№5 / 2019 / статья 8

Infineon решает проблему колебания потенциала земли

Хьюберт Байерл (Infineon Technologies)

При управлении высоковольтным МОП-транзистором в нижнем плече импульсного источника питания драйверы затвора 1EDN7550B и 1EDN8550B производства Infineon обеспечивают устойчивость к смещениям земли в конструкциях с большими однослойными печатными платами или при больших расстояниях между ШИМ-контроллером и драйвером затвора.

Драйверы затвора нижнего плеча часто используются в импульсных источниках питания (SMPS). Они служат для управления силовыми МОП-транзисторами. В частности, в схеме Boost-PFC они управляют высоковольтным МОП-транзистором, установленным в нижнем плече. В высоковольтных каскадах DC/DC, таких как LLC, ZVS и TTF, драйверы управляют силовыми МОП-транзисторами через сигнальный импульсный трансформатор. В схеме синхронного выпрямления со средней точкой драйверы управления напрямую подключаются к низковольтным МОП-транзисторам. Драйверы затвора, такие как 1EDN7550B и 1EDN8550B, обеспечивают достаточную устойчивость к смещениям земли (GND), которые обычно присутствуют в конструкциях с большими однослойными печатными платами, а также в топологиях, где требования к механическим конструкциям предполагают большие расстояния между ШИМ-контроллером и драйвером затвора.

Уровни входного сигнала обычного драйвера затвора нижнего плеча в типичном SMPS (рисунок 1) зависят от его потенциала земли. Ложное срабатывание драйвера затвора может произойти, если его потенциал земли смещается слишком далеко от потенциала земли ШИМ-контроллера. Это может поставить под угрозу производительность SMPS вплоть до уровня, при котором происходит протекание сквозного тока полумоста, а подключенные силовые МОП-транзисторы подвергаются функциональному разрушению из-за электрического перенапряжения.

Рис. 1. Блок-схема типичного SMPS мощностью 800 Вт

Рис. 1. Блок-схема типичного SMPS мощностью 800 Вт

Проблемы жесткого переключения

В топологиях с жестким переключением, например, в ККМ на базе повышающего преобразователя или в двухтранзисторном прямоходовом преобразователе, паразитные индуктивности в выводе истока силового МОП-транзистора и в цепи заземления платы требуют особого внимания. Жесткое переключение идет рука об руку с высоким значениями di/dt, что в свою очередь приводит к возникновению шума на потенциале земли при переключении. Этот шум представляет собой колебание высокого напряжения в диапазоне 50…120 МГц с амплитудой до ±70 В. Он является первопричиной кратковременных сдвигов между потенциалом земли ШИМ-контроллера и потенциалом земли драйвера затвора. Чем выше номинальная мощность SMPS, тем ярче выражен этот эффект. Кроме того, если конструкции печатных плат не оптимизированы из-за ограничений по стоимости и инженерных требований к разработке, ситуация может еще более усугубиться.

Решить данную проблему довольно сложно. В конечном итоге, чем ниже паразитная индуктивность заземления в контуре питания, тем ниже будут индуцированные колебания потенциала заземления и риск ложных срабатываний. Чтобы максимально снизить нежелательный сдвиг потенциала земли, у разработчиков есть несколько вариантов. Можно минимизировать динамический затворный контур в узких пределах на печатной плате и использовать на ней отдельные печатные проводники GND для обеспечения пути протекания тока с наименьшей возможной индуктивностью. Либо же уменьшить влияние жесткого переключения на схему управления затвором при помощи максимально широких проводников на выходе драйвера затвора, используя силовые МОП-транзисторы в бессвинцовом варианте или силовые МОП-транзисторы с выводом Кельвина. Все эти решения работают, но могут усложнить технический дизайн и значительно увеличить стоимость проектирования.

Обычные драйверы затвора нижнего плеча подвержены ложному срабатыванию

В обычном драйвере затвора нижнего плеча интерпретация входных сигналов управления и разрешающих сигналов всегда выполняется посредством сравнения данных сигналов с потенциалом земли драйвера затвора. В примере, показанном на рисунке 2, вход понимается как логически выключенный, если входной сигнал не выше 0,8 В относительно земли. И наоборот, если уровень входного сигнала по крайней мере на 2 В выше потенциала земли, тогда этот вход логически включен.

Рис. 2. Обычная схема драйвера затвора нижнего плеча, входы привязаны к GND драйвера затвора

Рис. 2. Обычная схема драйвера затвора нижнего плеча, входы привязаны к GND драйвера затвора

Чтобы лучше понять проблему, которая возникает, если смещается потенциал GND драйвера затвора, рассмотрим, что входы драйвера затвора обычно подключены к ШИМ-контроллеру. С точки зрения электрической конструкции, ШИМ-контроллер имеет более стабильный потенциал GND, чем у драйвера затвора. В некоторых конструкциях ситуация ухудшается, если контакт GND драйвера затвора находится далеко от контакта земли ШИМ-контроллера. Это может произойти, например, когда ШИМ-контроллер находится на дочерней плате, которая вставлена в основную плату питания.

На рисунке 3a показана схема повышающего преобразователя с коррекцией коэффициента мощности, причем этот преобразователь использует силовой MOSFET с выводом по схеме Кельвина. Изолированный драйвер затвора используется для развязки двух потенциалов земли: земли ШИМ-контроллера и входной стороны драйвера затвора (GND1) от земли выходной стороны драйвера затвора (GND2). Это называется разрезанием контура заземления.

