Схемы и решения для управления затвором на базе ИС драйверов серии EiceDriver от Infineon

14 декабря 2020

телекоммуникацииуправление питаниемответственные примененияInfineonстатьяинтегральные микросхемыMOSFETIGBTAC-DCККМ

Диого Вараджо (Infineon Technologies), Кармен Мендитти Матришано (Infineon Technologies)

Самые современные драйверы управления 2EDi, 1EDB, 2EDN, 1EDN и 1EDN-TDI семейств GaN EiceDRIVER™ и EiceDRIVER™ от Infineon по своим показателям существенно превышают возможности предыдущих поколений. В данной статье мы расскажем, почему современные драйверы называются «цифровыми изоляторами», и сравним изолированные драйверы с традиционными решениями с дискретным изолирующим трансформатором.

Представляем различные варианты реализации гальванически изолированных схем для управления затворами полевых транзисторов, которые обеспечивают увеличение эффективности, удельной мощности и отказоустойчивости силовых преобразователей. В статье приводится сравнение классического варианта изолированной схемы управления затвором на основе импульсного трансформатора и современных вариантов, основанных на применении ИС изолированных драйверов затвора и цифровых изоляторов. Сравнение производится по таким параметрам и характеристикам, как уровень изоляции, задержка распространения, паразитная индуктивность рассеяния, паразитная проходная емкость, устойчивость к синфазным помехам от переходных процессов (CMTI), площадь и высота используемых компонентов, удобство трассировки печатной платы и плотность монтажа. Подробно анализируются преимущества и недостатки каждого варианта при управлении полевыми транзисторами с суперпереходом (SJ MOSFET), карбид-кремниевыми полевыми транзисторами (SiC MOSFET) и транзисторами с высокой подвижностью электронов на основе нитрида галлия (GaN HEMT). Во всех рассматриваемых вариантах схем управления затвором предлагается использовать микросхемы семейств GaN EiceDRIVER™ и EiceDRIVER™ 2EDi, 1EDB, 2EDN, 1EDN и 1EDN-TDI.

Материал предназначен для инженеров по применению и разработчиков импульсных источников питания, которым требуются гальванически изолированные схемы для управления затворами SJ MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT. В нем представлены различные варианты схем управления затворами, которые можно реализовать на современной элементной базе, ориентированные, в первую очередь, на применение ИС драйверов затворов EiceDRIVER™ производства компании Infineon.

Для чего нужна гальваническая развязка

Гальваническая развязка – ключевой фактор, который следует учитывать при разработке импульсных источников питания (ИИП). Сначала кратко опишем причины, обуславливающие обуславливающие необходимость гальванической развязки, а затем рассмотрим различные варианты изолированных схем управления затвором для современных ИИП, в которых применяются SJ MOSFET, SiC MOSFETи GaN HEMT.

Общемировые потребности в электроэнергии продолжают расти из года в год темпами, опережающими рост мирового спроса на энергоносители [1]. Развивающиеся страны ведут работы по расширению своих электросетевых инфраструктур, чтобы предоставить населению доступ к электроэнергии для освещения, отопления и питания бытовой техники. Автоматизация промышленного производства и широкое использование электроприводов наряду с электрификацией автотранспорта, судов, поездов, самолетов, а также автономных систем также стимулируют увеличение спроса на электроэнергию. Активное развитие телекоммуникационной инфраструктуры и рост мобильного трафика влекут за собой увеличение энергопотребления базовых станций [2]. Также для поддержки интернет-трафика, который продолжает расти в геометрической прогрессии, увеличивается и вычислительная мощность гипермасштабируемых центров обработки данных, облачных серверов и узлов периферийных вычислений [3].

В настоящее время на долю возобновляемых источников энергии приходится более четверти объема мирового производства электроэнергии [1]. В некоторых странах инверторы солнечных батарей, гидроэлектростанции и ветрогенераторы уже способны обеспечивать потребность населения в электроэнергии на протяжении нескольких часов или даже дней. Системы хранения энергии на основе аккумуляторов (Battery Energy Storage Systems, BESS) помогают решить вопрос с неравномерным поступлением энергии от возобновляемых источников. Эти системы поддерживают баланс между генерацией и потреблением электроэнергии, что повышает надежность системы энергоснабжения и позволяет нивелировать локальные колебания напряжения в питающей сети.

Технологии силовой электроники применяются для преобразования энергии и управления электропитанием в самом разном оборудовании: инверторах солнечных батарей, ветрогенераторах, оборудовании промышленной автоматизации, быстрых зарядных устройствах и инверторах двигателей электромобилей, BESS, базовых станциях связи, центрах обработки данных, облачных серверах, бытовой технике и электроинструментах. Эксплуатация и обслуживание всех этих систем осуществляется посредством человеко-машинных интерфейсов (Human-Machine Interfaces, HMI). Контроллеры и коммуникационные периферийные устройства, подключенные к HMI, необходимо защищать от высоковольтных цепей систем преобразования энергии (Power Conversion System, PCS), а также от любых высоковольтных выбросов, которые могут повредить оборудование или причинить вред людям. Такая защита обеспечивается за счет применения гальванической изоляции, которая предотвращает протекание тока между двумя частями системы, не препятствуя при этом передаче сигналов и энергии от одной части к другой. Кроме того, гальваническая изоляция улучшает помехозащищенность и предотвращает появление паразитных контуров заземления в системах с большой разностью земляных потенциалов (Ground Potential Differences, GPD) между первичным и вторичным контурами преобразователя.

Как показано на рисунке 1, гальваническая развязка, которая обеспечивается изолирующим элементом, полностью отделяет первичную сторону системы от вторичной. В результате разрыва общего контура заземления через изолирующий элемент могут проходить только дифференциальные сигналы, в то время как любые синфазные помехи полностью блокируются. Наконец, гальваническая изоляция также необходима для обеспечения связи между низковольтными и высоковольтными компонентами системы, например, для передачи ШИМ-сигнала от контроллера, расположенного в низковольтной части устройства, к высоковольтным силовым ключам полумостового (HB) преобразователя.

Рис. 1. Гальваническая изоляция обеспечивается изолирующим элементом, который разрывает земляной контур и отвязывает первичную сторону системы от вторичной

Рис. 1. Гальваническая изоляция обеспечивается изолирующим элементом, который разрывает земляной контур и отвязывает первичную сторону системы от вторичной

Гальваническая изоляция в современных ИИП

До недавнего времени для обеспечения гальванической развязки между контроллером и силовыми ключами широко применялись импульсные трансформаторы, которые изолировали управляющие сигналы низковольтных драйверов затвора. Однако помимо громоздкости, у такого решения есть и другие эксплуатационные ограничения, обусловленные насыщением сердечника трансформатора. Если же встроить изолирующий компонент непосредственно в драйвер затвора, воспользовавшись, к примеру, технологией трансформатора без сердечника (Coreless Transformer, CT) компании Infineon, то можно будет получить эффективные и надежные ИС изолированных драйверов затвора. В качестве примера таких ИС драйверов затвора можно указать семейство микросхем EiceDRIVER ™ 2EDi [4], представленное на рисунке 2. Применение подобных компонентов упрощает трассировку печатной платы и позволяет создавать устройства с высокой удельной мощностью, обладающие повышенными надежностью и точностью синхронизации.

