Использование драйверов EiceDRIVER для повышения качества управления транзисторами SiC MOSFET

Особенности использования драйверов линейки EiceDRIVER производства Infineon при работе с MOSFET-транзисторами на базе карбида кремния требования к их параметром, функции защиты от короткого замыкания и предотвращения эффекта Миллера расчет рассеиваемой мощности и рекомендуемая топология печатных плат – обо всем этом рассказывает руководство по применению от компании Infineon.

Рассмотрим основные параметры карбид-кремниевых МОП-транзисторов (SiC MOSFET) и определим требования к драйверам этих силовых ключей, а также проведем обзор драйверов серии EiceDRIVER™ («x» = «F» или «H», в зависимости от корпусного исполнения):

Перечисленные драйверы имеют встроенную гальваническую развязку. Хотя наличие гальванической развязки не является обязательным требованием при работе с SiC MOSFET, тем не менее, ее присутствие значительно упрощают работу с этими сверхбыстрыми силовыми транзисторами 1200 В. В статье также приводятся полезные схемы и рекомендации по трассировке печатных плат.

Важно отметить, что технология карбид-кремниевых МОП-транзисторов CoolSiC™ Trench-MOSFET, разработанная компанией Infineon, имеет целый ряд преимуществ, которые позволяют упростить использование этих силовых ключей. В рамках данной публикации преимуществам CoolSiC™ Trench-MOSFET уделяется особое внимание. Стоит также подчеркнуть, что статья посвящена именно МОП-транзисторам на базе карбида кремния, и не касается вопросов биполярных SiC-транзисторов или JFET SiC-транзисторов.

Статья предназначена для разработчиков силовой электроники и для инженеров, непосредственно занимающихся трассировкой силовых печатных плат.

Основные и вспомогательные функции всех рассматриваемых драйверов SiC-транзисторов представлены в таблице 1. Наиболее важные из них – согласование задержки распространения сигналов управления, наличие встроенных прецизионных входных фильтров, широкий выходной диапазон напряжений, возможность формирования отрицательных напряжений затвора и расширенная стойкость к переходным процессам (CMTI).

Таблица 1. Основные характеристики и функции драйверов SiC MOSFET

Параметр  Встроен.
фильтр
150 нс
Широкий
диапазон
выходных
напряже-
ний
Возможность
формиро-
вания
отрица-
тельного
напряжения
затвора
Стойкость
к синфазным
помехам
CMTI
Функция
DESAT
Защита от низкого напряжения
UVLO ≈ 12 В
Активное подавление эффекта Миллера Оптимальное использование
Компактное семейство 1EDI («x» = корпусное исполнение «F» или «H») 1EDI20H12AH + + + + + Полумостовые схемы/отрицательное напряжение затвора
1EDI60H12AH + + + + +
1EDI20N12AF + + + +
1EDI60N12AF + + + +
1EDI05I12Ax + + + + Полумостовые схемы
1EDI20I12Ax + + + +
1EDI40I12Ax + + + +
1EDI60I12Ax + + + +
1EDI10I12Mx + + + Одиночные транзисторы, низкое dV/dt
1EDI20I12Mx + + +
1EDI30I12Mx + + +
Семейство 1ED-F2 1ED020I12-F2 + + + + + + Быстрый выход из насыщения
1ED020I12-B2 + + + + + +
2ED020I12-F2 + + + + + +
Семейство SRC 1EDS20I12SV + + + + Имеется двухшаговое выключение и контроль тока затвора
1EDI20I12SV + + + +

Наиболее оптимальными драйверами без функции обнаружения короткого замыкания являются 1EDI20H60AH и 1EDI60H60AH с корпусным исполнением DSO8 (300 милов, мил – одна тысячная дюйма), а также 1EDI20N60AF и 1EDI60N60AF с корпусным исполнением DSO8 (150 милов). Если требуется быстрая защита от короткого замыкания, то лучшим выбором будут драйверы из семейства 1ED-F2.

