Maximalizace účinnosti řízení napájecího zařízení pomocí správného převodníku napájení hradlového budiče

Pro efektivní návrhy napájecích systémů od napájecích zdrojů a motorových pohonů až po nabíjecí stanice a nesčetné další aplikace jsou klíčové spínané výkonové polovodiče, jako jsou tranzistory MOSFET s křemíkem (Si), karbidem křemíku (SiC) a nitridem galia (GaN) stejně jako bipolární tranzistory s izolovaným hradlem („insulated-gate bipolar transistors“, IGBT). K dosažení maximálního výkonu z napájecího zařízení je však zapotřebí vhodný hradlový budič.

Jak již název napovídá, má tato součástka za úkol řídit hradlo napájecího zařízení, a tak jej rychle a rázně uvést do režimu vedení nebo jej ukončit. To vyžaduje, aby měl budič schopnost dodávat/zeslabovat dostatečný proud navzdory vnitřnímu zařízení a rozptylové (parazitní) kapacitě, indukčnosti a dalším problémům na zátěži (hradlu). V důsledku toho je poskytnutí správně dimenzovaného hradlového budiče s vhodnými klíčovými atributy rozhodující pro realizaci plného potenciálu a účinnosti napájecího zařízení. K vytěžení maxima z hradlového budiče musí konstruktér věnovat zvláštní pozornost stejnosměrnému napájecímu zdroji budiče, který je nezávislý na rozvodu stejnosměrného napájení napájecího zařízení. Tento zdroj je podobný běžnému zdroji, ale s některými důležitými rozdíly. Může se jednat o unipolární napájení, ale v mnoha případech jde o nesymetrické bipolární napájení spolu s dalšími funkčními a strukturálními rozdíly. Konstruktéři musí také věnovat pozornost tvarovému faktoru ve vztahu k půdorysu desky a požadavkům na nízký profil a kompatibilitě se zamýšlenými montážními a výrobními procesy návrhu.

Tento článek je zaměřen na napájecí zdroje pro hradlové budiče využívající DC/DC zdroje pro povrchovou montáž („surface mount device“, SMD) s uvedením 2wattových DC/DC převodníků hradlových budičů řady MGJ2 od společnosti Murata Power Solutions jako příklad.

Začněte se spínacími zařízeními

Porozumění roli a požadovaným vlastnostem DC/DC převodníku hradlového budiče začíná u spínacích zařízení. Pro tranzistor MOSFET jako spínací zařízení se cesta zdroje-hradla používá k ovládání stavu vypnutí nebo zapnutí zařízení (u tranzistorů IGBT je to podobné). Když je napětí zdroje-hradla („gate-source“) nižší než prahové napětí (V_GS < V_TH), tranzistor MOSFET je ve své oblasti odpojení, neprotéká žádný odtokový proud, I_D = 0 A, a tranzistor MOSFET se jeví jako „rozpojený spínač“ (obrázek 1).

Obrázek 1: V režimu odpojení vypadá cesta zdroje-odtoku („drain-source“) tranzistoru MOSFET jako rozpojený spínač. (Zdroj obrázku: web Quora)

Když je naopak napětí zdroje-hradla („gate-source“) mnohem větší než prahové napětí (V_GS > V_TH), tranzistor MOSFET je ve své oblasti saturace, protéká maximální odtokový proud (I_D = V_DD/R_L) a tranzistor MOSFET se jeví jako „sepnutý spínač“ s nízkým odporem (obrázek 2). Pro ideální tranzistor MOSFET by bylo napětí zdroje-odtoku nulové (V_DS = 0 V), ale v praxi je V_DS obvykle kolem 0,2 V kvůli vnitřnímu odporu při zapnutí R_DS(on), který je obvykle nižší než 0,1 Ω a může být nízký i jen několik desítek miliohmů.