Рис. 2. Технология трансформатора без сердечника позволяет создавать эффективные ИС изолированных драйверов затвора, имеющие повышенную электрическую прочность изоляции

Рис. 2. Технология трансформатора без сердечника позволяет создавать эффективные ИС изолированных драйверов затвора, имеющие повышенную электрическую прочность изоляции

В секторе преобразования энергии ведется постоянный поиск новых решений, которые позволили бы улучшить эффективность процесса преобразования, увеличить удельную мощность и снизить общую стоимость системы. Одним из таких решений стало появление полупроводниковых приборов с большой шириной запрещенной зоны, имеющих намного меньшее удельное сопротивление (RDS(on) × A), по сравнению с лучшими образцами кремниевых полупроводниковых приборов, имеющихся на рынке [5]. Благодаря этому снижаются потери проводимости и, следовательно, допускается работа при гораздо более высоких температурах.

Что же касается величины заряда, накапливаемой в выходной емкости (Qoss), то GaN HEMT по этому параметру почти на порядок лучше кремниевых транзисторов и в 2 раза лучше чем SiC MOSFET [5]. Такие характеристики широкозонных полупроводников значительно снижают коммутационные потери в транзисторах и позволяют им переключаться с более высокими частотами, что дает возможность уменьшить габариты моточных изделий и, как следствие, уменьшить размеры всей системы преобразования энергии. Однако быстрое переключение SiC MOSFET и GaN HEMT приводит к большим перепадам напряжения и тока, что, помимо сильного «звона» и генерации электромагнитных помех, может привести к нежелательному открытию силовых ключей из-за паразитных индуктивностей, а также из-за наличия емкостной обратной связи с затвором [6]. По этой причине для любой изолированной схемы управления затвором крайне важно минимизировать паразитные емкости [7]. Ниже будет подробнее сказано о том, что большие паразитные емкости – основной недостаток импульсных трансформаторов, который может препятствовать их применению в изолированных схемах управления затвором транзисторов с большой шириной запрещенной зоны.

Для предотвращения искажения сигнала при резком изменении напряжения между двумя раздельными землями большое значение имеет такая характеристика изолирующего компонента, как CMTI. Транзисторы GaN HEMT могут обеспечить сверхбыстрые изменения напряжения со скоростью нарастания свыше 100 В/нс, поэтому CMTI – ключевой параметр, который следует учитывать при выборе изолированной схемы управления затвором, особенно в связи с появлением силовых ключей на основе широкозонных полупроводников. Микросхемы семейства GaN EiceDRIVER™ [8] были специально разработаны для надежного и эффективного переключения высоковольтными CoolGaN™ HEMT. Применение данных ИС также позволяет снизить затраты на разработку и ускорить вывод продукции на рынок.

На рисунке 3 показана типовая схема ИИП, в котором для управления затворами силовых ключей применены ИС драйверов с гальванической развязкой производства компании Infineon. В составе ИИП имеется корректор коэффициента мощности (ККМ) с двухтактным выходным каскадом, который управляется с первичной стороны, а также резонансный LLC-преобразователь и синхронный мостовой выпрямитель, управляемые со вторичной стороны.

ККМ, подключенный к сети электропитания, управляется ШИМ-сигналами контроллера, который, как и ККМ, расположен на первичной стороне относительно основного изоляционного барьера. К этим цепям не предъявляется никаких требований по гальванической изоляции, обусловленных соображениями безопасности, поскольку данная часть ИИП никак не связана ни с HMI, ни с какими-либо коммуникационными интерфейсами, расположенными на низковольтной (Extra-Low Voltage, ELV*) вторичной стороне изоляционного барьера. Тем не менее, в связи с разными значениями напряжений на входе и выходе драйвера мы можем с успехом применить изолированные драйверы затвора вместо драйверов затвора со схемами сдвига уровня. В данном случае требования, предъявляемые к изоляции, могут быть не очень жесткими: изоляция ИС должна выдерживать максимальное рабочее напряжение ККМ, которое в конечном итоге представляет собой разницу напряжений, приложенных ко входу и выходу драйвера. Такая изоляция называется «функциональной» и ее единственное назначение – обеспечение корректной работы полумоста.

В схеме, приведенной на рисунке 3, функциональная изоляция обеспечивается драйверами 1EDF5673F семейства GaN EiceDRIVER™ и 2EDF7275F семейства EiceDRIVER™ 2EDi, которые управляют, соответственно, силовыми ключами CoolGaN™ «быстрого» плеча и CoolMOS™ SJ MOSFET «медленного» плеча. На данной схеме в ИИП ИС изолированного драйвера затвора применены как в мостовом ККМ с двухтактным выходным каскадом, управляемым с первичной стороны, так и в резонансном LLC-преобразователе с синхронным выпрямителем, управляемым со вторичной стороны.

* ELV – напряжение, не превышающее 50 В AC или 120 В DC (без пульсаций) между проводниками или электрическим проводником и землей при номинальном напряжении питания. Русская аббревиатура – СНН (сверхнизкое напряжение).

Рис. 3. Типовая схема ИИП, в которой ИС изолированного драйвера затвора применены в мостовом ККМ с двухтактным выходным каскадом и в резонансном LLC-преобразователе с синхронным выпрямителем

Рис. 3. Типовая схема ИИП, в которой ИС изолированного драйвера затвора применены в мостовом ККМ с двухтактным выходным каскадом и в резонансном LLC-преобразователе с синхронным выпрямителем

Резонансный LLC-преобразователь управляется ШИМ-сигналами контроллера, расположенного на вторичной стороне. Поскольку этот контроллер подключен к HMI и коммуникационному интерфейсу, он должен быть надежно изолирован от силовых ключей резонансного преобразователя. Для этого прежде всего необходимо расположить компоненты первичной и вторичной сторон преобразователя на печатной плате таким образом, чтобы обеспечить между ними требуемое расстояние (как правило, 8 мм). На рисунке 4 показан такой усиленный изоляционный барьер, выполненный на печатной плате резонансного LLC-преобразователя. Далее необходимо использовать компоненты, способные передавать сигналы через этот барьер и обеспечивать требуемый уровень изоляции в соответствии с международными стандартами [9]. Это будет гарантировать, что вторичная сторона ИИП не имеет связи с заземлением и полностью изолирована от сети переменного тока.

ИС драйвера затвора с усиленной гальванической изоляцией семейств GaN EiceDRIVER™ и 2EDi могут располагаться поперек изоляционного барьера для управления силовыми транзисторами CoolGaN™ и CoolMOS™. При выходе из строя одного из MOSFET LLC-преобразователя в этом транзисторе может возникнуть короткое замыкание между затвором и стоком, в результате чего на выход ИС драйвера затвора попадет первичное напряжение. Разные узлы микросхемы располагаются по разные стороны изоляционного барьера, поэтому для обеспечения безопасности системы необходимо гарантировать, что изоляция внутри микросхемы после воздействия высокого напряжения останется неповрежденной. В качестве примера драйверов затвора с надежной усиленной изоляцией между входом и выходом можно привести ИС 1EDS5663H семейства GaN EiceDRIVER™ и 2EDS8265H семейства EiceDRIVER™ 2EDi, выполненных по технологии CT.

Поскольку выходное напряжение синхронного выпрямителя находится в пределах диапазона ELV, опасность поражения электрическим током практически отсутствует. В связи с этим для управления силовыми ключами выпрямителя требуется обеспечить только функциональную изоляцию. Рекомендуется для управления силовыми ключами OptiMOS™ синхронного преобразователя использовать драйвер затвора 2EDF7275K семейства EiceDRIVER™ 2Edi, имеющий функциональную изоляцию и выпускаемый в небольшом корпусе LGA-13.

Рис. 4. Усиленный изоляционный барьер на печатной плате резонансного LLC-преобразователя

Рис. 4. Усиленный изоляционный барьер на печатной плате резонансного LLC-преобразователя

Сравнение производится по таким параметрам и характеристикам, как уровень изоляции, задержка распространения, паразитная индуктивность рассеяния, паразитная проходная емкость, устойчивость к синфазным помехам от переходных процессов (CMTI), площадь и высота используемых компонентов, удобство трассировки печатной платы и плотность монтажа.

