Драйвер воріт для ефективних та компактних рішень All-Electronics
З одного погляду
Нове сімейство напівмостових воріт 2EDL від Infineon є частиною сімейства Eicedriver Compact. Концепція драйвера IC для напівмостів в першу чергу призначена для галузі приводних технологій побутової техніки, а також для перемикання джерел живлення та комп'ютерів. Вони розроблені для двох найпопулярніших транзисторних технологій, IGBT та MOSFET. Вбудований завантажувальний діод має невеликий послідовний опір і, таким чином, забезпечує широкий робочий діапазон ширини імпульсу. Втрати потужності завантажувального діода мінімізовані. Спеціальні функції, такі як асиметричне вимкнення під напругою та активне відключення, особливо для IGBT, допомагають досягти оптимального результату.
Завдяки монолітно інтегрованій, дуже швидкій функції завантажувального ремінця, останнє покоління лідових драйверів 2EDL встановлює стандарти для ІС драйверів із вихідним струмом більше 2 А. Наразі мікросхеми драйвера затвора 600 В складаються з двох груп компонентів з різними варіантами та вихідними струмами 0,5 або 2,3 А для додатків як з IGBT, так і з MOSFET-транзисторами. За допомогою цих драйверів Infineon також відкриває новий сегмент компонентів, клас Eicedriver Compact (“C”) для промислових та мультиринкових додатків.
Схеми напівмостових драйверів 2EDL представляють новий клас драйверів воріт із вбудованою функцією завантажувального ремінця для подачі з високої сторони. Наразі лише кілька компонентів цього типу були на ринку через помітне зниження напруги завантажувального ремінця при низьких робочих циклах перетворювача енергії, а також додатковим високим енергоспоживанням ІС на високих частотах перемикання. З цієї причини попередні компоненти здебільшого обмежувались малопотужними накопичувачами у споживчій зоні. Зазвичай вони мають блокувальну напругу 600 В. Інші напівмостові мікросхеми, які не мають вбудованого діода завантажувальної стрічки, використовуються для низькочастотних імпульсних джерел живлення. Оскільки вони не мають вбудованої функції завантажувального ремінця, ці вироби мають дещо кращий температурний бюджет завдяки меншому енергоспоживанню порівняно з компонентами з вбудованою функцією завантажувального ремінця.
Однак вбудована функція завантажувального ремінця пропонує суттєві переваги: простіший компонування, менша площа плати та дешевше розміщення компонентів з точки зору відстані до з'єднання затвора силового транзистора. Це покращує електромагнітну сумісність (ЕМС) і оптимізує поведінку перемикання, що призводить до менших втрат при перемиканні.
З огляду на це, Infineon розробив нову концепцію мікросхем драйверів напівмостових воріт, яка призначена для потреб у галузі побутової електроніки, включаючи прилади в побутовій техніці, а також для живлення та обчислень. Схеми напівмостових драйверів сімейства 2EDL підтримують найважливіші тенденції в програмах з низьким енергоспоживанням, такі як простота використання та зменшення матеріальних витрат, одночасно забезпечуючи широку функціональність.
Нова концепція для ІС драйверів напівмостових воріт
Модулі на 0,5 А доступні в корпусі DSO8 або DSO14, тоді як версії на 2,3 А - на DSO14. Всі корпуси сумісні з RoHS, не містять свинцю та галогенів. Компоненти корпусу DSO8 пропонують плавучий драйвер із високими бортами з основними функціями. Наприклад, 2EDL05I06BF дуже підходить для перемикання джерел живлення. Він не має глухого часу або функції блокування, так що вихід як верхньої, так і низької сторони може бути активований одночасно.
Два модулі з високим вихідним струмом 2,3 А в корпусі DSO14 пропонують повний спектр функцій. Особливості включають функцію увімкнення, діагностику несправностей та окремий зворотний шлях для струму затвора (заземлення), включаючи захист від перевантаження по струму. За допомогою цих варіантів можна вирішити всі програми, які вимагають більших вимог щодо інтеграції та безпеки.
Вбудований діод завантажувального ремінця
Вбудована функція завантажувальної стрічки зазвичай реалізується з використанням високовольтних структур MOSFET, як показано на малюнку 1 зліва, що відповідає TBS на малюнку 1. Ці структури MOSFET вмикаються та вимикаються у фазі з низькобічним транзистором T2. Це критична точка, оскільки ні час затримки силового транзистора, ні коефіцієнт потужності двигуна не відомі мікросхемі драйвера. Тому активація завантажувального FET-транзистора повинна враховувати це з додатковими затримками завантажувального ремінця. Ці затримки зменшують час, доступний для завантаження, тому напруга завантажувального ременя ще більше знижується.
Рисунок 1: Схема завантажувального ремінця для напівмоста: зліва звичайний FET як перемикач завантажувального ремінця, а праворуч - високоефективний, надшвидкий діод завантажувального ремінця та наявні корпуси сімейства 2EDL. Інфінеон
Іншим обмеженням при використанні MOSFET для завантаження є температурна залежність MOSFET. Як правило, опір МОП-транзисторів удвічі збільшується, коли температура переходу збільшується на 100 ° С. Це означає, що зображена ситуація знову погіршується. Більш високий опір RDS (увімкнений) також призводить до більшого споживання енергії мікросхеми драйвера та обмежує безпечний робочий діапазон (SOA) щодо частоти перемикання та заряду затвора. Еквівалентом цього є опір рейки RLim діода завантажувального ремінця, показаний як послідовний опір. Як видно на малюнку 2, інтегрований діод завантажувального ремінця кращий, ніж звичайні функції завантажувального ремінця, як тільки пряма характеристика діода перевищує характеристику MOSFET. Це стосується прямого струму приблизно від 5 до 10 мА при підвищених температурах.