Obrázek 2: V režimu saturace vypadá cesta zdroje-odtoku („drain-source“) tranzistoru MOSFET jako spínač s nízkým odporem. (Zdroj obrázku: web Quora)

Zatímco schematické diagramy ukazují, že napětí aplikované na hradlo zapíná a vypíná tranzistor MOSFET, je to jen část příběhu. Toto napětí vhání proud do tranzistoru MOSFET, dokud v něm není dostatek akumulovaného náboje k zapnutí. V závislosti na velikosti (jmenovitém proudu) a typu spínacího pohonu může být množství proudu potřebné k rychlému přechodu do plně zapnutého stavu jen několik miliampérů i až několik ampérů.

Funkcí hradlového budiče je vhánět rychle a rázně dostatečný proud do hradla, aby se tranzistor MOSFET zapnul, a vytáhnout tento proud opačným způsobem, aby se tranzistor MOSFET vypnul. Formálněji řečeno musí být hradlo řízeno z nízkoimpedančního zdroje schopného dodávat a zeslabovat dostatečný proud k zajištění rychlého vkládání a odebírání řídicího náboje.

Pokud by hradlo tranzistoru MOSFET vypadalo jako čistě odporová zátěž, bylo by dodávání a zeslabování tohoto proudu relativně jednoduché. Tranzistor MOSFET má však vnitřní kapacitní a indukční parazitní prvky a jsou zde také parazitní prvky z propojení mezi budičem a napájecím zařízením (obrázek 3).

Obrázek 3: Tento model tranzistoru MOSFET znázorňuje parazitní kapacitu a indukčnost, která ovlivňuje výkon budiče. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Výsledkem je kmitání signálu hradlového budiče kolem prahového napětí, což způsobí, že se zařízení jednou nebo vícekrát na své trajektorii zapne a vypne až do úplného zapnutí nebo vypnutí. Je to do jisté míry analogie „zákmitu spínače“ mechanického spínače (obrázek 4).

Obrázek 4: Kmitání výstupu budiče vlivem parazitních faktorů v zátěži tranzistoru MOSFET může způsobit kmitání a falešné spouštění podobné zákmitu mechanického spínače. (Zdroj obrázku: web Learn About Electronics)

Při běžné aplikaci, jako je rozsvícení nebo zhasnutí světla, mohou být důsledky nepovšimnuté nebo pouze obtěžující, a ve velmi používaných rychle spínaných obvodech s pulsně šířkovou modulací („pulse-width modulation“, PWM) napájecích zdrojů, motorových pohonů a podobných subsystémech může docházet pravděpodobně až k poškození. Ve standardních topologiích polomůstku a plného můstku, kde je zátěž umístěna mezi horní a spodní pár tranzistorů MOSFET, to může způsobovat zkraty a dokonce trvalé poškození, pokud jsou oba tranzistory na stejné straně můstku zapnuty současně, byť jen na okamžik. Tento jev je známý jako „prohoření“ (obrázek 5).

Obrázek 5: Na rozdíl od normálního zapnutí tranzistoru MOSFET Q1 a Q4 (vlevo) nebo Q2 a Q3 (vpravo), dojde mezi napájecím rozvodem a zemí k nepřijatelnému a možná poškozujícímu zkratovému stavu zvanému prohoření, pokud jsou Q1 a Q2 nebo Q3 a Q4 můstku zapnuty současně kvůli problémům s budičem nebo z jiných příčin. (Zdroj obrázku: web Quora)

Podrobnosti hradlového budiče

K přivedení proudu do hradla by mělo být kladné napětí rozvodu dostatečně vysoké, aby byla zajištěna úplná saturace/vylepšení výkonového spínače, ale nesmí dojít k překročení absolutního maximálního napětí pro jeho hradlo. Zatímco tato hodnota napětí je funkcí konkrétního typu a modelu zařízení, tranzistory IGBT a standardní tranzistory MOSFET budou obecně plně zapnuté s 15voltovým budičem, zatímco typické tranzistory MOSFET s karbidem křemíku mohou k plně zapnutému stavu potřebovat napětí blíže k 20 V.