Драйверы 1EDI10I12MF, 1EDI20I12MF и 1EDI30I12MF имеют встроенную функцию подавления эффекта Миллера. По этой причине их совместное использование с силовыми транзисторами CoolSiC™ MOSFET является оптимальным решением при создании таких однотранзисторных схем, как повышающие, понижающие, прямоходовые и обратноходовые преобразователи. Эти же драйверы подойдут для приложений с малым значением dVDS/dt и в тех случаях, когда для управления затвором будет достаточно положительных напряжений.

Требования к драйверам карбид-кремниевых МОП-транзисторов

В этом разделе рассматриваются требования, предъявляемые к драйверам карбид-кремниевых МОП-транзисторов.

Синхронное выпрямление

Полумостовые схемы, работающие с индуктивной нагрузкой, например, с двигателем с ШИМ-управлением, нуждаются в цепи протекания обратного тока в течение «мертвого времени» и в течение времени, пока транзистор находится в выключенном состоянии. При использовании SiC-транзисторов обратный ток протекает через встроенный обратный диод. В идеальном случае для этого может использоваться и сам транзистор. Он должен открываться и работать параллельно с обратным диодом. Такой режим работы называется синхронным.

Преимущество данного режима работы заключается в том, что канал транзистора обычно обеспечивает меньшее падение напряжения по сравнению с прямым падением встроенного диода. Это очень важно, так как прямое падение на встроенном диоде оказывается достаточно высоким. На рисунке 1 показаны падения напряжения встроенных диодов различных SiC-транзисторов при минимальных напряжениях затвора. Исходя из вышесказанного, становится очевидным, что для обеспечения высокой эффективности системы встроенного диода будет недостаточно.

Рис. 1. Прямое падение напряжения (VF) встроенных диодов карбид-кремниевых МОП-транзисторов при минимальных значениях напряжения на затворе

Рис. 1. Прямое падение напряжения (VF) встроенных диодов карбид-кремниевых МОП-транзисторов при минимальных значениях напряжения на затворе

Минимизация длительности мертвого времени для обеспечения высокой эффективности

Переходные интервалы «мертвого времени», в течение которых оба транзистора полумостовой схемы находятся в выключенном состоянии, препятствуют возникновению сквозных токов. Это важный фактор безопасности для любой полумостовой схемы. С другой стороны, наличие «мертвого времени» может привести к снижению эффективности или ограничению выходной мощности, поскольку в течение этого времени энергия не передается в нагрузку. Таким образом, обеспечение минимальной длительности мертвого времени является крайне важной задачей для достижения высоких показателей эффективности силовой электроники. Для ее решения потребуется точное согласование задержек включения и наличие прецизионных интегрированных фильтров, о чем пойдет речь ниже.

Согласование задержек распространения управляющих сигналов

При определении длительности «мертвого времени», формируемого драйвером, необходимо учитывать задержку распространения сигнала управления (от входа до выхода), временные периоды нарастания и спада. Поскольку временные периоды нарастания и спада лежат в диапазоне единиц наносекунд, то их влияние оказывается незначительным. Этого нельзя сказать о задержке распространения сигнала управления. В документации на изолированные драйверы EiceDRIVER™ обычно присутствует информация о величине задержки распространения и об ее зависимости от температуры и старения. При этом оказывается, что разброс значений данного параметра при изменении внешних условий оказывается не таким значительным, как разброс значений между разными микросхемами. Поэтому в документации приводят также и допуск по величине разброса времени задержки между различными микросхемами драйверов. Согласование задержек распространения является одним из важнейших условий для уменьшения длительности мертвого времени. В таблице 2 приведены параметры согласования для драйверов EiceDRIVER™.

