200
2ED21064S06J DSO-14 + 290/- 700 VSS/COM
2ED2108S06F DSO-8 + 290/- 700 HIN, LIN + Фиксированное, 540 COM
2ED21084S06J DSO-14 + 290/- 700 Программируемое, 540…5000 VSS/COM
2ED2109S06F DSO-8 + 290/- 700 IN, DT/SD + Фиксированное, 540 COM
2ED21094S06J DSO-14 + 290/- 700 Программируемое, 540…5000 VSS/COM
2ED21091S06F DSO-8 + 290/- 700 IN, DT/SD + Фиксированное, 540 COM

Таблица 2. Новое семейство SOI-драйверов 2ED218x

Наименование Корпус Выходной/входной  ток, А Логика Защита от сквозных токов Мертвое время, нс Вывод земли tON/tOFF, нс
2ED2181S06F DSO-8 + 2,5/- 2,5 HIN, LIN COM 200
2ED21814S06J DSO-14 + 2,5/- 2,5 VSS/COM
2ED2182S06F DSO-8 + 2,5/- 2,5 HIN, LIN + Фиксированное, 400 COM
2ED21824S06J DSO-14 + 2,5/- 2,5 Программируемое, 400…5000 VSS/COM
2ED2183S06F DSO-8 + 2,5/- 2,5 HIN, LIN + Фиксированное, 400 COM
2ED21834S06J DSO-14 + 2,5/- 2,5 Программируемое, 400…5000 VSS/COM
2ED2184S06F DSO-8 + 2,5/- 2,5 IN, SD + Фиксированное, 400 COM
2ED21844S06J DSO-14 + 2,5/- 2,5 Программируемое, 400…5000 VSS/COM

Повышенная устойчивость к отрицательным выбросам напряжения

Отрицательные выбросы напряжения являются крайне неприятным, но неизбежным явлением для мощных импульсных схем. Механизм возникновения таких выбросов поясняется на примере транзисторного полумоста (рисунок 5) [1].

Рис. 5. Возникновение отрицательного выброса напряжения при коммутации [1]

Рис. 5. Возникновение отрицательного выброса напряжения при коммутации [1]

Схема состоит из двух силовых транзисторов (Q1 и Q2) и двух обратных диодов (D1 и D2). Кроме того, в схеме в обязательном порядке присутствуют паразитные индуктивности (индуктивности выводов силовых транзисторов и проводников на печатной плате). В первый момент времени транзистор Q1 включен, и ток течет через него в нагрузку. При следующей коммутации транзистор Q1 отключается, после чего ток начинает протекать в нагрузку через диод D2. В соответствии с первым законом коммутации ток через индуктивность не может измениться мгновенно, поэтому для поддержания тока в процессе выключения транзистора напряжение в точке VS1 скачком падает до отрицательного значения, причем амплитуда отрицательного выброса может быть даже больше напряжения питания.

Драйвер верхнего плеча формирует управляющий сигнал для силового транзистора относительно точки VS1, а значит, напрямую оказывается под ударом отрицательного выброса. Чем длиннее выброс напряжения и чем больше его амплитуда, тем сложнее драйверу с ним справиться. При воздействии слишком мощного отрицательного выброса драйвер может выйти из строя. Таким образом, с учетом устойчивости к отрицательным выбросам напряжения, драйвер характеризуется областью безопасной работы NTSOA (Negative Transient Safe Operating Area).

На рисунке 6 представлена область безопасной работы NTSOA на примере 2ED2181(4)S06F(J). Из графика видно, что с ростом длительности импульса амплитуда допустимого отрицательного выброса напряжения уменьшается.

Рис. 6. Область безопасной работы NTSOA (Negative Transient Safe Operating Area) драйвера 2ED2181(4)S06F(J)

Рис. 6. Область безопасной работы NTSOA (Negative Transient Safe Operating Area) драйвера 2ED2181(4)S06F(J)

Наличие изолирующего слоя оксида кремния позволяет существенно повысить устойчивость SOI-драйверов к отрицательным выбросам напряжения по сравнению с традиционными JI-драйверами. Драйверы семейств 2ED210x и 2ED218x способны выдерживать выбросы более 100 В, в то время как устойчивость их предшественников оказывается гораздо ниже.

В таблице 3 приводится сравнение устойчивости драйверов к отрицательным выбросам напряжения на примере IR(S)2106S и их функционального аналога 2EDL05N06PF. Как видно из таблицы, новые драйверы имеют существенное преимущество по этому показателю.