Давайте рассмотрим наиболее распространенные изолированные схемы управления затвором, их сильные и слабые стороны.

Гальванически изолированные схемы управления затвором

Существуют различные схемы управления плечами полумостов, обеспечивающие необходимую гальваническую развязку между контроллером и силовыми ключами. В этом разделе подробно описаны наиболее распространенные варианты таких схем с указанием их преимуществ и недостатков. Классический Пример 1 основан на применении импульсных трансформаторов и обычно используется для управления IGBT и SJ MOSFET. Однако из-за своих паразитных индуктивностей и емкостей импульсные трансформаторы не годятся для управления SiC MOSFET и GaN HEMT, для которых характерны большие значения di/dt и dv/dt. Альтернативные Примеры 2…5 основаны на применении ИС изолированных драйверов затвора и цифровых изолятоов, что дает возможность использовать эти схемы для управления SJ MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT. Эти современные компоненты с гальванической изоляцией для управления затворами позволяют создавать конструкции с высокой удельной мощностью, обеспечивая при этом функциональный, базовый или усиленный уровень изоляции. 

Пример 1. Импульсный трансформатор

Один из наиболее распространенных вариантов управления полумостовой схемой основан на применении импульсного трансформатора, который и обеспечивает гальваническую развязку между контроллером и силовыми ключами полумоста. В устройствах с базовой и усиленной изоляциями импульсный трансформатор устанавливается на печатную плату поверх изоляционного барьера. Одно из основных преимуществ импульсного трансформатора – нет необходимости в изолированных DC/DC-преобразователях для питания схемы управления MOSFET.

Как показано на рисунке 5, для формирования больших токов, требуемых для зарядки емкостей затворов силовых ключей, используется двухканальная ИС драйвера нижнего плеча. ИС драйвера должна иметь выход, способный работать как с вытекающим, так и со втекающим токами для дифференциального управления первичной обмоткой импульсного трансформатора. Выход OUTA активируется в течение первого полупериода ШИМ, в результате чего к первичной обмотке импульсного трансформатора прикладывается положительное напряжение. Соответственно, выход OUTB активируется в течение второго полупериода ШИМ и формирует на первичной обмотке отрицательное напряжение.

Поскольку токи затворов суммируются с током намагничивания трансформатора, направление выходного тока драйвера может изменяться. Следовательно, выходной каскад ИС драйвера при работе с импульсным трансформатором должен выдерживать как вытекающий, так и втекающий токи. Выходные каскады драйверов EiceDRIVER™ 2EDN [10] имеют встроенные диоды для защиты от больших обратных токов, что обеспечивает высокую надежность этих драйверов при работе в такой конфигурации [11]. Драйверы способны выдерживать вытекающие и втекающие токи величиной до 5 А (в зависимости от корпуса), что позволяет управлять SJ MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT, имеющими различные значения параметра RDS(on).

Рис. 5. Пример 1: двухканальная ИС драйвера нижнего плеча и импульсный трансформатор

Рис. 5. Пример 1: двухканальная ИС драйвера нижнего плеча и импульсный трансформатор

Площади импульсов напряжения, прикладываемых к первичной обмотке трансформатора во время каждого из полупериодов, должны быть одинаковыми, чтобы исключить намагничивание сердечника трансформатора. Из этого следует, что при одинаковой амплитуде управляющих импульсов, используемых для открытия и закрытия транзисторов, коэффициент заполнения этих импульсов не может превышать 50%. Для LLC-преобразователей, работающих с постоянным коэффициентом заполнения 50%, это нельзя назвать существенным недостатком. Однако такое ограничение делает невозможным применение импульсных трансформаторов в синхронном мостовом выпрямителе на вторичной стороне ИИП, который управляется импульсами с коэффициентом заполнения 75…85% [12]. Кроме того, любой импульсный трансформатор характеризуется определенной минимально допустимой частотой переключений, величина которой определяется из условия отсутствия насыщения сердечника из-за большого магнитного потока. Например, максимальное значение магнитного потока (константа E-T) трансформатора GT06-111-100 [13] составляет 100 В∙мкс, то есть при управляющем напряжении 12 В минимальная частота переключения составит 60 кГц. Следовательно, при меньшей частоте переключения потребуется более громоздкий импульсный трансформатор, имеющий большее значение константы E-T. Обычно частота переключения импульсных трансформаторов находится в пределах 0,04…1 МГц.

Чтобы исключить постепенное нарастание магнитной индукции в первичной обмотке и насыщение сердечника трансформатора, возникающие из-за небольшой асимметрии управляющих импульсов, последовательно с первичной обмоткой обычно включают конденсатор CT. Однако этот конденсатор не позволяет предотвратить насыщение сердечника, обусловленное асимметрией управляющих импульсов. Кроме того, первичная обмотка трансформатора имеет относительно малое сопротивление постоянному току. Это ведет к тому, что падения напряжения, обусловленного постоянной составляющей тока намагничивания, обычно оказывается недостаточно, чтобы исключить влияние асимметрии импульсов. Поэтому последовательно с конденсатором включают резистор RT, который позволяет увеличить падение напряжения и способствует устранению влияния этой асимметрии.

Еще один важный параметр импульсного трансформатора, который может существенным образом повлиять на характеристики рассматриваемой схемы управления — это индуктивность рассеяния LLK. Значение этого параметра, в основном, зависит от взаимного расположения обмоток в окне магнитопровода. Обычно значение LLK импульсных трансформаторов составляет около 0,5% индуктивности первичной обмотки и может легко достигать десятков мкГн. Такая индуктивность обладает достаточно большим импедансом для быстро меняющихся сигналов. Применение тороидальных сердечников позволяет значительно снизить индуктивность рассеяния, однако в любом случае величина этой индуктивности будет больше 300 нГн. Поскольку задержка распространения сигнала через трансформатор напрямую связана с индуктивностью рассеяния, необходимо приложить все усилия для минимизации этой индуктивности. Рассмотрим пример использования импульсного трансформатора GT06-111-100 (с тороидальным сердечником) с 600-вольтовым SJ MOSFET IPB60R105CFD7 семейства CoolMOS™ CFD7 [14] (формула 1):

$$V_{CC}=12\:В;\:L_{LK}=470\:нГн;\:R_{DS(on)}=105\:мОм;\:Q_{gs}=10\:нКл;\:Q_{gd}=14\:нКл\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Поскольку индуктивность LLK входит в контур цепи управления затвором, скорость изменения тока di/dt ограничивается на уровне около 25,5 мА/нс. Если предположить, что резистор затвора не ограничивает рост тока, то для накопления заряда Qgs и достижения плато Миллера потребуется около 28 нс. В резонансном преобразователе, таком как LLC, открытие силового ключа происходит при нуле напряжения, и ключ считается открытым с момента достижения плато Миллера. В режиме жесткого переключения для достижения конца плато Миллера требуется передать дополнительный заряд. В этом случае для накопления заряда Qgd будут нужны еще 15 нс. Следовательно, полное открытие SJ MOSFET в схеме с жестким переключением занимает около 43 нс. Если предположить, что в нашей схеме применен драйвер затвора семейства EiceDRIVER™ 2EDN с задержкой распространения 19 нс, то получится, что при использовании импульсного трансформатора для открытия SJ MOSFET потребуется, соответственно, около 47 нс и 62 нс в режимах мягкого и жесткого переключения.