Situace se záporným napětím hradlového budiče je trochu složitější. K vypnutému stavu stačí v zásadě 0 V na hradle. Záporné napětí, typicky mezi −5 a −10 V, nicméně umožňuje rychlé spínání řízené rezistorem hradla. Vhodný záporný budič zajišťuje, že vypínací napětí emitoru-hradla je vždy skutečně nulové nebo nižší.

To je kriticky důležité, protože jakákoli indukčnost emitoru (L) (v bodě „x“ na obrázku 6) mezi spínačem a referenčním budičem způsobí při vypínání spínače opačné napětí emitoru-hradla. I když může být indukčnost malá, i velmi malá indukčnost 5 nH (několik milimetrů kabelového připojení) produkuje při rychlosti přeběhu di/dt 1 000 A/μs napětí 5 V.

Obrázek 6: I malá indukčnost emitoru v bodě „x“ mezi spínačem a referenčním budičem může kvůli aspektům uspořádání při vypínání spínače indukovat opačné napětí emitoru-hradla, což při zapínání/vypínání způsobí „jitter“. (Zdroj obrázku: společnost Murata Power Solutions)

Záporné napětí hradlového budiče pomáhá také překonat efekt Millerovy kapacity C_m kolektoru / odtoku k hradlu, který při vypínání zařízení vhání proud do obvodu hradlového budiče. Když je zařízení vypnuto, napětí hradla-kolektoru se zvýší a proud o hodnotě C_m × dV_ce/dt protéká přes Millerovu kapacitu do hradla do kapacity emitoru/zdroje C_ge a přes rezistor hradla do obvodu budiče. Výsledné napětí V_ge na hradle může stačit k opětovnému zapnutí zařízení, což může způsobit prohoření a poškození (obrázek 7).

Obrázek 7: Použití záporného napětí hradlového budiče může překonat nedostatky, ke kterým dochází v důsledku přítomnosti Millerovy kapacity v tranzistoru MOSFET nebo IGBT. (Zdroj obrázku: společnost Murata Power Solutions)

Avšak negativními hodnotami hradla se tento efekt minimalizuje. Z tohoto důvodu vyžaduje efektivní návrh budiče pro funkci hradlového budiče rozvody kladného i záporného napětí. Avšak na rozdíl od většiny bipolárních DC/DC převodníků, které mají symetrické výstupy (jako je +5 V a −5 V), jsou napájecí rozvody pro hradlový budič obvykle asymetrické s kladným napětím, které je větší než záporné napětí.

Dimenzování jmenovitého výkonu převodníku

Kritickým faktorem je, jaký proud musí převodník hradlového budiče poskytnout, a tím i jeho jmenovitý výkon. Základní výpočet je poměrně jednoduchý. V každém spínacím cyklu musí být hradlo nabito a vybito přes rezistor hradla R_g. Katalogový list zařízení poskytuje křivku pro hodnotu Q_g náboje hradla, kde Q_g je velikost náboje, kterou je třeba dodat do elektrody hradla, aby se zapnula (poháněla) tranzistor MOSFET při specifických napětích hradla. Výkon, který musí DC/DC převodník poskytnout, je odvozen podle vzorce:

Kde Q_g je náboj hradla pro zvolený výkyv napětí hradla (kladný až záporný) o hodnotě V_s a na frekvenci F. Tento výkon je rozptýlen ve vnitřním odporu hradla (R_int) zařízení a vnějším sériovém odporu, R_g. Většina hradlových budičů potřebuje napájecí zdroj do jednoho až dvou wattů.

Dalším faktorem je špičkový proud (I_pk) potřebný k nabíjení a vybíjení hradla. Ten je funkcí V_s, R_int a R_g. Vypočítá se pomocí vzorce:

V mnoha případech je tento špičkový proud větší, než může DC/DC převodník poskytnout. Většina návrhů místo toho, aby spíše přešla k většímu a dražšímu zdroji (který pracuje s nízkým pracovním cyklem), dodává proud pomocí „skupinových“ kondenzátorů v napájecích rozvodech budiče, které jsou nabíjeny převodníkem během částí cyklu s nízkým proudem.