Таблица 2. Рассогласование задержек распространения сигнала управления с учетом и без учета температурной зависимости

Наименование Максимальное рассогласование задержки, нс Максимальное рассогласование задержки с учетом температурной зависимости, нс
(«x» = корпусное исполнение «F» или «H»)
1EDI05I12Ax, 1EDI20I12Ax, 1EDI40I12Ax, 1EDI60I12Ax 40 48
1EDI20N12AF, 1EDI60N12AF 25 29
1EDI60H12AH 25 33
1ED020I12-F2, 1ED020I12-B2, 2ED020I12-F2 25 45
1EDI20I12SV, 1EDS20I12SV (с учетом скорости нарастания) 30

Важно отметить, что для правильного определения длительности «мертвого времени» необходимо крайне скрупулезно изучить характеристики используемых SiC МОП-транзисторов и интегрального драйвера. Задержки включения и выключения силовых транзисторов зачастую сильнее зависят от рабочих условий (например, от диапазона напряжений затвора, напряжения «сток-исток», температуры кристалла Tvj, сопротивления затвора), чем задержки распространения драйвера. Таким образом, параметры SiC MOSFET-транзистора могут оказывать решающее значение на длительность «мертвого времени».

Прецизионные интегрированные фильтры

Фильтрация входных управляющих сигналов – это адекватный способ защиты от ложных срабатываний, вызванных электрическими шумами. В силовой электронике часто используются два способа фильтрации:

  • входные RC-фильтры;
  • комбинация из входного RC-фильтра с малым значением постоянной времени и прецизионного фильтра, интегрированного в саму микросхему драйвера.

Внешний RC-фильтр помогает входным сигналам оставаться в пределах допустимого диапазона напряжений микросхемы. Обычно нижний порог допустимых напряжений драйверов составляет всего -0,3 В. Существует высокий риск того, что без RC-фильтра может произойти разрушение ИС из-за возникновения высоковольтных помех. Емкостная составляющая фильтра помогает сигналам оставаться внутри рабочего диапазона напряжений микросхемы, в то время как резистивная составляющая ограничивает входные токи, тем самым дополнительно защищая входы драйвера. Таким образом, наилучшим вариантом является использование RC-фильтра с малым значением постоянной времени в диапазоне нескольких наносекунд, конденсатор которого размещен максимально близко к выводам микросхемы. Драйвер же должен взять на себя эффективную фильтрацию больших возмущений.

Рассмотрим особенности представленных выше методов фильтрации. Как показано на левом графике рисунка 2, недостатком первого метода является пологая часть кривой заряда RC-цепи. Разброс номиналов компонентов фильтра (конденсатора и резистора) оказывает большое влияние на постоянную времени. Это хорошо видно на том же графике. Можно заметить, что диапазон отклонений tmax – tmin, вызванный разбросом номиналов, оказывается несимметричным относительно целевого значения ttrig.

Рис. 2. Различные топологии входного фильтра: а) внешний RC-фильтр; б) комбинация из внешнего RC-фильтра с малым значением постоянной времени и интегрированного фильтра драйвера

Рис. 2. Различные топологии входного фильтра: а) внешний RC-фильтр; б) комбинация из внешнего RC-фильтра с малым значением постоянной времени и интегрированного фильтра драйвера

На графике рисунка 2б показано поведение комбинации из входного RC-фильтра с малым значением постоянной времени и прецизионного фильтра, интегрированного в микросхему драйвера. В данном случае диапазон отклонений tmax – tmin является довольно симметричным относительно целевого значения ttrig. Он также оказывается более узким по сравнению с рассмотренным выше случаем одиночного RC-фильтра. Таким образом, интегрированный фильтр показывает лучшие результаты, если входные сигналы лежат в диапазоне допустимых напряжений.

Отрицательное напряжение затвора

На рисунке 3 представлены значения пороговых напряжений затвора Vgs(th) для выбранных SiC MOSFET-транзисторов. Можно заметить, что технология Infineon CoolSiC™ обеспечивает наибольшее пороговое напряжение. Столь высокое значение позволяет управлять транзисторами CoolSiC™, используя только положительные напряжения. Примеры и условия применения такого режима работы объясняются ниже.