При использовании же ИС изолированного драйвера затвора индуктивность контура цепи управления затвором в основном зависит от трассировки печатной платы. Типичное значение полной индуктивности контура цепи управления затвором в этом случае составляет 10 нГн. Соответственно, резко возрастает скорость нарастания тока, заряжающего емкости Cgs и Cgd, в результате чего время заряда этих емкостей оказывается практически нулевым по сравнению с вариантом, в котором используется импульсный трансформатор.

Кроме того, индуктивность рассеяния следует минимизировать, чтобы исключить появление в силовых ключах сквозного тока, который возникает из-за несовпадения задержек распространения сигнала во вторичных обмотках верхнего и нижнего плеча. Чтобы управляющие сигналы были точно согласованы во времени, при изготовлении импульсного трансформатора необходимо выдерживать жесткие допуски. Более того, из-за большой скорости нарастания тока, протекающего через индуктивность рассеяния, в цепи затвора могут возникнуть паразитные затухающие колебания. Это может привести к несвоевременному открытию транзистора, результатом которого станут появление сквозного тока короткого замыкания и выход из строя ключей полумоста. Поэтому область применения импульсных трансформаторов ограничена приложениями, в которых изменение тока происходит относительно медленно.

Помимо прочего, импульсные трансформаторы имеют большую межобмоточную емкость (CIO). Переходные процессы с высокой скоростью нарастания напряжения (dv/dt) в общей точке ключей полумоста приводят к появлению тока смещения, который течет через емкость CIO и тем самым пересекает изоляционный барьер. Как показано на рисунке 6, этот ток течет через выходной каскад ИС драйвера нижнего ключа, тем самым создавая опасность несвоевременного переключения ключевого транзистора и возникновения сквозного тока в полумосте. Следовательно, емкость CIO ограничивает значение параметра CMTI рассматриваемого варианта управления затвором. Максимальная величина CMTI для импульсных трансформаторов составляет около 50 В/нс [15], поэтому область применения импульсных трансформаторов также ограничена приложениями, в которых изменение напряжения происходит относительно медленно.

Рис. 6. Наведенный ток смещения, который, протекая через емкость CIO, пересекает изоляционный барьер и снижает устойчивость к синфазным помехам от переходных процессов

Рис. 6. Наведенный ток смещения, который, протекая через емкость CIO, пересекает изоляционный барьер и снижает устойчивость к синфазным помехам от переходных процессов

Из-за наличия сердечника и изолированных обмоток импульсный трансформатор имеет довольно большие габариты. Вместе с ИС драйвера затвора и дополнительными дискретными компонентами получается достаточно громоздкий узел, затрудняющий трассировку печатной платы, к тому же его размеры могут оказаться слишком большими для применения во многих устройствах с плотной компоновкой [16]. Помимо этого, трансформатор имеет значительную высоту, что не позволяет его использовать в современных низкопрофильных ИИП с параллельным соединением силовых модулей, в которых применяются исключительно SMD-компоненты. Также наличие на печатной плате громоздкого импульсного трансформатора затрудняет реализацию системы охлаждения для отвода тепла от верхней плоскости поверхностно монтируемых силовых ключей. Наконец, с ростом рабочей температуры ухудшаются магнитные свойства сердечников и ускоряется старение импульсных трансформаторов. Это может оказаться особенно важным при создании преобразователей с высокой удельной мощностью, работающих при высоких температурах, в которых применяются, например, карбид-кремниевые MOSFET семейства CoolSiC™ [17], способные работать при температуре перехода до 175°C.

Пример 2. Двухканальная ИС изолированного драйвера затвора

Гальваническая развязка может быть реализована непосредственно в ИС драйвера затвора, например, с использованием технологии CT от компании Infineon. Небольшое расстояние между двумя планарными обмотками трансформатора позволяет обойтись без сердечника. С помощью данной технологии можно реализовать любой уровень изоляции: функциональный, базовый, усиленный. Корпус ИС драйвера имеет расстояние между выводами и длину пути утечки, достаточные для установки этой микросхемы поверх изоляционного барьера при обеспечении базовой и усиленной гальванической изоляции. На рисунке 7 приведена схема, в которой применена двухканальная ИС изолированного драйвера затвора, например, 2EDS8265H семейства EiceDRIVER™. Для питания канала верхнего плеча требуется напряжение, привязанное к плавающей земле (общая точка ключей полумоста). Данный источник питания можно реализовать с использованием бутстрепной схемы, содержащей всего несколько недорогих пассивных компонентов (DB, RB, CB), в отличие от Примера 1. В качестве альтернативы можно использовать изолированный DC/DC-преобразователь, который, хотя и имеет более высокую стоимость, обеспечивает большую степень интеграции.

Рис. 7. Пример 2. Двухканальная ИС изолированного драйвера затвора

Рис. 7. Пример 2. Двухканальная ИС изолированного драйвера затвора

EiceDRIVER™ 2EDi [4] – это семейство двухканальных ИС изолированного драйвера затвора, обеспечивающих функциональную (2EDFx) или усиленную (2EDSx) гальваническую изоляцию между входом и выходом посредством технологии CT. Благодаря формированию большого тока управления, отличным показателям подавления синфазных помех и малой задержке распространения сигнала микросхемы драйвера затвора семейства 2EDi особенно хорошо подходят для управления MOSFET со средним и высоким рабочими напряжениями в устройствах преобразования энергии с высокой частотой переключений. Задержка распространения в таких драйверах сравнима или меньше задержки распространения импульсного трансформатора (Пример 1), а рассогласование между каналами, не превышающее 3 нс, обеспечивает точную синхронизацию ключей и надежную работу в широком диапазоне температур окружающей среды. Надежность драйвера затвора в первую очередь определяется устойчивостью к синфазным помехам от переходных процессов (параметр CMTI). Благодаря конструкции трансформатора и наличию специальных узлов, реализующих канал передачи информации внутри микросхемы, значения параметра CMTI ИС драйвера затвора семейства 2EDi превышают 150 В/нс [18], что позволяет без всякого риска использовать их для управления SJ MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT.

Поскольку микросхемы, основанные на технологии CT, не вносят заметной паразитной индуктивности в контур цепи управления затвором, помехи при переключении ключей полумоста практически отсутствуют. Для оценки уровня помех мы использовали две версии оценочной платы мостового преобразователя со сдвигом фаз и мягким переключением мощностью 800 Вт [8, 19] со следующими схемами управления затвором:

  • импульсный трансформатор GT05-111-100 и ИС драйвера затвора 2EDN7524F семейства EiceDRIVER™ (Пример 1);
  • ИС драйвера затвора с усиленной изоляцией 2EDS8265H семейства EiceDRIVER™ (Пример 2).

На рисунке 8 приведены осциллограммы для обеих версий платы. На этих осциллограммах показан сигнал напряжения «затвор-исток» MOSFET нижнего плеча в момент жесткого открытия (ток нагрузки 10 А, мощность 800 Вт) MOSFET верхнего плеча. Отметим, что для объективного сравнения при проведении обоих экспериментов обеспечивалась идентичная скорость нарастания напряжения «сток-исток» dVDS/dt, равная 12,9 В/нс. Напряжение «затвор-исток» MOSFET нижнего плеча обозначено графиком голубого цвета, напряжение «сток-исток» MOSFET нижнего плеча – желтого цвета, ток в основном трансформаторе – зеленого.

Схема управления на основе импульсного трансформатора (Пример 1) вносит значительную паразитную индуктивность в контур цепи управления затвором, в результате чего возникают паразитные колебания из-за резонанса с емкостями «затвор-исток» и «затвор-сток». Как видно из рисунка 8а, уровень помех, наведенных на VGS транзистора нижнего плеча, значительно превышает пороговое напряжение силового ключа (V(GS)th = 4 В). Чтобы исключить возникновение перекрестной проводимости в полумосте, вызываемой значительным уровнем наведенных помех, на плате с импульсным трансформатором была реализована схема, обеспечивающая двуполярное управляющее напряжение. Однако из-за этой схемы возрастают потери на управление, что сказывается на итоговой эффективности преобразователя.

