הנחיות עיצוב לשימוש בדרייברים של שערים מבודדים

מדריך העיצוב בן שלושה חלקים מסביר כיצד לבחור את דרייבר השער המבודד המתאים עבור התקני מיתוג מתח ביישומי חשמל וחולקים ניסיון מעשי. מאמר זה הוא החלק הראשון, הכולל בעיקר את מדריך ההקדמה והבחירה של נהגי שערים מבודדים.

כתובת הפניה של מאמר זה:

מנהלי השערים המבודדים של ON Semiconductor מתוכננים לעמוד במגבלות מהירות המיתוג המקסימליות וגודל המערכת הנדרשות על ידי טכנולוגיות כגון SiC (סיליקון קרביד) ו-GaN (גליום ניטריד) כדי לספק שליטה אמינה ב-MOSFETs. למעצבים רבים בתעשיית האלקטרוניקה הכוח יש ניסיון רב בעבודה עם Si MOSFETs, SiC ו- GaN MOSFETs והם משתמשים מומחים. יצרני מערכות מתעניינים יותר ויותר בשיפור היעילות האנרגטית של העיצובים שלהם. כדי להשיג עמדה מובילה בשוק, השילוב של יעילות אנרגטית גבוהה ועלות נמוכה הוא חיוני. מנקודת מבט של חומרים מוליכים למחצה, התחום התקדם משמעותית, וכעת ישנם מוצרים המסוגלים לעבור במהירויות גבוהות, ובכך להגדיל את היעילות ברמת המערכת תוך הפחתת גודל.

נהגי שער מבודדים--מה הם, מדוע משתמשים בהם וכיצד הם פועלים?

Power MOSFETs הם התקנים מבוקרי מתח המשמשים כרכיבי מיתוג במעגלי חשמל, כונני מנוע ומערכות אחרות. השער הוא מסוף הבקרה המבודד חשמלית של כל מכשיר. המסופים האחרים של MOSFET הם מקור וניקוז.

כדי להפעיל MOSFET, בדרך כלל צריך להפעיל מתח על השער (בניגוד למקור או לפולט). דרייבר ייעודי משמש להפעיל מתח על השער של התקן החשמל ולספק זרם כונן.

מנהלי התקנים של שער משמשים להפעלה וכיבוי של התקני חשמל. לשם כך, נהג השער טוען את השער של התקן החשמל למתח ההדלקה הסופי VGS(ON), או שמעגל הנהג פורק את השער למתח הכיבוי הסופי VGS(OFF). כדי להמיר בין שתי רמות מתח השער, חלק מהכוח מתפזר בלולאה בין דרייבר השער, נגד השער והתקן הכוח.

כיום, ממירי תדר גבוה ליישומים בהספק נמוך ובינוני משתמשים בעיקר בהתקני בקרת מתח שערים כגון MOSFETs.

עבור יישומים בעלי הספק גבוה, המכשירים הטובים ביותר הנמצאים כיום בשימוש הם MOSFET של סיליקון קרביד (SiC), אשר דורשים זרמי הנעה גבוהים יותר כדי להפעיל/לכבות במהירות את מתגי ההפעלה הללו. מנהלי השערים לא מתאימים רק ל-MOSFETs, אלא גם למכשירים חדשים בפער הרצועה הרחב שרק אנשים מעטים מודעים אליו כיום, כגון FETs של סיליקון קרביד (SiC) ו-FET של גליום ניטריד (GaN).

דרייבר שער הוא מגבר הספק המקבל קלט מבקר IC ומייצר זרם גבוה מתאים להנעת השער של התקן מיתוג מתח.

להלן סיכום קצר של הסיבות לשימוש בדרייברי שער:

עכבת כונן שער

תפקידו של דרייבר השער הוא להפעיל ולכבות במהירות התקני חשמל כדי להפחית הפסדים. כדי למנוע הפסדי הולכה צולבת הנגרמים על ידי אפקט מילר או מיתוג איטי בעומסים מסוימים, על הנהג לקבוע את המצב הכבוי עם עכבה נמוכה יותר מהמצב המופעל בטרנזיסטור הנגדי. מרווח כונן שער שלילי ממלא תפקיד חשוב בהפחתת הפסדים אלו.

השראות מקור

זוהי השראות המשותפת ללולאת זרם מנהל השער וללולאת זרם המוצא. לשולי מתח כונן שער שלילי בשילוב עם השראות עופרת מקור יש השפעה ישירה על מהירות המיתוג של הפלט תחת עומס, שהיא אפקט השפלת המקור של השראות המקור (השראות עופרת המקור מצמדת את זרם מיתוג המוצא בחזרה לכונן השער, ובכך האטה בכונן השער).

