Jak vybrat budiče pro výkonová zařízení a jak s nimi začít

Každé diskrétní spínané výkonové zařízení potřebuje budič, ať už se jedná o diskrétní křemíkový tranzistor řízený elektrickým polem (MOSFET), tranzistor MOSFET z karbidu křemíku (SiC), bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT) nebo modul. Budič je součástkou rozhraní nebo „můstkem“ mezi nízkonapěťovým a nízkoproudovým výstupem systémového procesoru pracujícího v řízeném, vlídném prostředí a drsným světem spínacího zařízení s přísnými požadavky na proud, napětí a časování.

Výběr vhodného budiče pro spínací zařízení je pro konstruktéry náročný vzhledem ke zvláštnostem výkonového zařízení a nevyhnutelným parazitním prvkům v obvodu a uspořádání. Vyžaduje pečlivé zvážení parametrů typu spínače (křemík (Si) nebo karbid křemíku (SiC)) a typu použití. Výrobci výkonových zařízení často navrhují a dokonce nabízejí vhodné budiče, ale některé faktory související s budiči je třeba přizpůsobit specifikům daného použití.

Ačkoli ve většině případů existuje základní logický postup, jak to provést, některá nastavení, jako je hodnota odporu hradla-řídicí jednotky, se určují iterační analýzou a musí se také ověřit praktickým testováním a vyhodnocením. Tyto kroky mohou bez jasného návodu zvyšovat už tak složitý proces a zpomalovat návrh.

Tento článek stručně pojednává o úloze hradlového budiče. Dále poskytuje návod pro výběr budiče a kroky potřebné k zajištění kompatibility s vybraným výkonovým spínacím zařízením. Pro ilustraci klíčových bodů uvádí příklady zařízení s nižším a vyšším výkonem od společnosti Infineon Technologies AG a související vyhodnocovací desky a sady.

Úloha hradlového budiče

Hradlový budič je zjednodušeně řečeno výkonový zesilovač, který přijímá nízkoúrovňový vstup s nízkým příkonem z řídicího obvodu (obvykle procesoru) a vytváří odpovídající vysokoproudé hradlo s potřebným napětím pro zapnutí a vypnutí výkonového zařízení. Za touto jednoduchou definicí se skrývá složitý svět napětí, proudu, rychlosti přeběhu, parazitních prvků, přechodových jevů a ochrany a dalších vlivů. Budič musí odpovídat potřebám systému a bryskně ovládat výkonový spínač, aniž by docházelo k překročení napětí nebo zvonění, i když parazitní a přechodové jevy jsou s rostoucí rychlostí spínání stále náročnější.

Budiče lze použít v různých konfiguracích. Mezi nejběžnější patří jednoduchý low-side budič, jednoduchý high-side budič a dvojitý high-side/low-side budič.

V prvním případě je výkonové zařízení (spínač) připojeno mezi zátěž a zem, kdežto zátěž je mezi napájecí lištou a spínačem (obrázek 1). (Všimněte si, že zem by se měla správněji nazývat „společný bod“, protože neexistuje žádná skutečná zem, ale je to společný bod obvodu, který určuje bod s napětím 0 V).

Obrázek 1: V low-side konfiguraci jsou budič a spínač umístěny mezi zátěží a zemí / společným bodem obvodu. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

V doplňkovém high-side uspořádání je spínač přímo připojen k napájecí liště, zatímco zátěž je mezi spínačem a zemí / společným bodem (obrázek 2).

Obrázek 2: V high-side konfiguraci je umístění spínače vůči zátěži a napájecí liště převrácené. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Další hojně používanou topologií je párování high-side/low-side, které se používá k řízení dvou spínačů zapojených v můstkovém uspořádání (obrázek 3).

Obrázek 3: V kombinovaném párování high-side/low-side jsou střídavě řízeny dva spínače s mezilehlou zátěží. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

A co izolace?

High-side/low-side uspořádání vyžaduje přidání dvou funkcí obvodu, jak je znázorněno na obrázku 4:

Obrázek 4: High-side/low-side uspořádání také vyžaduje plovoucí napájecí zdroj pro „high side“ a posouvač úrovní pro řídicí signál. (Zdroj obrázku: Talema Group)

Horní (vysoká strana, high side) budič a spínací zařízení jsou „plovoucí“ bez zemní reference, což vede k dalšímu požadavku v mnoha uspořádáních hradlového budiče / výkonového spínače: nutnost galvanické (ohmické) izolace mezi funkcí budiče a řízeným spínačem.