Рисунок 2: Порівняння прямих характеристик завантажувального діода з резисторним опором RLim та MOSFET з Rds (увімкненим) = 100 Ω (чорний Tj = 25 ° C, штриховий: Tj = 125 ° C) та Rds (увімкненим) = 200 Ω (помаранчевий, Tj = 25 ° C, пунктир: Tj = 125 ° C). Інфінеон
Ефекти вихідних характеристик можна побачити, порівнюючи зменшення номінальної напруги напруги конденсатора завантажувального ремінця з робочим циклом. Конфігурація напівмоста вибрана для представлення топології живлення з перемиканням режиму. Низький коефіцієнт дії імпульсу в транзисторі або діоді з низькою стороною призводить до того, що конденсатор завантажувального ремінця CBS не перезаряджається повністю (див. Рисунок 1). В результаті напруга vBS завантажувального ременя падає, поки не буде досягнуто новий стійкий стан щодо напруги живлення мікросхеми драйвера. На рисунку 3 показані робочі умови для частоти комутації fp = 20 кГц та конденсатора початкової стрічки з CBS = 22 мкФ.
Рисунок 3: Розрахунок падіння напруги на конденсаторі завантажувального ремінця в порівнянні з робочим циклом понижуючого регулятора у залежності від опору включення (RDS (on) або RLim), показаного при температурі з'єднання Tj = 25 ° C. Інфінеон
У лівій частині рисунка 3 показані умови при температурі стику Tj = 25 ° C, а в правій частині для Tj = 125 ° C. Запропонована концепція драйвера 2EDL Eicedriver пропонує опір RLim в початковій стрічці 30 Ом при температурі з'єднання Tj = 25 ° C. Інші поняття тут мають 125 або навіть 200 Ом. Для простоти передбачається, що резистор завантажувального ременя RLim також подвоюється через кожні 100 ° C. Слід зазначити, що конденсатор завантажувального ремінця не впливає на схеми, показані на малюнку 3. Це впливає лише на фазу переходу від однієї точки зміщення до іншої.
Рисунок 3: Розрахунок падіння напруги на конденсаторі завантажувального ремінця (стаціонарний стан) у порівнянні з робочим циклом для перетворювача напруги як функція опору в режимі роботи (RDS (on) або RLim), при Tj = 125 ° C. Інфінеон
Навпаки, вплив низького опору льодогенератора 2EDL є значним. Очевидно, що нова концепція драйвера набагато стабільніша при високих температурах переходу в порівнянні зі стандартними компонентами. Корисний робочий цикл може зменшитися до одного відсотка з новими драйверами 2EDL без активації відключення низької напруги.
Інші водії не допускають робочих циклів менше чотирьох відсотків (RBS = 125 Ом) або семи відсотків (RBS = 200 Ом). Це означає, що програми, які вимагають роботи з дуже низькими робочими циклами, не можуть використовувати ці драйвери. Ці програми включають джерела живлення з переключеним режимом з жорстким перемиканням при високих навантаженнях або приводні системи, які працюють з орієнтованим на поле управлінням з високим крутним моментом при низьких швидкостях обертання. У цих прикладах управління потім переходить у стаціонарний або квазістаціонарний режим роботи в зоні критичного коефіцієнта імпульсу.
Асиметричне відключення низької напруги
Сім'я водіїв льоду 2EDL також підтримує роботу з IGBT зі спеціальними функціями. Інші мікросхеми драйверів, доступні на ринку, наприклад з функцією UVLO (блокування напруги), підтримують лише MOSFET. Порогова напруга затвора MOSFET (переважно 3 В) дозволяє працювати з меншими напругами затвора порівняно з IGBT (4,6-5 В), що також відображається на напругах UVLO. З іншого боку, небезпечно експлуатувати IGBT з ІМС драйверів, які пропонують обмеження UVLO для MOSFET. Ці межі настільки низькі, що IGBT може частково або повністю наситити. Це, в свою чергу, призводить до великих втрат, і робота в цьому режимі може пошкодити IGBT. Тому необхідно, щоб IGBT контролювали лише водії, які пропонують адаптовані обмеження UVLO для IGBT.
Іншим важливим аспектом є те, що конструкція обмеження UVLO підтримує вбудовані діоди завантажувальної стрічки. Вони демонструють відносно високе падіння прямої напруги, що допомагає зменшити напругу завантажувального ремінця порівняно з напругою живлення VDD (див. Також Рисунок 3). Статична напруга завантажувального ремінця обумовлена:
Тут vCE представляє напругу транзистора T2 низькобічного транзистора в напівмостовій конфігурації згідно з малюнком 1. Формула показує, що вихід високої сторони (HO) генерує нижчу напругу, оскільки напруга VBS подається на мікросхему -З'єднання VB і VS зменшується на значення VDBS і VCE. Однак вигідно активувати UVLO для подачі VBS високої сторони одночасно з низьковольтною подачею VDD, щоб уникнути недостатньої подачі затвора високої сторони. Отже, низькобічний UVLO спрацьовує при значенні приблизно на 1 В вище, ніж функція UVLO верхнього боку. Це також дозволяє зсунути граничні значення вимкнення VCCUV на нижній стороні до трохи вищих значень. Цього можна досягти, застосувавши асиметричний UVLO, який допускає різні значення порогових напруг на високій і низькій сторонах.
Крім того, нові мікросхеми драйверів також дозволяють фільтрувати події UVLO. Це запобігає короткочасному падінню напруги (близько 1,5 мкс), щоб стати подією UVLO. Нові ІС більш надійні проти шуму в лініях живлення.