מנהל השער מחיל אות מתח (VGS) בין השער (G) והמקור (S) של ה-MOSFET המתח תוך מתן דופק זרם גבוה, כפי שמוצג באיור 1.

· אפשר טעינה/פריקה מהירה של CGS ו-CGD

· הפעלה/כיבוי מהיר של MOSFET

איור 1. נתיב זרם של כונן שער

למה בידוד גלווני?

יישומי הספק גבוה דורשים בידוד גלווני כדי למנוע הפעלת לולאות הארקה מסוכנות, מה שעלול לגרום לרעש, ולגרום להארקה של שני המעגלים להיות בפוטנציאל שונה ובכך לסכן את בטיחות המערכת. הזרמים במערכות כאלה עלולים להיות קטלניים לבני אדם, ולכן יש להבטיח את רמת הבטיחות הגבוהה ביותר. בידוד חשמלי או גלווני מתייחס למצב בו אין זרם DC מסתובב בין שתי נקודות בפוטנציאלים שונים.

ליתר דיוק, במצב הבידוד הגלווני, אי אפשר להעביר נשאים מנקודה אחת לאחרת, אבל עדיין ניתן להחליף אנרגיה חשמלית (או אותות) באמצעות תופעות פיזיקליות אחרות כמו אינדוקציה אלקטרומגנטית, צימוד קיבולי או אור. מצב זה שווה ערך להתנגדות אינסופית בין שתי הנקודות; בפועל, התנגדות של עד כ-100 MΩ מספיקות. אם הנזק מוגבל לרכיבים האלקטרוניים, ייתכן שלא יהיה צורך בבידוד בטיחותי, אך אם מעורבת פעילות אנושית בצד הבקרה, נדרש בידוד גלווני בין צד ההספק הגבוה למעגל הבקרה במתח נמוך. הוא מגן מפני כל תקלה בצד המתח הגבוה, כי גם אם יש נזק או כשל ברכיבים, מחסום הבידוד מונע מהחשמל להגיע למשתמש. בידוד הוא חובה על ידי סוכנויות רגולטוריות וגופי אישור בטיחות כדי למנוע את הסיכון להתחשמלות. להלן סיכום של הסיבות לשימוש ושיטות הבידוד הגלווני ביישומי חשמל רבים.

· למנוע ולעמוד בבטחה בנחשולי מתח גבוה הפוגעים בציוד או מסכנים בני אדם.

·הגן על בקרים יקרים - מערכות חכמות

· לסבול הבדלי פוטנציאל גדולים ולולאות הארקה הרסניות במעגלים בעלי אנרגיה גבוהה או הפרדות ארוכות

· תקשורת מהימנה עם רכיבים בעלי צד גבוה במתח גבוה עם ביצועים גבוהים

פתרונות

איור 2. לא מבודד ומבודד

מדריך לבחירת מנהל התקן של שער מבודד

להלן הסבר כיצד לבחור מנהל התקן שער מבודד. לדוגמה, עבור מערכת עם מתח הפעלה נמוך יותר, ניתן לחבר את התקן המיתוג ישירות לבקר כל עוד מתח העמידות של הבקר נמצא בטווח המותר. עם זאת, דרייבר השער הוא רכיב נפוץ ברוב ממירי החשמל. מכיוון שמעגל הבקרה פועל במתח נמוך, הבקר אינו יכול לספק מספיק כוח כדי לפתוח או לסגור את מתג ההפעלה במהירות ובבטחה. לכן האות של הבקר נשלח לדרייבר השער, המסוגל לעמוד בהספק גבוה יותר ויכול להניע את השער של ה-MOSFET לפי הצורך. ביישומי הספק גבוה או מתח גבוה, הרכיבים במעגל נתונים לסטיות מתח גדולות ולזרמים גבוהים. אם זרם דולף מה-MOSFET למעגל הבקרה, המתח והזרם הגבוהים במעגל המרת ההספק יכולים בקלות לשרוף את הטרנזיסטור, ולגרום להתמוטטות רצינית של מעגל הבקרה. בנוסף, יישומים בעלי הספק גבוה חייבים להיות בעלי בידוד גלווני בין הקלט והפלט כדי להגן על משתמשים והתקנים אחרים.

טווח מתח כונן שער

מתח הפעולה של הממיר תלוי במפרט של אלמנט המיתוג (כגון Si MOSFET או SiC MOSFET). יש לאשר שמתח המוצא של הממיר אינו עולה על הערך המרבי של מתח השער של אלמנט המיתוג.