Рис. 3. Диапазон пороговых напряжений SiC MOSFET

Рис. 3. Диапазон пороговых напряжений SiC MOSFET

Для других SiC MOSFET при температуре 25°C минимальное пороговое напряжение Vgs(th) может быть ниже 2 В. Вследствие этого даже незначительная помеха в цепи земли способна привести к неконтролируемому включению транзистора, если в выключенном состоянии на его затворе присутствует напряжение 0 В. Ситуация оказывается еще хуже, если принять во внимание температурный дрейф порогового напряжения. Отрицательное запирающее напряжение затвора может улучшить ситуацию и удержать МОП-транзистор в выключенном состоянии даже в шумной среде. С другой стороны – хорошо известно, что значительные отрицательные напряжения на затворе могут ограничивать время жизни таких транзисторов. Выбор значения отрицательного напряжения затвора зависит от порогового напряжения, а также от требуемого заряда затвора, необходимого для включения SiC МОП-транзисторов.

Таким образом, микросхемы драйверов для SiC MOSFET должны иметь возможность формирования небольших отрицательных напряжений, чтобы обеспечить безопасное и стабильное выключенное состояние транзисторов.

Любой драйвер EiceDRIVER™, находясь в рамках допустимых значений, может использоваться для управления карбид-кремниевыми МОП-транзисторами. Тем не менее, рекомендуется использовать микросхемы драйверов, которые обеспечивают возможность работы с отрицательными напряжениями затвора. В таблице 3 представлены максимальные значения напряжений питания VVCC2 – VVEE2 и VVCC2 – VGND2 для микросхем EiceDRIVER™.

На рисунке 4 показаны примеры схем управления затвором, использующие отрицательные напряжения. Если речь идет о драйверах EiceDRIVER™ без выделенных выводов для формирования отрицательного напряжения, например, 1EDI05I12AF, 1EDI20N60AF, 1EDI60I12AH или 1EDI20H12AH, то применяется схема, изображенная на рисунке 4а. Схема на рисунке 4б подойдет для драйверов с выделенным выводом для формирования отрицательного напряжения, например, 1ED020I12-F2.

Рис. 4. Примеры схем, формирующих отрицательные напряжения на затворе: а) схема включения драйвера EiceDRIVER ™ с виртуальной опорной точкой; б) схема включения драйвера EiceDRIVER™ со встроенной возможностью формирования отрицательного напряжения

Рис. 4. Примеры схем, формирующих отрицательные напряжения на затворе: а) схема включения драйвера EiceDRIVER ™ с виртуальной опорной точкой; б) схема включения драйвера EiceDRIVER™ со встроенной возможностью формирования отрицательного напряжения

Формирование положительных затворных напряжений можно без проблем осуществить с помощью изолированного импульсного источника питания или посредством бутстрепной схемы. Однако для формирования отрицательных напряжений затвора обычно требуется именно импульсный источник питания. Принцип работы подобных ИП рассматривается в руководствах [1] и [2]. К сожалению, представленные в этих руководствах схемы предназначены для управления затворами IGBT-транзисторов, и не могут использоваться непосредственно для карбид-кремниевых МОП-транзисторов. Не стоит забывать и о значительных токах смещения, которые протекают через паразитные емкости таких источников питания. Эти токи способны отрицательно влиять на характеристики системы.

Широкий диапазон напряжений затвора

Положительное напряжение «затвор-исток» определяет сопротивление открытого канала RDS(on) карбид-кремниевых МОП-транзисторов. Транзисторы Infineon CoolSiC™ достигают номинального сопротивления RDS(on) при напряжении затвора 15 В (рисунок 5). Это является их большим преимуществом, поскольку такой показатель соответствует напряжению затвора IGBT и кремниевых МОП-транзисторов.