Základní výpočty určují, jak velké by tyto skupinové kondenzátory měly být. Je však také důležité, aby měly nízký ekvivalentní sériový odpor („equivalent series resistance“, ESR) a indukčnost (ESL), aby nebránily přechodovému proudu, který dodávají.

Další aspekty související s převodníkem hradlového budiče

U DC/DC převodníků hradlového budiče se vyskytují další jedinečné problémy. Patří mezi ně:

• Regulace: Když zařízení nespíná, blíží se zátěž na DC/DC převodníku nule. Většina běžných převodníků však potřebuje neustálou minimální zátěž, jinak se jejich výstupní napětí může dramaticky zvýšit dokonce i až na úroveň průrazu hradla.

Stává se, že se toto vysoké napětí ukládá ve skupinových kondenzátorech, takže když zařízení začne spínat, mohlo by rozeznat přepětí hradla, dokud úroveň převodníku při normální zátěži neklesne. Proto by měl být použit DC/DC převodník, který má upnutá výstupní napětí nebo velmi nízké požadavky na minimální zátěž.

• Spouštění a vypínání: Je důležité, aby tranzistory IGBT a MOSFET nebyly aktivně řízeny řídicími signály PWM, dokud nejsou napěťové rozvody budicího obvodu na svých určených hodnotách. Nicméně se spouštěním a vypínáním převodníků hradlového budiče může dojít k přechodnému stavu, kdy mohou být zařízení zapnuta, i když je signál PWM neaktivní, což vede k prohoření a poškození. Proto by výstupy DC/DC převodníku měly při spouštění a vypínání dobře reagovat a vykazovat monotónní vzestup a pokles (obrázek 8).

Obrázek 8: Je kriticky důležité, aby výstupy DC/DC převodníku během sekvencí spouštění a vypínání dobře reagovaly a nevykazovaly napěťové přechody. (Zdroj obrázku: společnost Murata Power Solutions)

• Izolační a vazební kapacita: Ke generování střídavého proudu na síťové frekvenci nebo k zajištění obousměrného PWM pohonu motorů, transformátorů nebo jiných zátěží využívají střídače nebo převodníky napájení při vysokém výkonu obvykle konfiguraci můstku. K zajištění bezpečnosti uživatele a splnění regulačních nařízení vyžaduje signál PWM hradlového budiče a související napájecí rozvody spínačů high-side galvanické oddělení od země bez ohmické cesty mezi nimi. Kromě toho musí být izolační bariéra robustní a nesmí během projektované životnosti vykazovat žádnou významnou degradaci v důsledku opakovaných vlivů částečného vybíjení.

Kromě toho existují problémy způsobené kapacitní vazbou přes izolační bariéru. Jedná se o analogii svodového proudu mezi primárním a sekundárním vinutím plně izolovaného transformátoru střídavého proudu. To vede k požadavkům, aby byly budicí obvod a související napájecí rozvod odolné vůči vysokému dV/dt spínacího uzlu a měly by mít velmi nízkou vazební kapacitu.

Mechanismus tohoto problému je způsoben velmi rychlými spínacími hranami, typicky 10 kV/μs a u nejnovějších zařízení GaN dokonce až 100 kV/μs. Toto rychle se měnící dV/dt způsobuje přechodný tok proudu přes kapacitu izolační bariéry DC/DC převodníku.

Vzhledem k tomu, že proud odpovídá rovnici I = C × (dV/dt), i malá kapacita bariéry pouhých 20 pF vede při spínání 10 kV/μs k toku proudu 200 mA. Tento proud najde neurčitou zpětnou cestu přes obvody řídicí jednotky zpět do můstku, což způsobí napěťové špičky na odporech a indukčnostech připojení, a to může mít potenciál narušit provoz řídicí jednotky a dokonce DC/DC převodníku. Nízká vazební kapacita je proto velmi žádoucí.