המתח החיובי של דרייבר השער צריך להיות גבוה מספיק כדי להבטיח שהשער מופעל במלואו. כמו כן, יש לוודא שמתח ההנעה אינו עולה על מתח השער המרבי המוחלט. Si-MOSFETs משתמשים בדרך כלל במתח הנעה של +12V, +15V משמש בדרך כלל להנעת SiC, ומתח השער עבור GaN הוא +5V. מתח של שער 0-V יכול לשמור את כל המכשירים במצב כבוי. באופן כללי, MOSFETs אינם דורשים כונן שער הטיה שלילי, אשר משמש לעתים עבור SiC ו- GaN MOSFETs. ביישומי מיתוג, מומלץ מאוד להשתמש בכונן שער הטיה שלילי עבור SiC ו- GaN MOSFETs מכיוון שהשראת טפילים המוכנסת על ידי פריסת PCB לא אידיאלית במהלך מיתוג di/dt ו-dv/dt גבוה יכולה לגרום לצלצול במתח הכונן של מקור השער של טרנזיסטור הכוח. להלן מתחי הנעת שערים הישימים עבור כל התקן מיתוג.

יכולת בידוד

יכולת זו נקבעת על פי מתח הפעולה של המערכת. מתח ההפעלה של המערכת עומד ביחס ישר ליכולת הבידוד. אחד הפרמטרים המרכזיים של דרייבר שער מבודד הוא דירוג מתח הבידוד שלו. דירוג הבידוד נועד למנוע ממעברי מתח בלתי צפויים לפגוע במעגלים אחרים המחוברים לאספקת החשמל, כך שדירוג הבידוד הנכון הוא המפתח להגנה על המשתמש מפני פריקות זרם שעלולות להזיק. בנוסף, דירוג זה מגן על האותות בתוך הממיר מפני הפרעות על ידי רעש או מעברי מתח בלתי צפויים במצב משותף. ערך הבידוד מתבטא בדרך כלל ככמות המתח שמחסום הבידוד יכול לעמוד בו. ברוב גליונות הנתונים של מנהלי השערים המבודדים, מתח הבידוד רשום כפרמטרים כגון מתח בידוד שיא חוזר (VIORM), מתח בידוד עבודה (VIOWM), מתח בידוד חולף מרבי (VIOTM), מתח בידוד נחשולים מקסימלי (VIOSM) ו-RMS. מתח בידוד (VISO). ככל שמתח הפעולה של המערכת גבוה יותר, נדרשת יכולת הבידוד של הממיר גבוהה יותר.

מנהלי השערים המבודדים של ON Semiconductor נבדקים בייצור על בודק MPS (דגם MSPS-20).

קיבול בידוד

קיבול הבידוד הוא הקיבול הטפילי בין צד הקלט והמוצא של הממיר. מהנוסחה הבאה, אנו יכולים לראות כי קיבול הבידוד הוא פרופורציונלי לזרם הדליפה.

ביניהם: Ileak: זרם דליפה, fS: תדר הפעלה, CISO: קיבול בידוד. VSYS: מתח הפעלה של המערכת

אובדן החשמל הוא פרופורציונלי לזרם הדליפה. אם המערכת צריכה לפעול בתדר הפעלה גבוה ובמתח גבוה, עלינו לשים לב יותר לגודל קיבול הבידוד של הממיר כדי למנוע עליית טמפרטורה מוגזמת.

חסינות חולפת במצב נפוץ (CMTI)

חסינות חולפת (CMTI) היא אחד המאפיינים העיקריים הקשורים לדרייברי שער מבודדים, במיוחד כאשר המערכת פועלת בתדרי מיתוג גבוהים. זה חשוב מכיוון שמעברי חלוף גבוהים (תדירות גבוהה) עלולים להרוס את העברת הנתונים על פני מחסום הבידוד. הקיבול על פני מחסום הבידוד (כלומר, בין מישורי ההארקה של הבידוד) מספק נתיב למעברים מהירים אלה לחצות את מחסום הבידוד ולהשחית את צורת גל המוצא. היחידה של פרמטר אופייני זה היא בדרך כלל kV/uS.

אם CMTI אינו גבוה מספיק, רעש הספק גבוה יכול להתחבר על פני דרייבר השער המבודד, ליצור לולאת זרם ולגרום להופעת מטען בשער המתג. מטען זה, אם הוא גדול מספיק, יכול לגרום לנהג השער לפרש את הרעש הזה בצורה לא נכונה כאות כונן, ומעבר זה עלול לגרום לכשל רציני במעגל.

שיקולי יכולת כונן נוכחיים

ככל שזרם השער שניתן למקור/להטביע בפרק זמן קצר גבוה יותר, כך זמן המיתוג של דרייבר השער קצר יותר ואיבוד הספק המיתוג בטרנזיסטור המונע נמוך יותר.