Рис. 5. Диапазоны затворных напряжений SiC MOSFET: темным цветом выделены допустимые значения, светлым показаны рекомендуемые значения

Рис. 5. Диапазоны затворных напряжений SiC MOSFET: темным цветом выделены допустимые значения, светлым показаны рекомендуемые значения

Другие рассмотренные SiC MOSFET требуют относительно высокого напряжения затвора по сравнению с IGBT или обычными кремниевыми МОП-транзисторами. Разумеется, их работа возможна и с более низкими напряжениями затвора, но это приводит к увеличению сопротивления открытого канала, а следовательно – и к более высоким потерям. На рисунке 5 темно-красным цветом показаны допустимые отрицательные затворные напряжения, темно-синим – выделены допустимые положительные напряжения. Светло-синим и светло-красным обозначены рекомендуемые уровни рабочих затворных напряжений в соответствии с документацией. Для обеспечения оптимальной работы транзисторов микросхема драйвера должна формировать управляющие напряжения во всем диапазоне положительных и отрицательных напряжений.

Как видно из рисунка 5, MOSFET 1 требует самого широкого диапазона управляющих напряжений – 25 В. Для других МОП-транзисторов, в том числе и MOSFET 4, также необходим диапазон свыше 20 В. В то же время силовые SiC-транзисторы CoolSiC™ способны работать с более узким диапазоном Vpos – Vneg = 20 В. Таким образом, для управления CoolSiC™ может быть использован любой драйвер EiceDRIVER™ с максимальным рабочим напряжением всего 20 В. Однако возникающие помехи могут кратковременно превышать это допустимое значение. Поэтому для надежного управления затворами карбид-кремниевых МОП-транзисторов рекомендуется выбирать микросхемы EiceDRIVER™ с рейтингом напряжения VVCC2 – VVEE2 или VVCC2 – VGND2 не менее 25 В. Исключения из этого правила описаны ниже. В таблице 3 показаны характеристики рассматриваемых драйверов.

Таблица 3. Параметры выходных напряжений рассматриваемых драйверов EiceDRIVER™

Наименование Диапазон напряжений питания
$$\frac{V_{VCC2}-V_{VEE2}}{V_{VCC2}-V_{GND2}},\:В$$
Минимально допустимое отрицательное напряжение затвора, В
(«x» = корпусное исполнение «F» или «H»)
1EDI05I12Ax, 1EDI20I12Ax, 1EDI40I12Ax, 1EDI60I12Ax 40 VVCC2…40
1EDI20N12AF, 1EDI60N12AF 40 VVCC2…40
1EDI60H12AH 40 VVCC2…40
1EDI10I12Mx, 1EDI20I12Mx 20 VVCC2…20
1ED020I12-F2, 1ED020I12-B2, 2ED020I12-F2 28 -12
1EDI20I12SV, 1EDS20I12SV (с учетом скорости нарастания) 28 -12

Повышенная устойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI)

Чрезвычайно быстрый процесс коммутации напряжений амплитудой более 900 В требует от драйвера повышенной устойчивости к синфазным переходным процессам (CMTI). Времена фронта и среза при переключениях SiC MOSFET очень малы. В настоящее время драйверы EiceDRIVER™ имеют максимальный рейтинг 100 В/нс. Действующий стандарт VDE0884-10 для магнитных и емкостных изоляторов определяет процедуру испытаний на устойчивость к CMTI при нарастающем и спадающем фронтах приложенного напряжения. Это позволяет сравнивать различные драйверы по уровню устойчивости к CMTI.

Номенклатуру драйверов EiceDRIVER™ можно разделить на две группы микросхем. Первая группа имеет устойчивость CMTI 50 В/нс, к ней относятся:

Вторая характеризуется повышенной устойчивостью к синфазным переходным процессам до 100 В/нс:

Функция защиты от короткого замыкания DESAT

Карбид-кремниевые МОП-транзисторы не имеют ярко выраженного насыщения. Для них ток короткого замыкания, который намного выше по сравнению с IGBT, может превысить номинальный ток в 15 раз. Из-за этого SiC МОП-транзисторы способны выдерживать КЗ в течение относительно короткого времени – единиц мкс. Быстрое обнаружение КЗ и отключение SiC-транзистора является обязательным условием его надежной работы и гарантией длительного срока службы. Использование функции «fast DESAT» и двухшагового выключения становится действенным способом борьбы с перегрузками по току.