Je tu ještě další aspekt základní izolace a související izolace DC/DC převodníku. Izolační bariéra je navržena tak, aby nepřetržitě odolávala jmenovitému napětí, ale protože je napětí přepnuto, může bariéra v průběhu času potenciálně rychleji degradovat. To je způsobeno elektrochemickými účinky a účinky částečného vybíjení v materiálu bariéry, ke kterým by mohlo dojít pouze jako výsledek pevného stejnosměrného napětí.

Proto musí mít DC/DC převodník robustní izolaci a velkorysé minimální vzdálenosti povrchové cesty a vzdušné vzdálenosti. Pokud je bariéra převodníku součástí bezpečnostního izolačního systému, platí pro požadovanou úroveň izolace (základní, doplňkovou, zesílenou), provozní napětí, stupeň znečištění, kategorii přepětí a nadmořskou výšku příslušné regulační předpisy.

Z těchto důvodů jsou uznány nebo čekají na uznání pouze DC/DC převodníky hradlových budičů s vhodným provedením a materiály podle normy UL60950-1 pro různé základní a zesílené úrovně ochrany (které jsou obecně ekvivalentní úrovním definovaným v normě EN 62477-1:2012). Přísnější uznání je také zavedeno nebo čeká na vyřízení dle zdravotnické normy ANSI/AAMI ES60601-1 s požadavky na 1× prostředek ochrany pacienta („Means of Patient Protection“, MOPP) a 2× prostředek ochrany obsluhy („Means of Operator Protection“, MOOP).

•Odolnost vůči soufázovým rušivým signálům: Odolnost CMTI („Common-mode transient immunity“) je důležitý parametr hradlového budiče při vyšších spínacích frekvencích, kde má hradlový budič diferenciální napětí mezi dvěma samostatnými zemními referencemi, jako je tomu u izolovaných hradlových budičů. CMTI je definována jako maximální přípustná rychlost nárůstu nebo poklesu souhlasného napětí aplikovaného mezi dva izolované obvody a je specifikována v kV/µs nebo V/ns.

Vysoká hodnota CMTI znamená, že obě strany izolovaného uspořádání – strana vysílání a strana příjmu – v případě „nárazu“ na izolační bariéru signálem s rychlostí přeběhu s velmi velkým stoupáním (kladným) nebo klesáním (záporným) překračují specifikace katalogového listu. Katalogový list DC/DC převodníku by měl mít pro tento parametr hodnotu specifikace a konstruktéři ji musí přizpůsobit specifikům provozní frekvence a napětí obvodu.

Splnění požadavků na DC/DC převodník pro hradlový budič

Společnost Murata si je vědoma mnoha náročných a často protichůdných požadavků na DC/DC převodník hradlového budiče a rozšířila svou řadu MGJ2 DC/DC převodníků s průchozím otvorem o DC/DC zařízení SMD. Převodníky této společnosti se díky svému výkonu, kompaktnímu tvaru a nízkému profilu (přibližné rozměry 20 mm délka × 15 mm šířka × 4 mm výška) a kompatibilitě s výrobními procesy SMD dobře hodí k napájení obvodů hradlových budičů high-side a low-side v tranzistorech IGBT a MOSFET v aplikacích s omezeným místem a hmotností (obrázek 9).

sObrázek 9: Všechna zařízení DC/DC převodníků řady MGJ2 společnosti Murata mají stejný vnější vzhled a velikost, ale jsou k dispozici s různými jmenovitými vstupními napětími a bipolárními páry výstupního napětí. (Zdroj obrázku: společnost Murata Power Solutions)

Zástupci této řady 2wattových převodníků pracují s nominálními vstupy 5, 12 a 15 V a nabízejí výběr asymetrických výstupních napětí (výstupy +15 V / −5 V, +15 V /−9 V a +20 V /−5 V) pro podporu optimálních úrovní budiče s nejvyšší účinností systému a minimálním elektromagnetickým rušením („electromagnetic interference“, EMI). Pouzdro pro povrchovou montáž usnadňuje fyzickou integraci s hradlovými budiči a umožňuje bližší umístění, čímž se snižuje složitost kabeláže a zároveň se minimalizuje zachycování EMI nebo radiofrekvenčního rušení („radio frequency interference“, RFI).