При использовании драйвера затвора с усиленной изоляцией 2EDS8265H семейства EiceDRIVER™ (Пример 2) помехи, наводимые в момент переключения, практически отсутствуют, что хорошо видно на рисунке 8б. Это позволяет использовать схему управления с однополярным напряжением, поскольку нет опасности повторного открытия ключа и возникновения перекрестной проводимости в полумосте. Кроме того, более низкий уровень помех обеспечивает некоторый запас, наличие которого позволяет увеличить скорость нарастания dVDS/dt путем уменьшения резистора затвора, тем самым уменьшая длительность переходных процессов при переключении и, следовательно, повышая эффективность преобразователя без ущерба для его устойчивости и надежности.

Рис. 8. а) плата с импульсным трансформатором GT05-111-100 и EiceDRIVER™ 2EDN7524F (Пример 1); б) плата с ИС драйвера затвора с усиленной изоляцией EiceDRIVER™ 2EDS8265H (Пример 2)

Рис. 8. а) плата с импульсным трансформатором GT05-111-100 и EiceDRIVER™ 2EDN7524F (Пример 1); б) плата с ИС драйвера затвора с усиленной изоляцией EiceDRIVER™ 2EDS8265H (Пример 2)

Поскольку в трансформаторе без сердечника отсутствует такой эффект, как насыщение, коэффициент заполнения ШИМ-сигнала может изменяться во всем диапазоне 0…100%. Кроме того, через ИС драйвера затвора можно передавать непрерывный ШИМ-сигнал открытия или закрытия ключа. Частота переключения может доходить до 10 МГц.

Двухканальный драйвер также обеспечивает дополнительные функции, такие как формирование защитных интервалов (Dead-Time Control, DTC) и защита от сквозного тока (Shoot-Through Protection, STP). Длительность защитных интервалов, вставляемых в ШИМ-сигналы контроллера, задается внешним резистором (RDTC). Функция STP обеспечивает дополнительную защиту в случае формирования контроллером некорректных ШИМ-сигналов, что увеличивает надежность преобразователя.

Как показано на рисунке 9, при использовании драйвера затвора с усиленной изоляцией объем основных компонентов можно уменьшить более чем на 75% по сравнению с Примером 1. Очевидно, что импульсный трансформатор — громоздкий компонент, накладывающий определенные ограничения на трассировку печатной платы, а также конструкцию преобразователя. Что же касается печатной платы, Пример 2 занимает в 2 раза меньшую площадь благодаря небольшому размеру микросхемы драйвера и тому, что для реализации такой схемы требуется всего несколько дополнительных компонентов. Кроме того, небольшая высота микросхемы драйвера делает ее пригодной для применения в низкопрофильных ИИП с параллельным соединением силовых модулей, в которых используются исключительно SMD-компоненты. Наконец, благодаря применению технологии CT микросхемы семейства EiceDRIVER™ 2EDi обладают хорошей температурной стабильностью. Таким образом, Пример 2, основанный на применении двухканальной ИС изолированного драйвера затвора, представляет собой надежное решение высокой степени интеграции для преобразователей с высокой удельной мощностью, использующих SJ MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT.

Рис. 9. Размеры, объем основных компонентов и площадь занимаемая ими на печатной плате: a) Пример 1 на основе импульсного трансформатора GT06-111-100; б) Пример 2 на основе ИС драйвера затвора EiceDRIVER™ 2EDS8265H

Рис. 9. Размеры, объем основных компонентов и площадь занимаемая ими на печатной плате: a) Пример 1 на основе импульсного трансформатора GT06-111-100; б) Пример 2 на основе ИС драйвера затвора EiceDRIVER™ 2EDS8265H

Пример 3. Цифровой изолятор и двухканальная ИС изолированного драйвера затвора

Можно обеспечить гальваническую развязку между узлами системы немного иначе, применив одновременно цифровой изолятор и двухканальную ИС изолированного драйвера затвора. Такая схема управления стандартно используется в модулях изолированных DC/DC-преобразователей, применяющихся для питания телекоммуникационного оборудования. Контроллер формирует ШИМ-сигналы, которые передаются через изоляционный барьер посредством цифрового изолятора, обеспечивающего базовый или усиленный уровень изоляции. Такое решение позволяет разместить ИС драйвера очень близко к компонентам полумоста, уменьшая тем самым паразитные индуктивности в контуре цепи управления затвором. Схема, реализующая данный вариант управления, приведена на рисунке 10. Как видим, данная схема отличается от схемы Примера 2 только наличием ИС цифрового изолятора. Поскольку базовая или усиленная изоляция уже обеспечивается цифровым изолятором, ИС драйвера затвора, например, 2EDF7275F семейства EiceDRIVER™ 2Edi, должна обеспечивать только функциональную изоляцию, а также достаточную длину пути утечки между каналами, чтобы иметь возможность одновременно управлять силовыми ключами нижнего и верхнего плечей. Такая конфигурация предоставляет разработчику большую степень свободы при размещении компонентов на печатной плате.

Рис. 10. Пример 3. Цифровой изолятор и двухканальная ИС изолированного драйвера затвора

Рис. 10. Пример 3. Цифровой изолятор и двухканальная ИС изолированного драйвера затвора

Микросхемы семейства EiceDRIVER™ 2EDFx – это двухканальные ИС изолированного драйвера затвора, обеспечивающие функциональную гальваническую изоляцию, которые входят в семейство 2EDi [4]. Эти ИС выпускаются в корпусах LGA-13 (5×5 мм) и DSO/SOIC‑16 150 мил (10×6 мм). Оба исполнения обеспечивают функциональную изоляцию для напряжений до 1500 В DC и способны работать при напряжении до 510 В (rms). Кроме того, выпускаются исполнения с различными максимально допустимыми значениями вытекающего/втекающего тока (4/8 A и 1/2 A), что позволяет применять эти драйверы для управления SJ MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT с разными значениями RDS(on).

Пример 4. Две одноканальные ИС изолированного драйвера затвора

Для обеспечения гальванической развязки между частями системы также можно использовать одноканальные ИС изолированного драйвера затвора, например, 1EDB8275F семейства EiceDRIVER™ 1EDB (рисунок 11). По сути, данная схема представляет собой аналог схемы из Примера 2, в которой для управления силовым ключом каждого плеча используется отдельная ИС драйвера затвора. Это позволяет разработчику разместить ИС драйвера затвора в непосредственной близости от силовых ключей. Кроме того, применение двух отдельных ИС в какой-то степени упрощает трассировку печатной платы.

В настоящее время чрезвычайно востребованы низкопрофильные ИИП с высокой удельной мощностью, применяемые в малых базовых станциях сотовой связи. В таких станциях блок питания монтируется рядом с телекоммуникационным оборудованием на столбе или на стене. По этой причине ИИП должен быть компактным, чтобы не бросался в глаза, и легким, чтобы снизить требования к несущей конструкции и облегчить монтаж. В таком оборудовании большое внимание уделяется уменьшению потребности в техническом обслуживании для снижения эксплуатационных расходов и обеспечению степени защиты IP65, поэтому ИИП должен иметь пассивное охлаждение (без вентиляторов). Следовательно, при проектировании силового каскада необходимо предусмотреть принятие мер, позволяющих снизить выделение тепла при полной нагрузке. Есть два возможных варианта:

  • применение силовых ключей, имеющих меньшее сопротивление RDS(on), чем те, для работы которых требуется принудительное охлаждение;
  • чередование/параллельное включение силовых ключей с более высоким RDS(on) и применение специальных топологий.