Izolace znamená, že mezi oběma stranami izolační bariéry není žádná elektrická cesta pro tok proudu, ale informace o signálu přes ni přesto musí procházet. Této izolace lze dosáhnout pomocí optočlenů, transformátorů nebo kondenzátorů.

Elektrická izolace mezi různými funkčními obvody v systému zabraňuje přímé vodivé cestě mezi nimi, což umožňuje, aby jednotlivé obvody měly různé zemní potenciály. Zábrana musí odolat plnému napětí na liště (plus bezpečnostní rezerva), které se může pohybovat od desítek do tisíců voltů. Většina izolátorů díky své konstrukci snadno splňuje požadavky na napětí přesahující několik tisíc voltů.

Zatímco high-side hradlové budiče mohou vyžadovat izolaci pro zajištění správné činnosti v závislosti na konkrétní topologii, budicí obvody pro výkonové měniče a konvertory často vyžadují elektrickou izolaci z bezpečnostních důvodů, které nesouvisí s jejich „zemním“ stavem. Izolace je předepsána regulačními a bezpečnostními certifikačními orgány, aby se zabránilo nebezpečí úrazu elektrickým proudem tím, že se zajistí, aby se vysoké napětí doslova nedostalo k uživateli. Také chrání nízkonapěťovou elektroniku před případným poškozením v důsledku poruch na vysokonapěťovém obvodu a lidské chyby na straně řízení.

Mnoho konfigurací výkonových zařízení vyžaduje izolovaný budicí obvod. Například v topologiích výkonových měničů, jako je polomůstkový, plnomůstkový, jednočinný blokující, dvoučinný propustný a propustný s dvěma spínači, jsou vysoké a nízké spínače, protože low-side budiče nelze použít k přímému řízení horního výkonového zařízení.

Horní výkonová zařízení vyžadují izolovaný hradlový budič a „plovoucí“ signály, protože nemají spojení se zemním potenciálem; kdyby tomu tak bylo, zkratovaly by svůj komplementární budič a výkonový spínač. V důsledku tohoto požadavku a díky technologickému pokroku jsou k dispozici hradlové budiče, které rovněž obsahují izolaci, čímž odpadá potřeba samostatných oddělovacích zařízení. To zase zjednodušuje vysokonapěťové uspořádání a zároveň usnadňuje splnění regulačních požadavků.

Jemné doladění vztahu mezi budičem a spínacím zařízením

Integrované obvody hradlových budičů musí podporovat vysoké spínací rychlosti SiC MOSFETů, které mohou dosahovat rychlosti přeběhu 50 kilovoltů za mikrosekundu (kV/µs) nebo více a mohou spínat frekvencí vyšší než 100 kilohertzů (kHz). Křemíková zařízení jsou řízena typickým napětím 12 voltů pro zapnutí a 0 voltů pro vypnutí.

Na rozdíl od křemíkových zařízení potřebují tranzistory MOSFET z karbidu křemíku obvykle +15 až +20 voltů k zapnutí a -5 až 0 voltů k vypnutí. Mohou tedy potřebovat budicí integrovaný obvod se dvěma vstupy, jedním pro zapínací napětí a jedním pro vypínací napětí. SiC MOSFETy vykazují nízký zapínací odpor pouze tehdy, jsou-li řízeny doporučeným napětím 18 až 20 voltů mezi hradlem a zdrojem (V_gs), což je výrazně vyšší hodnota než 10 až 15 voltů V_gs potřebných k řízení Si MOSFETů nebo IGBT.

Další rozdíl mezi Si a SiC spočívá v tom, že komutační náboj (Q_rr) vlastní „volnoběžné“ diody SiC zařízení je poměrně nízký. K rychlému dodání plného požadovaného náboje hradla (Q_g) vyžaduje vysokoproudé buzení.

Vytvoření správného vztahu mezi hradlovým budičem a hradlem spínacího zařízení je rozhodující. Jedním ze zásadních kroků je určení optimální hodnoty vnějšího hradlového rezistoru označovaného jako R_G,ext mezi budičem a spínacím zařízením (obrázek 5). Ve výkonovém zařízení také existuje vnitřní odpor hradla označovaný jako R_G,int, který je v sérii s externím rezistorem, ale uživatel nemá nad touto hodnotou kontrolu, i když je stále důležitá.