Для IGBT-транзисторов схема защиты от короткого замыкания DESAT хорошо известна. При определенных условиях ее также можно использовать для работы с карбид-кремниевыми MOSFET. Она использует мониторинг напряжения «сток-исток». Из-за наличия паразитных эффектов силовых диодов и самого IGBT, а также из-за перекрестных помех во время коммутации тока время обнаружения КЗ находится в диапазоне нескольких мкс, обычно до 7…8. По обозначенной выше причине столь долгий интервал неприемлем для SiC MOSFET. Правильная трассировка печатной платы крайне важна для обнаружения короткого замыкания и предотвращения ложных срабатываний функции DESAT, возникающих из-за перекоса земли или перекрестных помех. Для получения информации по компонентам RDESAT, CDESAT, DDESAT для конкретного типа драйвера следует обращаться к документации.

Еще раз стоит отметить, что оптимальный способ защиты от негативных эффектов заключается в грамотной расстановке компонентов и правильной трассировке печатной платы. В частности, необходимо обеспечивать минимальную длину токовых контуров: контура входного конденсатора питания микросхемы, контура выходного конденсатора DC/DC-преобразователя, контура цепи управления затвором, силового контура полумоста. Перечисленные контуры выделены цветом на рисунке 6. При выполнении этих условий удается избежать значительных паразитных индуктивностей, которые могут привести к дополнительным нежелательным помехам.

Рис. 6. Пример удачной расстановки компонентов для обеспечения правильной работы функции DESAT

Рис. 6. Пример удачной расстановки компонентов для обеспечения правильной работы функции DESAT

Чтобы избежать возникновения паразитной емкостной связи, потребуется особая осторожность. Скорость переключения у SiC МОП-транзисторов оказывается намного выше, чем у IGBT-транзисторов. Поэтому рекомендуется, чтобы под цепью затвора не было плоскостей, подключенных к GND1, GND2 или VDC. Это позволит избежать ненужной емкостной связи с высоким dV/dt. Однако стоит обратить внимание, что отсутствие сплошных медных полигонов ухудшает качество теплоотвода драйвера.

При размещении диода DDESAT и резистора RDESAT, а также при трассировке цепи DESAT следует избегать индуктивной и емкостной связей, чтобы минимизировать уровень шумов.

Функцией DESAT обладает целый ряд драйверов из семейства EiceDRIVER™:

Функция активного подавления эффекта Миллера

Функция активного подавления эффекта Миллера позволяет избежать паразитного включения транзистора при значительных dVds/dt. Для этого используется вывод CLAMP, который напрямую подключается к затвору силового транзистора, как показано на рисунке 7. В момент отключения транзистора вывод CLAMP подтягивает затвор к земле. Контроль выключенного состояния проводится за счет мониторинга мгновенного напряжения затвора с помощью того же вывода. Функция подавления эффекта Миллера активируется, как только напряжение на затворе падает ниже заданного порога, который обычно равен VCLAMP = 2,0 В.

Рис. 7. Пример реализации функции активного подавления эффекта Миллера

Рис. 7. Пример реализации функции активного подавления эффекта Миллера

Пороговое напряжение компаратора VCLAMP отсчитывается от самого малого доступного потенциала внутри микросхемы драйвера, а именно, от потенциала на выводе VEE2 – для семейства 1ED-F2 и от потенциала на выводе GND2 – для семейства 1EDI.

Стоит отметить, что некоторые модели семейства 1EDI, имея активную функцию подавления эффекта Миллера, способны формировать только положительные выходные напряжения затвора. Тем не менее, в некоторых случаях это не имеет большого значения. Подробнее об этом говорится далее.