Řada MGJ2 je specifikována pro požadavky na vysokou izolaci a dV/dt potřebné pro obvody můstku používané v motorových pohonech a střídačích. Jmenovité teplotní údaje a konstrukce průmyslové úrovně zajišťují dlouhou životnost a spolehlivost. Mezi další klíčové atributy patří:

• Zesílená izolace uznávaná podle normy UL62368 (čeká se na vyřízení)
• Uznání dle normy ANSI/AAMI ES60601-1 (čeká se na vyřízení)
• Testovací napětí izolace 5,7 kV DC (dle testu vysokého potenciálu „ high-potential, hi pot“)
• Ultra nízká izolační kapacita
• Provoz do +105 °C (se snižováním výkonu)
• Ochrana proti zkratu
• Charakterizovaná odolnost vůči soufázovým rušivým signálům (CMTI) >200 kV/µs
• Trvalé výdržné napětí bariéry 2,5 kV
• Charakterizovaný výkon při částečném vybíjení

Dvě zařízení představují rozsah výkonu dostupného v řadě MGJ2:

• Model MGJ2D152005MPC-R7 má nominální 15voltový vstup (13,5 až 16,5 V) a poskytuje vysoce asymetrické výstupy +20 V a −5,0 V, oba při proudu až 80 mA. Klíčové specifikace zahrnují regulaci zátěže 9 % a 8 % (maximum) pro dva výstupy (v tomto pořadí), zvlnění a šum do 20/45 mV (typicky/maximum), účinnost 71/76 % (minimum/typicky), izolační kapacitu pouhé 3 pF a střední dobu do poruchy („mean time to failure“, MTTF) přibližně 1 100 kilohodin (stanoveno podle příručky MIL-HDBK-217 FN2) a 43 500 kilohodin (podle výpočetních modelů Telecordia SR-332).

• Model MGJ2D121509MPC-R7 funguje z nominálního 12voltového vstupu (10,8 až 13,2 V) a poskytuje vysoce asymetrické výstupy +15 V a −9,0 V, oba také při proudu až 80 mA. Mezi další klíčové specifikace patří regulace zátěže 8 % / 13 % (typicky/maximum) pro výstup +15 V a regulace zátěže 7 % / 12 % (typicky/maximum) pro výstup −9,0 V, zvlnění a šum do 20/45 mV (typicky/maximum), účinnost 72/77 % (minimum/typicky), izolační kapacita 3 pF a MTTF přibližně 1 550 kilohodin (podle příručky MIL-HDBK-217 FN2) a 47 800 kilohodin (dle modelů Telecordia).

Kromě očekávaných seznamů a grafů s podrobným popisem statického a dynamického výkonu se ve společném katalogovém listu pro zástupce této řady uvádí škála průmyslových standardů a regulačních předpisů, které tyto převodníky splňují, spolu s vyčerpávajícími podrobnostmi o souvisejících testovacích podmínkách používaných k určení těchto faktorů. To zajišťuje vyšší úroveň spolehlivosti a urychluje certifikaci produktů v aplikacích s přísnými požadavky na shodu.

Závěr

Výběr vhodného zařízení MOSFET nebo IGBT pro návrh spínaného napájení je jedním krokem v procesu návrhu. K dispozici je také přidružený hradlový budič, který ovládá spínací zařízení a rychle a rázně jej přepíná mezi stavy zapnuto a vypnuto. Budič k poskytování svého provozního výkonu zase naopak potřebuje vhodný DC/DC převodník. Jak je zde ukázáno, řada 2wattových DC/DC převodníků MGJ2 společnosti Murata pro povrchovou montáž nabízí potřebný elektrický výkon a splňuje také mnoho složitých bezpečnostních a regulačních požadavků vyžadovaných pro tuto funkci.