Obrázek 5: Pro optimalizaci výkonu páru je nezbytné určit správnou hodnotu pro externí hradlový rezistor mezi budičem a výkonovým zařízením. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Stanovení hodnoty tohoto rezistoru je proces o čtyřech krocích, který obvykle zahrnuje iteraci, protože některé aspekty výkonu páru je třeba po analýze a modelování vyhodnotit „na zkušebním stole“. Obecný postup ve stručnosti je:

1. krok : Určete špičkový proud (I_g) na základě hodnot v datovém listu a vyberte vhodný hradlový budič.

2. krok : Vypočítejte hodnotu externího hradlového rezistoru (R_G,ext) na základě kolísání napětí hradla v aplikaci.

3. krok : Vypočítejte očekávaný ztrátový výkon (P_D) integrovaného obvodu hradlového budiče a externího hradlového rezistoru.

4. krok : Ověřte výpočty na zkušebním stole, abyste určili, zda je budič dostatečně výkonný pro řízení tranzistoru a zda je ztrátový výkon v povolených mezích:

1. Ověřte, zda nedochází k parazitnímu zapínání vyvolanému přechodnými jevy dv/dt za nejhorších podmínek.
2. Změřte teplotu integrovaného obvodu hradlového budiče v ustáleném stavu.
3. Vypočítejte špičkový výkon rezistoru a porovnejte jej s jeho jmenovitým výkonem pro jeden impulz.

Tato měření potvrdí, zda předpoklady a výpočty vedou k bezpečnému chování SiC tranzistoru MOSFET při spínání (žádné oscilace, správné časování). Pokud tomu tak není, musí konstruktér zopakovat 1. až 4. krok s upravenou hodnotou externího hradlového rezistoru.

Stejně jako u téměř všech technických rozhodnutí je nutné při výběru hodnoty součástky přistoupit ke kompromisům mezi různými výkonnostními faktory. Pokud například dochází k oscilacím, může je odstranit změna hodnoty hradlového odporu. Zvýšením jeho hodnoty se sníží rychlost přeběhu dv/dt, protože se zpomalí rychlost tranzistoru. Nižší hodnota odporu povede k rychlejšímu spínání SiC zařízení, což povede k vyšším přechodovým jevům dv/dt.

Širší dopad zvýšení nebo snížení hodnoty externího hradlového odporu na kritické aspekty výkonu hradlového budiče je znázorněn na obrázku 6.

Obrázek 6: Zvýšení nebo snížení hodnoty externího hradlového odporu má dopad na mnoho výkonnostních atributů, takže konstruktéři musí posoudit kompromisy. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Kompromisy nejsou nutné

Kompromisy jsou sice součástí návrhu systému, ale správné komponenty mohou tyto kompromisy výrazně omezit. Například integrované obvody hradlových budičů EiceDRIVER společnosti Infineon poskytují vysokou energetickou účinnost, odolnost proti šumu a robustnost. Dále se snadno používají díky funkcím, jako je rychlá ochrana proti zkratu, detekce a ochrana proti poruše desaturace (DESAT), aktivní Millerova svorka, řízení rychlosti otáčení, ochrana proti průrazu, ochrana proti poruše, vypnutí a nadproudu a možnost digitální konfigurace pomocí I²C.

Budiče jsou vhodné pro křemíková i širokopásmová výkonová zařízení. Možnosti zahrnují varianty od neizolovaných low-side budičů s nižším výkonem a napětím až po izolovaná kV/kW zařízení. K dispozici jsou také dvoukanálové a vícekanálové budiče, které jsou dobrou volbou pro některé situace.

25voltový low-side budič hradla

Z řady zařízení vybíráme 1ED44176N01FXUMA1, což je 25voltový low-side hradlový budič v pouzdře DS-O8 (obrázek 7). Tento nízkonapěťový výkonový budič MOSFET a IGBT s neinvertujícím hradlem je vybaven vlastními technologiemi CMOS odolnými proti latch-up efektu, které umožňují jeho robustní monolitickou konstrukci. Logický vstup je kompatibilní se standardními 3,3, 5 a 15voltovými výstupy CMOS nebo LSTTL a obsahuje vstupy Schmittova klopného obvodu, které minimalizují falešné přepínání signálu, zatímco výstupní budič je vybaven proudovým vyrovnávacím stupněm. Může řídit zařízení 50 A/650 V při frekvenci až 50 kHz a je určen pro domácí spotřebiče a infrastrukturu napájené ze střídavé sítě, jako jsou tepelná čerpadla.