Рис. 11. Пример 4. Две одноканальные ИС изолированного драйвера затвора (схема с защитой от сквозных токов)

Рис. 11. Пример 4. Две одноканальные ИС изолированного драйвера затвора (схема с защитой от сквозных токов)

Применение отдельных ИС драйвера затвора каждого из плечей моста рекомендуется для ИИП с пассивным охлаждением, использующих параллельно соединенные силовые ключи. Наличие двух ИС обеспечивает определенную свободу при трассировке печатной платы, что в свою очередь позволяет уменьшить паразитную индуктивность, связанную с силовым контуром. Кроме того, по сравнению с вариантом, в котором используется двухканальная ИС драйвера затвора, может упроститься и трассировка цепей управления затворами всех силовых ключей.

Микросхемы семейства EiceDRIVER™ 1EDB [20] – это одноканальные ИС изолированного драйвера затвора с раздельными выходами и большой нагрузочной способностью. Такие характеристики позволяют оптимизировать схему управления параллельно соединенными силовыми ключами. Раздельные выходы OUT+ и OUT- дают возможность использовать в цепи затвора резисторы разных номиналов при открытии и закрытии ключей. Это позволяет сэкономить один внешний диод (дополнительные расходы и место на печатной плате), который обычно используется для реализации указанной возможности при использовании драйверов затвора с одним выходом. Кроме того, большие максимальные значения вытекающего/втекающего тока (4/8 A) позволяют использовать эту ИС для одновременного управления несколькими средне- и высоковольтными SJ MOSFET, SiC MOSFET или GaN HEMT в PCS с большой частотой переключений. Согласно [21], рекомендуется в цепь затвора каждого силового ключа устанавливать индивидуальный резистор. Эти резисторы обеспечивают требуемые демпфирование и развязку контуров управления затворами для предотвращения паразитных колебаний.

Также для предотвращения перекрестной проводимости ключей полумоста необходимо обеспечить согласование задержек распространения сигналов управления каждым плечом. Благодаря очень маленькому разбросу значений задержки распространения (±4 нс) драйверы затвора семейства EiceDRIVER™ 1EDB обеспечивают точную синхронизацию ключей и надежную их работу в широком диапазоне температур окружающей среды. Помимо этого, данные ИС драйверы затвора имеют как прямые, так и инверсные входы (IN + и IN-), которые, будучи объединены в соответствии со схемой на рисунке 11, позволяют реализовать функцию STP. Тем самым обеспечивается дополнительная защита в случае формирования контроллером некорректных ШИМ-сигналов, что увеличивает надежность PCS.

Пример 5. Одноканальная ИС изолированного драйвера затвора и ИС неизолированного драйвера затвора с TDI

В том случае, если требуется обеспечить только функциональную изоляцию, для управления силовым ключом нижнего плеча можно применить ИС неизолированного драйвера затвора. Это даст возможность использовать ИС в корпусе меньшего размера, что может оказаться полезным при разработке компактных устройств с жесткими ограничениями по габаритам. В частности, такой вариант управления можно применить в LLC-преобразователе, который управляется ШИМ-контроллером, расположенным на первичной стороне, поскольку в данном конкретном случае не требуется ни базовой, ни усиленной изоляции. Схема, реализующая данный вариант управления с использованием одноканальной ИС изолированного драйвера затвора, например, 1EDB8275F семейства EiceDRIVER™ EDB, и ИС неизолированного драйвера затвора с истинно дифференциальными входами, например, 1EDN7550B семейства EiceDRIVER™ 1EDN, приведена на рисунке 12.

Рис. 12. Пример 5. Одноканальная изолированная ИС драйвера затвора и неизолированная ИС драйвера затвора с TDI

Рис. 12. Пример 5. Одноканальная изолированная ИС драйвера затвора и неизолированная ИС драйвера затвора с TDI

Микросхемы семейства EiceDRIVER ™ 1EDN-TDI [22] – это одноканальные драйверы затвора нижнего плеча с истинно дифференциальными входами, которые предотвращают ложное срабатывание SJ MOSFET. В этих ИС управляющие входы IN + и IN– практически не связаны с потенциалом земли, значение имеет только разница напряжений на этих входах, поэтому данные микросхемы обеспечивают надежное управление в случае изменения потенциала земли как высоковольтной, так и низковольтной частей преобразователя, предлагая следующие входные параметры:

  • динамический диапазон изменения входного синфазного напряжения (Common-Mode Range, CMR) до ±150 В для ШИМ-сигналов с амплитудой 3,3 В;
  • статический CMR до -72/+84 В для ШИМ-сигналов с амплитудой 3,3 В.

Это позволяет устранить опасность несвоевременного открытия ключа, что жизненно важно для устройств, в которых имеется разность между потенциалами земель драйвера и контроллера. Данная проблема типична для систем:

  • c силовыми ключами в четырехвыводных корпусах (с кельвиновским выводом истока);
  • с большими паразитными индуктивностями печатной платы (длинные дорожки, однослойная печатная плата);
  • с двуполярным управляющим напряжением.

Семейство EiceDRIVER™ 1EDN-TDI, как и семейство EiceDRIVER™ 1EDB, предлагает разделенные выходы, большие максимальные значения вытекающего/втекающего тока (4/8 A) и такую же задержку распространения сигнала (45 нс). По этой причине совместное использование ИС драйверов обоих семейств наилучшим образом подходит для управления силовыми ключами полумоста в том случае, если требуется обеспечить только функциональную изоляцию. Данная конфигурация может использоваться для управления не только SJ MOSFET и SiC MOSFET, но и высоковольтными GaN HEMT [23].

Пример 6. Двухканальная ИС изолированного драйвера затвора и ИС неизолированного драйвера затвора с TDI

Для обеспечения гальванической развязки между частями системы также можно использовать двухканальную ИС изолированного драйвера затвора и две одноканальные ИС неизолированного драйвера затвора. Принципиальная схема, реализующая данный вариант управления, приведена на рисунке 13. Чтобы обеспечить усиленную изоляцию, например, в LLC-преобразователе, управляемом со вторичной стороны, двухканальная ИС семейства EiceDRIVER™ 2EDS [4] устанавливается на печатную плату поверх изоляционного барьера. Кроме того, ИС этого семейства могут формировать защитные интервалы (DTC), которые вставляются в ШИМ-сигналы контроллера. Длительность этих интервалов задается внешним резистором (RDTC). Функция STP обеспечивает дополнительную защиту на случай генерации контроллером некорректных ШИМ-сигналов, что увеличивает надежность PCS.

ИС неизолированного драйвера затвора располагаются каждая рядом со своим силовым ключом для уменьшения паразитных индуктивностей контура цепи управления затвором. Микросхемы семейства EiceDRIVER™ 1EDN-TDI [22] идеально подходят для такой компоновки, поскольку выпускаются в миниатюрных корпусах SOT-23-6 и TSNP-6 и имеют большие значения динамического CMR, что позволяет их использовать даже для управления силовым ключом верхнего плеча. Раздельные выходы дают возможность использовать в цепи затвора резисторы разных номиналов при открытии и закрытии ключей. Кроме того, большие максимальные значения вытекающего/втекающего тока (4/8A) позволяют использовать эту ИС для одновременного управления несколькими средне- и высоковольтными SJ MOSFET, SiC MOSFET или GaN HEMT в PCS с большой частотой переключений. Также истинно дифференциальные входы предотвращают ложные переключения силового ключа, что особенно важно при работе с GaN MOSFET, для которых характерны быстрые переходные процессы в общей точке ключей полумоста.