К изолированным драйверам EiceDRIVER™ с активной функцией подавления эффекта Миллера и положительными выходными напряжениями относятся:

К изолированным драйверам EiceDRIVER™ с активной функцией подавления эффекта Миллера и функцией контроля выхода из насыщения DESAT относятся:

Рассеиваемая мощность

Расчет мощности, рассеиваемой интегральным драйвером, является гарантией стабильной работы силовой схемы. В этом разделе описывается порядок вычислений мощности потерь драйверов управления затвором.

Основной вклад в объем рассеиваемой мощности вносят:

  • ток потребления первичной стороны;
  • ток смещения первичной стороны;
  • ток потребления вторичной стороны;
  • потери выходной схемы управления затвором.

Расчет отдельных составляющих:

  1. Измерьте рабочий ток Iq,in при максимальной рабочей частоте коммутаций. Силовые транзисторы не должны быть подключены. Расчет соответствующей составляющей потерь мощности производится по формуле 1:
$$P_{d,VCC1}=I_{q,in}\times V_{VCC1,max}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
  1. Потребление, определяемое входными токами смещения логических входов, может быть рассчитано по формуле 2:
$$P_{d,bias}=n\times I_{in}\times V_{VCC1,max}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Параметр n представляет собой количество входов микросхемы драйвера. Эта часть рассеиваемой мощности обычно незначительна по сравнению со вкладом токов потребления.

  1. Потребление вторичной стороны зависит от тока потребления Iq,out (формула 3):
$$P_{d,VCC2}=I_{q,out}\times (V_{VCC2,max}-V_{VEE2,max})\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Измерение значения тока Iq,out на вторичной стороне также следует производить при максимальной частоте коммутаций без подключения силовых транзисторов.

  1. Рассчитайте потери мощности схемы управления затвором с учетом полного заряда затвора силового транзистора QG,tot, напряжения питания VVCC2 — VVEE2, частоты переключений fP и внешнего резистора в цепи затвора RG,ext. При этом необходимо разделить расчет на две составляющие, так как для включения и выключения используются разные значения резистора в цепи затвора RGon,ext и RGoff,ext (формулы 4 и 5).
$$P_{d,on}=\frac{1}{2}\times Q_{G,tot}\times (V_{VCC2}-V_{VEE2})\times f_{P}\times \frac{R_{Gon,IC}}{R_{Gon,ext}+R_{Gon,IC}},\:(за\:одно\:включение)\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
$$P_{d,off}=\frac{1}{2}\times Q_{G,tot}\times (V_{VCC2}-V_{VEE2})\times f_{P,max}\times \frac{R_{Goff,IC}}{R_{Goff,ext}+R_{Goff,IC}},\:(за\:одно\:выключение)\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Обе составляющие Pd,on и Pd,off складываются и добавляются к общей сумме потерь мощности.

  1. Все остальные слагаемые потерь составляют примерно 20% от суммы рассчитанных выше. Общая рассеиваемая мощность при максимальной частоте переключений представляет собой сумму, высчитываемую по формуле 6:
$$P_{d}=1,2\times (P_{d,VCC1}+P_{d,bias}+P_{d,VCC2}+P_{d,on}+P_{d,off})\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$
  1. Обратите внимание, что некоторые драйверы могут иметь дополнительные потери мощности, например, за счет использования функции DESAT или функции активного подавления эффекта Миллера. В формуле 7 эта часть потерь представлена слагаемым Pd_add:
$$P_{d}=1,2\times (P_{d,VCC1}+P_{d,bias}+P_{d,VCC2}+P_{d,on}+P_{d,off}+P_{d,add})\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

В ряде случаев учет этих составляющих может иметь важное значение.

В документации, как правило, предлагается вариант трассировки печатной платы с указанием величины теплового сопротивления Rth(j-a). Нужно четко понимать, что разные варианты проводящего рисунка имеют разные тепловые сопротивления. Поэтому необходимо проверять температуру перегрева драйвера в ходе практических испытаний.