שיא המקור וזרמי השקיעה (ISOURCE ו-ISINK) צריכים להיות גבוהים מהזרמים הממוצעים (IG, AV), כפי שמוצג באיור 3.

איור 3. הגדרת יכולת הכונן הנוכחית

עבור כל דירוג זרם נהג, ניתן לחשב את טעינת השער המקסימלית QG המשוערת בזמן המוצג באופן הבא: דירוג זרם הנהג הנדרש תלוי בכמה טעינת השער QG יש להזיז בכמה זמן מיתוג tSW−ON/ כבוי, מכיוון שזרם השער הממוצע במהלך המיתוג הוא IG.

כאשר tSW,ON/OFF מייצג כמה מהר יש להחליף את ה-MOSFET. אם לא ידוע, התחל עם 2% מתקופת המעבר tSW.

ניתן לחשב זרמי שיא מקור וזרמי שקיעה משוערים של נהג שער באמצעות הנוסחאות הבאות.

פועל (מקור נוכחי)

כאשר כבוי (זרם שוקע)

כאשר QG הוא טעינת השער ב-VGS=VCC, tSW, ON/OFF=זמן הפעלה/כיבוי, 1.5=גורם שנקבע אמפירית (מושפע מעיכובים בשלב הקלט של הנהג ורכיבים טפיליים)

שיקולי נגד שערים

בעת שינוי גודל הנגד של השער, חשוב לשקול הפחתת מתח הצלצול הנגרם על ידי השראות וקיבול טפיליים. עם זאת, זה יגביל את היכולת הנוכחית של פלט דרייבר השער. ניתן לקבל את ערכי יכולת הזרם המוגבלת עקב נגדי ההפעלה והכיבוי של שערים באמצעות הנוסחאות הבאות.

ביניהם: ISOOURCE: peak source stroom, ISINK: peak sink current, VOH: נפילת מתח פלט ברמה גבוהה, VOL: נפילת מתח פלט ברמה נמוכה

מנהלי התקן השערים המבודדים של ON Semiconductor

ON Semiconductor מציעה מגוון של מנהלי שערים מבודדים המבוססים על שנאים משולבים ללא ליבה משולבים, המתאימים ליישומים שבהם מהירויות המיתוג גבוהות מאוד וקיימים אילוצי גודל מערכת, ויכולים לשלוט בצורה מהימנה על Si MOSFET ו-SiC FET.

אנו מציעים מוצרי בידוד פונקציונליים ומחוזקים המוסמכים לפי UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 ו-CQC GB 4943.1. נהגי השערים המבודדים שלנו כוללים גם מוצרים תעשייתיים וגם מוצרים מוסמכים לרכב.

מנהלי השערים המבודדים הללו משלבים מגוון תכונות כדי לעמוד ברמות CMTI גבוהות, יש להם אפשרויות UVLO מרובות, ומספקים עיכובים מהירים של התפשטות (כולל אי ​​התאמה של השהיה קצרה) ועיוות מינימלי של רוחב הפולסים.

בפרט, המוצרים החדשים הקרובים של ON Semiconductor יספקו שיטה פשוטה ליצור הטיה שלילית בלולאת כונן השער, המתאימה להנעת SiC MOSFETs. הטיה שלילית זו שימושית אם פריסת ה-PCB ו/או מובילי החבילה יוצרים צלצול גבוה בטרנזיסטור הכוח Vg. צלצול מתח זה בשער מתרחש בדרך כלל בתנאי מיתוג di/dt ו-dv/dt גבוהים. כדי לשמור על הצלצול מתחת למתח הסף כדי למנוע הפעלה מזויפת, הטיה שלילית מופעלת בדרך כלל על דרייבר השער. אפשרויות שונות זמינות ליצירת -2V, -3V, -4V ו--5V כדי להתאים לכל התצורות. מנהלי התקן השער המבודדים של ON Semiconductor זמינים במגוון אפשרויות חבילה, כולל גרסאות קטנות של LGA ו-SOIC 8-pin to 16-pin.

להלן המאפיינים העיקריים, מפרטי החשמל והאישורים הקשורים לבטיחות של משפחת נהגי השערים המבודדים של ON Semiconductor.

טבלה 1.

- בפיתוח

- אופציונלי, זמין על פי בקשה

- מתוכנן

כלים לתמיכה בנהג שער מבודד

כל המסמכים הקשורים לדרייברים של שערים מבודדים גלווניים זמינים בדף הבית של ON Semiconductor, כולל גליונות נתונים, כלי עיצוב ופיתוח, מודלים של סימולציה, הערות יישומים, תיעוד לוח הערכה, דוחות תאימות וכו'.

מנהלי התקנים הקשורים העיקריים כוללים:

● NCP51560

● NCP51561 או NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563