Рис. 13. Пример 6. Двухканальная ИС изолированного драйвера затвора и две ИС неизолированного драйвера затвора с TDI

Рис. 13. Пример 6. Двухканальная ИС изолированного драйвера затвора и две ИС неизолированного драйвера затвора с TDI

Давайте сравним различные варианты схем по таким параметрам и характеристикам, как уровень изоляции, задержка распространения, паразитная индуктивность рассеяния, паразитная проходная емкость, CMTI, высота компонентов и площадь, занимаемая ими на печатной плате, а также удобство трассировки печатной платы и плотность монтажа.

Сравнение различных гальванически изолированных схем управления затвором

После того как мы ознакомились с различными вариантами схем управления затвором, обеспечивающими гальваническую изоляцию, сравним Примеры 1…6 между собой. Для этого можно обратиться к таблице 1, которая содержит значения основных параметров и характеристик схем управления затвором для всех рассмотренных выше Примеров.

Таблица 1. Сравнительная таблица параметров различных вариантов изолированных схем управления ключами полумоста

Параметр Пример 1. Импульсный трансформатор (“вчерашний день”) Пример 2. Двухканальная изолированная ИС драйвера затвора Пример 3. Цифровой изолятор и двухканальная изолированная ИС драйвера затвора Пример 4.
Две одноканальные изолированные ИС драйвера затвора
Пример 5. Одноканальная изолированная ИС драйвера затвора и неизолированная ИС драйвера затвора с TDI Пример 6. Двухканальная изолированная ИС драйвера затвора и неизолированная ИС драйвера затвора с TDI
Уровень изоляции Усиленный, базовый или функциональный Усиленный, базовый или функциональный Усиленный, базовый или функциональный Усиленный, базовый или функциональный Функциональный Усиленный, базовый или функциональный
Задержка распространения, нс ≥ 35* ≈ 35* ≈ 50** ≈ 45** ≈ 45** ≈ 80***
Паразитная индуктивность рассеяния (LLK), нГн ≥ 300*** N/A* N/A* N/A* N/A* N/A*
Паразитная проходная емкость (CIO), пФ ≥ 10*** ≤ 2** ≤ 1* ≤ 2** ≤ 2** ≤ 2**
CMTI, В/нс ≥ 50** ≥ 150* ≥ 150* ≥ 150* ≥ 150* ≥ 150*
Коэффициент заполнения, % ≤ 50*** 0…100* 0…100* 0…100* 0…100* 0…100*
Насыщение сердечника трансформатора Да*** Нет* Нет* Нет* Нет* Нет*
Частота переключения, МГц 0,040…1*** 0…10* 0…10* 0…10* 0…10* 0…10*
Размеры компонентов Значительные*** Малые* Малые* Малые* Малые* Малые*
Высота компонентов Большая*** Малая* Малая* Малая* Малая* Малая*
Степень удобства разводки ПП Низкая*** Средняя** Высокая* Высокая* Высокая* Наивысшая*
Площадь, занимаемая на ПП Большая*** Малая* Средняя** Малая* Наименьшая* Средняя**
Требуется ли изолированный источник питания Нет* Да (или бутстрепная схема)*** Да (или бутстрепная схема)*** Да (или бутстрепная схема)*** Да (или бутстрепная схема)*** Да (или бутстрепная схема)***
* – Наилучший вариант;
** – средний вариант;
*** – наихудший вариант.

Максимальный обеспечиваемый уровень гальванической изоляции – первый параметр, по которому производится сравнение различных вариантов. В зависимости от конкретного применения может потребоваться функциональная, базовая либо усиленная гальваническая изоляция. Так, для LLC-преобразователя, который управляется ШИМ-контроллером, расположенным на первичной стороне, достаточно функциональной изоляции. Следовательно, в данном конкретном случае подойдет Пример 5, в котором для управления силовым ключом верхнего плеча используется ИС драйвера с функциональной изоляцией. Если ШИМ-контроллер имеет функцию сдвига уровней управляющих сигналов, то для управления силовым ключом верхнего плеча также можно использовать ИС семейства EiceDRIVER™ 1EDN-TDI [23]. Однако вариант схемы управления, в котором используются два драйвера семейства EiceDRIVER™ 1EDN-TDI, в данной статье не рассматривается. Для LLC-преобразователя, представленного на рисунке 3, требуется базовая или усиленная изоляция, поскольку сигналы управления от ШИМ-контроллера, расположенного на вторичной стороне, должны проходить через изоляционный барьер. В этом случае для обеспечения требуемого уровня изоляции можно воспользоваться Примерами 1, 2, 3, 4 или 6.

Задержка распространения — один из ключевых параметров, использующихся для сравнения различных вариантов схем управления затвором. Как было сказано в разделе «Пример 1. Импульсный трансформатор», индуктивность рассеяния импульсного трансформатора оказывается включенной последовательно в контур цепи управления затвором и, следовательно, задерживает открытие и закрытие ключа, ограничивая скорость нарастания тока di/dt. По этой причине задержка распространения в Примере 1 в основном зависит от индуктивности рассеяния силового трансформатора. Минимальное значение задержки распространения для Пример 1 составляет 35 нс – столько же, сколько и в Примере 2, в котором используется двухканальная ИС изолированного драйвера затвора семейства EiceDRIVER™ 2EDi. Микросхемы этого семейства имеют великолепное согласование задержек распространения обоих каналов, что положительно сказывается на эффективности процесса преобразования [24]. В Примере 3 дополнительно следует учитывать 15 нс, которые вносит цифровой изолятор, включенный последовательно с ИС драйвера затвора. То есть суммарная задержка распространения сигнала в данном варианте составит около 50 нс. В Примерах 4 и 5, в которых используются ИС драйвера семейства EiceDRIVER™ 1EDB, задержка распространения составляет около 45 нс. В Примере 6 применена ИС изолированного драйвера затвора, соединенная последовательно с ИС неизолированного драйвера затвора семейства EiceDRIVER™ 1EDN-TDI, суммарная задержка распространения которых составляет около 80 нс.

Чуть ли не единственное преимущество импульсного трансформатора состоит в том, что при его использовании не требуется дополнительного изолированного источника питания (DC/DC-преобразователя) для управления MOSFET. В остальных вариантах схем управления нужен источник напряжения, привязанный к плавающей земле силового ключа верхнего плеча (общая точка ключей полумоста). Этот источник можно реализовать с использованием бутстрепной схемы, обеспечивающей требуемый сдвиг уровня. Вместо бутстрепной схемы можно использовать изолированный DC/DC-преобразователь, но этот вариант, как правило, обходится дороже.

Существенный недостаток Примера 1 – большая паразитная проходная емкость (CIO) импульсного трансформатора, наличие которой значительно снижает надежность работы преобразователя. Эта емкость создает опасность несвоевременного открытия транзистора и возникновение сквозного тока, в связи с чем значение параметра CMTI данного варианта ограничивается значением 50 В/нс. Остальные варианты схем имеют меньшие значения CIO и с легкостью обеспечивают CMTI более 150 В/нс.

Импульсный трансформатор может перестать выполнять свои функции из-за насыщения сердечника, вызванного небольшой асимметрией управляющих импульсов. Это физическое ограничение импульсного трансформатора, которое не позволяет использовать сигналы управления с коэффициентом заполнения больше 50% при одинаковой амплитуде управляющих импульсов, используемых для открытия и закрытия транзисторов. Эта особенность резко снижает круг приложений, в которых может применяться импульсный трансформатор. Частота переключения при использовании импульсного трансформатора также ограничена диапазоном 0,04…1 МГц. Трансформаторы без сердечника, напротив, не подвержены насыщению, поэтому минимальная частота переключения ничем не ограничена. Это означает, что через ИС драйвера затвора можно передавать непрерывный ШИМ-сигнал включения или выключения. При этом частота переключения может достигать значения 10 МГц, а коэффициент заполнения управляющего сигнала может изменяться с 0% до 100%. Это очевидные преимущества ИС изолированного драйвера затвора, которые обеспечивают гораздо лучшие эксплуатационные характеристики Примеров 2…6 по сравнению с Примером 1.