Obrázek 7: 1ED44176N01FXUMA1 je miniaturní hradlový budič v pouzdře DS-08 pro aplikace s nižším napětím/výkonem, který obsahuje patentované technologie CMOS imunní vůči latch-up efektu. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Mezi klíčové specifikace budiče 1ED44176N01FXUMA1 patří typický výstupní zkratový pulzní proud (pulz < 10 µs) 0,8 A při napětí 0 V, zatímco výstupní zkratový pulzní proud je 1,75 A při napětí 15 V. Kritické dynamické specifikace zahrnují dobu zapnutí a vypnutí 50 ns (typicky) / 95 ns (maximálně), zatímco doba náběhu při zapnutí je 50/80 ns (typicky/maximálně) a doba poklesu při vypnutí je 25/35 ns (typicky/maximálně).

Připojení budiče 1ED44176N01F je poměrně jednoduché, s vývodem pro snímání nadproudové ochrany (OCP) a výstupem stavu FAULT (obrázek 8). K dispozici je také vyhrazený pin pro naprogramování doby odstranění poruchy. Pro zajištění normálního provozu je třeba pin EN/FLT vytáhnout nahoru, zatímco jeho stažení dolů budič deaktivuje. Vnitřní obvody na pinu V_CC zajišťují ochranu proti podpětí, která udržuje výstup nízký, dokud se napájecí napětí V_CC nevrátí do požadovaného provozního rozsahu. Oddělené logické a napájecí uzemnění zvyšuje odolnost proti šumu.

Obrázek 8: Hradlový budič 1ED44176N01F s pouhými osmi piny lze poměrně snadno připojit k procesoru a výkonovému zařízení. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Ačkoli je připojení tohoto hradlového budiče a přidruženého napájecího zařízení poměrně snadné, uživatelé mohou využít vyhodnocovací desku EVAL1ED44176N01FTOBO1 (obrázek 9). Pomocí této desky mohou konstruktéři vybrat a vyhodnotit bočníkový rezistor pro snímání proudu (R_CS), rezistorový a kondenzátorový (RC) filtr pro ochranu proti OCP a zkratu a kondenzátor pro odstranění poruchy.

Obrázek 9: Vyhodnocovací deska EVAL1ED44176N01FTOBO1 umožňuje konstruktérům nastavit a měřit klíčové provozní body hradlového budiče s přidruženým spínacím zařízením. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Vysokonapěťový hradlový budič SiC MOSFET

Na mnohem vyšší napěťové úrovni než hradlový budič pro domácí spotřebiče a jeho výkonová zařízení je izolovaný jednokanálový 12A SiC MOSFET hradlový budič 1EDI3031ASXUMA1, který je dimenzován na 5 700 V_RMS (obrázek 10). Tento budič je vysokonapěťové zařízení určené pro pohony automobilových motorů s výkonem nad 5 kW, které podporuje SiC MOSFET 400, 600 a 1 200 V.

Obrázek 10: EDI3031AS je izolované, jednokanálové 12A SiC hradlo MOSFET určené pro pohony automobilových motorovů s výkonem nad 5 kW. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Zařízení k realizaci galvanického oddělení využívá technologii bezjádrového transformátoru (CT) společnosti Infineon (obrázek 11).

Obrázek 11: Proprietární bezjádrový transformátor se používá k zajištění galvanického oddělení, viz ilustrace vlevo a skutečné provedení vpravo. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Tato technologie má několik funkcí. Umožňuje velké napěťové výkyvy ±2 300 V a více, nabízí odolnost proti záporným a kladným přechodovým jevům a vyznačuje se nízkými ztrátami výkonu. Kromě toho má mimořádně robustní přenos signálu, který je nezávislý na souhlasném rušení a podporuje odolnost vůči soufázovým rušivým vlivům (CMTI) až do 300 V/ns. Také jeho těsné přizpůsobení zpoždění signálu poskytuje toleranci a robustnost bez výkyvů způsobených stárnutím, proudem a teplotou.