Таблица 3. Сравнение устойчивости драйверов к отрицательным выбросам напряжения

Длительность выброса напряжения, нс Наименование драйвера
IR2106S IRS2106S 2EDL05N06PF
Предельное напряжение импульса, В
100 -50 -38 -200
150 -41 -29,2 -200
200 -36 -25 -200
300 -30 -22 -190
500 -24 -20 -166
700 -23,6 -20 -159
1000 -22,2 -19,4 -141

Следует понимать, что несмотря на повышенную устойчивость новых драйверов к отрицательным выбросам напряжения, разработчики по-прежнему должны уделять повышенное внимание компоновке и трассировке печатных плат и стараться обеспечить минимальную паразитную индуктивность. В этом плане руководства [3] и [4] не утратили своей актуальности.

Встроенный бутстрепный диод и бутстрепный резистор

Одним из важнейших решений, реализованных компанией IR в высоковольтных драйверах, является бутстрепная схема. Ее работа поясняется на рисунке 7.

Рис. 7. Работа бутстрепной схемы [5]

Рис. 7. Работа бутстрепной схемы [5]

Управляющий сигнал для транзистора верхнего плеча не может формироваться относительно земли, вместо этого требуется схема с плавающим потенциалом. Такая схема формирует напряжение на затворе относительно точки Vs (исток транзистора). Для поддержания напряжения необходим источник питания. В качестве такого источника выступает бутстрепный конденсатор. Он заряжается через бутстрепный диод в момент, когда включен транзистор нижнего плеча (ток заряда показан на рисунке 7 пунктирной линией). Ток через диод ограничивается последовательным бутстрепным резистором. Энергии, запасенной в процессе заряда, должно хватать, чтобы поддержать верхний транзистор во включенном состоянии оставшуюся часть периода.

Очевидно, что у такой схемы есть ограничения. Нижний транзистор в обязательном порядке должен часть периода находиться во включенном состоянии, чтобы конденсатор успел зарядиться. Соответственно, возникает ограничение длительности рабочего цикла полумоста. Чтобы компенсировать это ограничение, необходимо использовать быстродействующий диод и минимально возможное сопротивление бутстрепного резистора, чтобы обеспечить максимально быстрый заряд конденсатора.

Дополнительный диод и резистор приводят к росту стоимости и занимают дополнительное место на печатной плате. Новые драйверы 2ED210x и 2ED218x производства Infineon свободны от этого недостатка и имеют в составе встроенный бутстрепный диод и резистор. Сопротивление встроенного резистора имеет очень низкое значение (например, 36 Ом в случае с 2ED2304S06F), а встроенный диод отличается превосходными показателями температурной стабильности и очень высоким быстродействием (рисунок 8).

Рис. 8. Время восстановления встроенного бутстрепного диода составляет менее 50 нс [2]

Рис. 8. Время восстановления встроенного бутстрепного диода составляет менее 50 нс [2]

Снижение уровня потерь

Потери в драйвере складываются из нескольких составляющих: статических потерь, потерь выходного каскада, динамических потерь входных КМОП-схем, потерь в схеме сдвига уровня, потерь на бутстрепном диоде, потерь от токов утечки. Потери мощности проявляются в виде разогрева драйвера. Благодаря использованию SOI-технологии драйверы 2ED210x и 2ED218x производства компании Infineon обеспечивают существенное сокращение уровня потерь.

На рисунках 9 и 10 показан нагрев драйверов 2ED218xS06F и 2ED2108 при различных частотах коммутации в процессе управления различными транзисторами. Если драйверы предыдущего поколения создавались с расчетом на работу при низких частотах коммутации (до 100 кГц), то новые драйверы способны работать на частотах до нескольких сотен кГц и при этом демонстрировать меньший нагрев.

Рис. 9. Нагрев драйвера 2ED218xS06F при увеличении частоты коммутации

Рис. 9. Нагрев драйвера 2ED218xS06F при увеличении частоты коммутации

Рис. 10. Нагрев драйвера 2ED2108 при увеличении частоты коммутации DSO-8 и DSO-14

Рис. 10. Нагрев драйвера 2ED2108 при увеличении частоты коммутации DSO-8 и DSO-14

Сравнение нагрева новых SOI-драйверов с нагревом JI-драйверов при работе в составе реальной схемы (рисунок 11) демонстрирует преимущество первых. Как видно из диаграммы, температура нового драйвера (66,6°С) оказалась в два раза меньше, чем классического JI-драйвера (122,2°С).