В схемах, показанных на рисунке 3а, вывод Кельвина используется для уменьшения влияния паразитной индуктивности истока силового МОП-транзистора на потенциал земли драйвера затвора. Измерения таких топологий показывают, что колебания между землей ШИМ-контроллера и GND2 драйвера затвора могут по-прежнему достигать ±60 В.

В источниках питания малой мощности максимальная производительность не всегда является главной целью. Во многих случаях решающими факторами оказываются требования к механическим конструкциям, а также стоимость компонентов и печатных плат. Такие ограничения могут привести к созданию источников питания с большими, чем хотелось бы, расстояниями между драйвером затвора и ШИМ-контроллером. Такие ограничения могут вынудить разработчика использовать однослойные печатные платы и исключить использование изолированных интегральных схем (ИС) драйвера затвора. При этих обстоятельствах наиболее частой проблемой оказывается высокая паразитная индуктивность заземления (рисунок 3б). В подобных применениях переключение силового МОП-транзистора может легко привести к динамическому сдвигу земли между ШИМ-контроллером и драйвером затвора, достигающим ±20 В.

Рис. 3. МОП-транзистор с выводом Кельвина, приводимый в действие изолированной ИС драйвера затвора для отключения контура заземления (а) и пример паразитной индуктивности заземления (б)

Рис. 3. МОП-транзистор с выводом Кельвина, приводимый в действие изолированной ИС драйвера затвора для отключения контура заземления (а) и пример паразитной индуктивности заземления (б)

Драйвер затвора нижнего ключа с истинно дифференциальными входами решает проблемы смещения GND

Если интегральная схема драйвера затвора имеет действительно дифференциальные входы, его управляющие сигналы в значительной степени не зависят от потенциала земли этой интегральной схемы. Только разность напряжений между его входными контактами имеет значение для включения или выключения его выхода. Например, если потенциал Vin+ выше чем потенциал Vin- на 1,8 В, эта ситуация интерпретируется как логическое включение. Если разница меньше 1,5 В, то данная ситуация интерпретируется как логическое выключение (рисунок 4).

Рис. 4. Схема драйвера нижнего плеча с истинно дифференциальными входами; входы не зависят от GND драйвера затвора

Рис. 4. Схема драйвера нижнего плеча с истинно дифференциальными входами; входы не зависят от GND драйвера затвора

1EDN7550B и 1EDN8550B EiceDRIVER ™ производства компании Infineon – это одноканальные интегральные микросхемы драйвера нижнего плеча, которые могут разрешать проблемы статического сдвига GND до ±70 В. Если потенциал смещения земли колеблется в разные моменты времени, что типично для помех, вызванных переключением MOSFET, то эти интегральные схемы драйвера затвора устойчивы к сдвигам до ±150 В пиковых значений. Это можно назвать статической и динамической стойкостью к синфазному режиму управляющих входов драйвера.

Поскольку работа этих драйверов основана на разности напряжений между двумя входами, наиболее важным техническим правилом является размещение двух синфазных резисторов физически максимально близко и симметрично к двум входным выводам микросхем драйвера затвора. Выходные контакты и вывод VDD расположены в соответствии с обычно используемыми одноканальными интегральными схемами драйвера затвора нижнего плеча, поэтому при обновлении существующей схемы с помощью 1EDN7550 или 1EDN8550 должна изменяться только входная часть схемы печатной платы.

Микросхемы 1EDN7550B и 1EDN8550B имеют небольшой шестивыводной корпус SOT-23. Это помогает повысить удельную мощность по сравнению с использованием изолированных интегральных схем драйвера затвора. Второе их преимущество заключается в том, что разработчики могут разместить эти драйверы затвора в наиболее оптимальном месте относительно вывода затвора MOSFET.

Заключение

Микросхемы драйвера затвора нижнего плеча с истинно дифференциальными управляющими входами, такие как 1EDN7550B или 1EDN8550B производства Infineon, могут выдерживать статические сдвиги потенциала GND синфазного режима до ±70 В, а при динамических сдвигах доходить до пиковых значений ±150 В. С микросхемами 1EDN7550B и 1EDN8550B можно применять транзисторы в схеме включения нижнего плеча, имеющие вывод Кельвина (рисунок 5). Речь идет о таких сериях транзисторов как CoolMOS P7, C7 или G7, например, в топологии ККМ на базе повышающего преобразователя на 2,5 кВт. Также нет необходимости разделять контуры заземления изолированной микросхемой драйвера. Микросхемы 1EDN7550B и 1EDN8550B обеспечивают достаточную устойчивость к перепадам напряжения на заземлении, обычно присутствующим в схемах с большими однослойными печатными платами, а также в топологиях, где требования к механическим конструкциям подразумевают большие расстояния между ШИМ-контроллером и драйвером затвора.

Рис. 5. МОП-транзистор с выводом Кельвина, управляемый драйвером затвора с истинно дифференциальными управляющими входами

Рис. 5. МОП-транзистор с выводом Кельвина, управляемый драйвером затвора с истинно дифференциальными управляющими входами

Наши информационные каналы

Рубрики:
Применения:

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