Анализ однотранзисторных топологий и приложений с низким значением dVDS/dt

В этом разделе раскрываются особенности работы драйверов SiC MOSFET в однотранзисторных схемах. Популярными топологиями, использующими один SiC-транзистор, являются, например, схемы повышающих, понижающих и прямоходовых преобразователей. Очевидно, что транзистор, напряжение затвора которого формируется относительно земли, например, в повышающем преобразователе, не обязательно требует изолированного драйвера. Однако при отсутствии гальванической развязки на работу драйвера сильное влияние оказывают помехи, распространяемые по земле. Это может привести к ложным переключениям или к дополнительным коммутационным потерям из-за паразитных индуктивностей. Изолированные драйверы свободны от влияния земляных помех из-за большого диапазона напряжений смещения. Это обеспечивает повышение эффективности, особенно – в однотранзисторных схемах.

Положительное (однополярное) напряжение затвора

В отличие от полумостовых схем в однотранзисторных топологиях невозможно быстрое изменение dVDS/dt из-за открытия противоположного транзистора. По этой причине вероятность паразитного включения SiC MOSFET, вызванное большой скоростью dVDS/dt, является маловероятным и сильно зависит от порогового напряжения VGS,th. Следовательно, для управления карбид-кремниевым МОП-транзистором часто бывает достаточно только положительного напряжения затвора. Как уже говорилось в разделе «Согласование задержек распространения управляющих сигналов», транзисторы MOSFET CoolSiC™ отличаются повышенной устойчивостью к шумам, так как имеют высокое значение порогового напряжения VGS,th. Все это значительно упрощает схемы драйверов, потому что они не требуют изолированного питания.

Однополярные положительные затворные напряжения могут применяться в некоторых приводах двигателей с ограниченной скоростью переключения dVDS/dt. В таких приложениях, учитывая срок службы электродвигателя, величина dVDS/dt часто ограничивается значением 5 В/нс. Стоит еще раз подчеркнуть, что транзисторы Infineon CoolSiC™ отличаются высоким пороговым напряжением VGS,th (рисунок 3), поэтому вероятность ложного включения из-за высоких значений dVDS/dt для них мала даже в полумостовых схемах. Кроме того, приложения, использующие только положительное напряжение затвора, могут использовать функцию подавления эффекта Миллера, о которой подробно рассказывалось в соответствующем разделе и дополнительно говорится ниже.

Функция активного подавления эффекта Миллера

Несмотря на то, что некоторые карбид-кремниевые МОП-транзисторы, например, CoolSiC™, имеют относительно высокое пороговое напряжение затвора dVDS/dt, разработчику может потребоваться дополнительный механизм защиты от ложных включений. Ряд микросхем драйверов EiceDRIVER™ позволяет повысить помехоустойчивость за счет встроенной функции активного подавления эффекта Миллера. В них присутствует вывод CLAMP. Как только напряжение затвора при выключении силового MOSFET будет ниже 2 В, внутри микросхемы активируется дополнительный встроенный транзистор. Он подтягивает затвор транзистора к VVEE2 или к VGND2, в зависимости от модели драйвера.

К изолированным драйверам EiceDRIVER™ с активной функцией подавления эффекта Миллера и положительными выходными напряжениями относятся:

К изолированным драйверам EiceDRIVER™ с активной функцией подавления эффекта Миллера и функцией контроля выхода из насыщения DESAT, относятся:

Литература

  1. Infineon Technologies: EVAL-1ED020I12-BT, Evaluation board description, 2014
  2. Infineon Technologies: 2ED100E12-F2_EVAL, Evaluation board description, 2008

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

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

Товары
Наименование
1EDN7512BXTSA1 (INFIN)
1ED020I12B2XUMA1 (INFIN)
1ED020I12FA2XUMA2 (INFIN)
1ED020I12F2XUMA1 (INFIN)
1EDI20I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDC40I12AHXUMA1 (INFIN)
1EDI30I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDN7512GXTMA1 (INFIN)
1ED020I12-F (INFIN)
1ED020I12BTXUMA1 (INFIN)