Рис. 11. Сравнение нагрева JI-драйвера и нового SOI-драйвера [2]

Рис. 11. Сравнение нагрева JI-драйвера и нового SOI-драйвера [2]

Совместимость с предыдущими поколениями JI-драйверов

В предыдущих разделах были наглядно продемонстрированы достоинства новых драйверов. Однако разработчики мощных приложений обычно консервативны и не любят что-то менять в удачных схемах, даже если новые компоненты сулят значительные преимущества. Предвидя это, компания Infineon сохранила повыводную совместимость драйверов 2ED210x и 2ED218x с наиболее популярными драйверами предыдущего поколения. Речь идет как о 8-выводных, так и о 14-выводных исполнениях (рисунок 12) [2].

Рис. 12. Новые драйверы совместимы по выводам с предыдущими поколениями драйверов (пример совместимости ED2181 и IR2181/IRS2181) [2]

Рис. 12. Новые драйверы совместимы по выводам с предыдущими поколениями драйверов (пример совместимости ED2181 и IR2181/IRS2181) [2]

Другими словами, в случае с семействами 2ED210x и 2ED218x разработчики могут перейти на новые драйверы без перетрассировки печатных плат. Соответствия между новыми и старыми драйверами представлены в таблице 4. Единственным исключением являются драйверы 2ED2182. Кроме того, есть некоторые отличия в логике работы между 2ED21091 и IR(S) 21091.

Таблица 4. Совместимость новых семейств SOI-драйверов с предыдущими поколениями JI-драйверов [2]

Наименования SOI-драйверов JI-драйверы IR21xxSPBF/IR21xx4SPBF, IRS21xxSPBF/IRS21xx4SPBF
2ED2182S06F Нет JI-аналога
2ED21824S06J
2ED2181S06F IR2181SPBF IRS2181SPBF
2ED21814S06J IR21814SPBF IRS21814SPBF
2ED2183S06F IR2183SPBF IRS2183SPBF
2ED21834S06J IR21834SPBF IRS21834SPBF
2ED2184S06F IR2184SPBF IRS2184SPBF
2ED21834S06J IR218344SPBF IRS21834SPBF
2ED2106S06F IR2106SPBF IRS2106SPBF
2ED21064S06J IR21064SPBF IRS21064SPBF
2ED2108S06F IR2108SPBF IRS2108SPBF
2ED21084S06J IR21084SPBF IRS21084SPBF
2ED2109S06F IR2109SPBF IRS2109SPBF
2ED21094S06J IR21094SPBF IRS21094SPBF
2ED21091S06F IR21091SPBF IRS21091SPBF

Заключение

Новые семейства высоковольтных драйверов 2ED210x и 2ED218x производства компании Infineon совместимы с предыдущими поколениями популярных драйверов и при этом обеспечивают целый ряд дополнительных преимуществ: повышенную устойчивость к отрицательным выбросам напряжения, меньший уровень потерь, наличие встроенного бутстрепного резистора и диода.

Литература

  1. Infineon EiceDRIVER™ gate driver ICs Selection guide 2019 Every switch needs a driver.
  2. Advantages of Infineon’s high-voltage gate driver ICs (HVICs) based on its silicon-on-insulator (SOI) technology.
  3. Application Note AN-978. HV Floating MOS-Gate Driver ICs.
  4. Application Note AN-1092 Understanding HVIC Datasheet Specifications.
  5. Using Monolithic High Voltage Gate Drivers.
  6. https://www.infineon.com/
•••

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
2ED21064S06JXUMA1 (INFIN)
2ED2106S06FXUMA1 (INFIN)
2ED21084S06JXUMA1 (INFIN)
2ED2108S06FXUMA1 (INFIN)
2ED21091S06FXUMA1 (INFIN)
2ED21094S06JXUMA1 (INFIN)
2ED2109S06FXUMA1 (INFIN)
2ED21814S06JXUMA1 (INFIN)
2ED2181S06FXUMA1 (INFIN)
2ED21824S06JXUMA1 (INFIN)
2ED2182S06FXUMA1 (INFIN)
2ED21834S06JXUMA1 (INFIN)
2ED2183S06FXUMA1 (INFIN)
2ED21844S06JXUMA1 (INFIN)
2ED2184S06FXUMA1 (INFIN)
2ED2304S06FXLSA1 (INFIN)
2ED2304S06FXUMA1 (INFIN)
2ED2304S06FXLLA1 (INFIN)