Budič 1EDI3031ASXUMA1 podporuje SiC tranzistory MOSFET do 1 200 V, má výstup rail-to-rail se špičkovým proudem 12 A a typické zpoždění signálu 60 ns. Má CMTI až 150 V/ns při napětí 1 000 V a jeho 10A integrovaná aktivní Millerova svorka podporuje unipolární spínání.

Tento konkrétní budič se zaměřuje na trakční měniče pro elektrická vozidla (EV), hybridní EV (HEV) a pomocné měniče pro obě vozidla. Z tohoto důvodu je v něm integrováno několik bezpečnostních prvků, které podporují hodnocení třídy ASIL B(D) a také validaci výrobku podle normy AEC-Q100. Mezi tyto funkce patří redundantní DESAT a OCP; monitorování hradel a výstupní fáze; ochrana proti průrazu; monitorování primárního a sekundárního napájení a vnitřní dohled. Základní izolace 8 kV splňuje požadavky normy VDE V 0884-11:2017-01 a je uznána podle normy UL 1577.

Vzhledem k úrovni výkonu a ke splnění požadavků automobilového průmyslu je budič 1EDI3031ASXUMA1 mnohem více než výkonné, ale „hloupé“ zařízení. Kromě všech svých bezpečnostních funkcí implementuje stavový diagram, který zajišťuje správnou funkčnost (obrázek 12). Jeho „rušivé“ diagnostické funkce umožňují přechod do „bezpečného stavu“ v případě selhání systému.

Obrázek 12: Propracovanost a autokontrola integrity hradlového budiče 1EDI3031ASXUMA1 jsou jasně patrné ze stavového diagramu jeho provozních režimů. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Konstruktéři pracující s budičem 1EDI3031ASXUMA1 mohou rychle začít s vyhodnocovací deskou 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 pro řadu budičů EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER (obrázek 13).

Obrázek 13: Vyhodnocovací deska 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 pro rodinu hradlových budičů EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER umožňuje návrhářům posoudit tento vysoce výkonný budič s přidruženým výkonovým zařízením. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Tato univerzální vyhodnocovací platforma je vybavena polomůstkovou konfigurací, jak je znázorněno na obrázku 14. Umožňuje montáž IGBT modulu HybridPACK DSC nebo diskrétního výkonového zařízení PG-TO247-3.

Obrázek 14: Vyhodnocovací deska 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 implementuje izolované polomůstkové uspořádání a lze ji použít s moduly nebo samostatnými zařízeními. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies AG)

Podrobný technický list k této vyhodnocovací desce obsahuje mimo jiné schéma, kusovník, podrobnosti o způsobu a místech připojení různých konektorů, podrobnosti o konfiguraci, provozní sekvence a výkresy indikátorů LED.

Závěr

Hradlové budiče jsou kritickým rozhraním mezi nízkoúrovňovým digitálním výstupem procesoru s nízkým výkonem a vysokoúrovňovými požadavky na vysoký výkon a proud hradla výkonového zařízení, jako je například Si nebo SiC tranzistor MOSFET. Správné přizpůsobení budiče vlastnostem a požadavkům výkonového zařízení je rozhodující pro efektivní a spolehlivý spínací obvod pro výkonové systémy, jako jsou měniče, pohony motorů a regulátory osvětlení. Jak je ukázáno, široká a hluboká řada ovladačů, založená na mnoha pokročilých a patentovaných technologiích a podporovaná hodnotícími deskami a sadami, pomáhá návrhářům zajistit optimální shodu. Jak je vidět, široká a hluboká nabídka ovladačů, založená na mnoha pokročilých a patentovaných technologiích a podporovaná vyhodnocovacími deskami a sadami, pomáhá konstruktérům zajistit optimální shodu.

Související obsah

1. Výběr hradlového budiče pro tranzistor MOSFET z karbidu křemíku v několika krocích
2. Každý přepínač potřebuje budič
3. Průvodce výběrem integrovaných obvodů hradlového budiče Infineon EiceDRIVER™ 2022
4. Integrované obvody hradlového budiče: Integrované obvody hradlového budiče EiceDRIVER™ pro tranzistory MOSFET, IGBT, SiC MOSFET a GaN HEMT
5. Nízkoproudový budič AN2018-03 s nadproudovou ochranou a budičem signálů fault/enable 1ED44176N01F – technický popis