Поскольку импульсный трансформатор имеет достаточно большие размеры, ему требуется значительная площадь на печатной плате, что отрицательно сказывается на компактности трассировки. Более того, необходимость установки импульсного трансформатора над изоляционным барьером накладывает серьезные ограничения на степень свободы при компоновке печатной платы. Высота импульсного трансформатора также препятствует его использованию в устройствах с высокой удельной мощностью, чья конструкция предусматривает использование нескольких плат, устанавливаемых параллельно друг другу, при изготовлении которых применяются исключительно SMD-компоненты.

Применение же ИС изолированного драйвера затвора позволяет создавать очень компактные схемы управления благодаря меньшей высоте ИС и меньшей площади, занимаемой ими на печатной плате, по сравнению с импульсным трансформатором. Например, при использовании ИС 2EDS8265H семейства EiceDRIVER™ 2EDi объем, занимаемый компонентами схемы управления, получается почти в 5 раз меньше объема схемы на основе импульсного трансформатора GT06-111-100. Кроме того, применение ИС драйвера затвора предоставляет разработчику большую свободу при компоновке и трассировке печатной платы, позволяя вынести часть компонентов за изоляционный барьер. В частности, Пример 5 схемы управления позволяет добиться минимальной паразитной индуктивности конура цепи управления затвором. Это достигается установкой ИС драйвера семейства EiceDRIVER™ 1EDN-TDI рядом с силовыми ключами, тогда как изолированная ИС драйвера семейства EiceDRIVER™ 2EDS располагается поперек изоляционного барьера, обеспечивая усиленный уровень изоляции. Что же касается плотности компоновки печатной платы, применение ИС изолированного драйвера затвора и цифровых изоляторов позволяет создавать надежные конструкции высокой степени интеграции, обеспечивающие наилучшие показатели удельной мощности.

Подведем итог

Существует несколько вариантов гальванически изолированных схем управления затворами транзисторов, подходящих для управления SJ MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT. Появление полупроводниковых приборы с большой шириной запрещенной зоны повлекло за собой появление новых требований к схемам управления, обусловленных наличием быстрых переходных процессов и высоких частот переключения. Классические гальванически изолированные схемы управления затвором на основе импульсных трансформаторов этим требованиям уже не отвечают. Кроме того, импульсные трансформаторы имеют достаточно большие габариты, серьезно затрудняют трассировку печатных плат и создание компактных конструкций, что препятствует их применению в современных устройствах с высокой удельной мощностью. Новые варианты схем управления, в которых применяются ИС изолированных драйверов затвора и цифровые изоляторы, отличаются высокими значениями CMTI и устойчивы к ложному включению благодаря очень маленьким значениям паразитных емкостей. Небольшие размеры и малая высота ИС драйвера затвора и цифровых изоляторов позволяют создавать действительно компактные схемы управления. Кроме того, применение этих компонентов способствует снижению суммарной стоимости системы, поскольку они в большей степени соответствуют методологиям проектирования с учетом технологических требований (Design For Manufacturing, DFM) и пригодности для массовой сборки (Design For Assembly, DFA). Использование изолированных ИС драйвера затвора и цифровых изоляторов позволяет создавать надежные узлы высокой степени интеграции, обеспечивающие большую удельную мощность высокоэффективных силовых преобразователей.

Литература

  1. International Energy Agency (IEA), Global Energy & CO2 Status Report, March 2019.
  2. Michael Koziol, “5G’s Waveform Is a Battery Vampire”, IEEE Spectrum, July
  3. Nicola Jones, “How to stop data centres from gobbling up the world’s electricity”, Nature, September
  4. EiceDRIVER™ 2EDi Half-bridge Gate Driver, Infineon Technologies
  5. Gerald Deboy and René Mente, “The Road to Success for Power Semiconductors”, Power Systems Design, August
  6. Sobe, T. Basler and B. Klobucar, “Characterization of the parasitic turn-on behavior of discrete CoolSiC™ MOSFETs”, PCIM Europe 2019; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2019, pp. 1–7.
  7. AN_1909_PL52_1911_173913, “CoolMOS™ – gate drive and switching dynamics”, Infineon Technologies 
  8. GaN EiceDRIVER™ High-side isolated gate drivers for high voltage GaN HEMTs, Infineon Technologies
  9. AN_1805_PL52_1806_095202, “Using the EiceDRIVER™ 2EDi product family”, Infineon 
  10. EiceDRIVER™ 2EDN gate driver for MOSFET, Infineon Technologies
  11. AN_201609_PL52_031, “Benefits of low-side MOSFET drivers in SMPS”, Infineon Technologies
  12. AN_1809_PL52_1809_081412, “3300 W 54 V bi-directional phase-shift full-bridge with 600 V CoolMOS™ CFD7 and XMC™”, Infineon Technologies
  13. GT06 series gate driver transformers – GT06-111-100, ICE Components
  14. Datasheet 2.0, “600V CoolMOS™ CFD7 power transistor – IPB60R105CFD7”, Infineon Technologies, 2019 
  15. Mattin Txapartegi and Jonathan Liao, “Gate Driver Market and Technology Trends”, Report, Yole Développement
  16. TA_MS-2318, “Design Fundamentals of Implementing an Isolated Half-Bridge Gate Driver”, Analog Devices
  17. CoolSiC™ MOSFET, Infineon Technologies
  18. Datasheet 2.4 “EiceDRIVER™ 2EDi product family – fast, robust, dual-channel, functional and reinforced isolated MOSFET gate driver with accurate and stable timing”, Infineon Technologies, 2019
  19. AN_201709_PL52_027, “800 W ZVS Phase-shift full-bridge evaluation board – using 600 V CoolMOS™ CFD7 and digital control by XMC4200”, Infineon Technologies, 2017
  20. EiceDRIVER™ 1EDB single-channel isolated gate drivers, Infineon Technologies, 2020
  21. AN-941, Paralleling power MOSFETs, INTERNATIONAL RECTIFIER™
  22. EiceDRIVER™ 1EDN-TDI low-side gate drivers, Infineon Technologies, 2019
  23. Varajao, T. Ferianz, V. Zhang and C. Matrisciano, “Driving GaN HEMT High-Voltage Half-Bridge with a Single-Channel Non-Isolated Gate Driver with Truly Differential Inputs”, Accepted for PCIM Europe 2020; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2020, pp. 1–8.
  24. AN_2002_PL52_2003_165036, “Dual-channel isolated EiceDRIVER™ 2EDF7275K in telecom bricks”, Infineon Technologies, 2020.

Оригинал

Перевел Андрей Евстифеев 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
1ED3120MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3121MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3122MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3123MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3124MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3131MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3431MU12MXUMA1 (INFIN)
1ED3461MU12MXUMA1 (INFIN)
1ED3491MU12MXUMA1 (INFIN)
1ED3830MU12MXUMA1 (INFIN)
1ED3860MU12MXUMA1 (INFIN)
1ED3890MU12MXUMA1 (INFIN)
2ED24427N01FXUMA1 (INFIN)
1ED44173N01BXTSA1 (INFIN)
1ED44175N01BXTSA1 (INFIN)
1ED44176N01FXUMA1 (INFIN)
1EDN7550BXTSA1 (INFIN)
1EDN8550BXTSA1 (INFIN)
1EDN7550UXTSA1 (INFIN)
2EDF7175FXUMA1 (INFIN)