Як біполярно керувати однополярним драйвером воріт
Питання: Вам потрібен спеціальний драйвер затвора для генерації позитивних і негативних напруг? Відповідь: Ні, ви можете адаптувати однополярний драйвер воріт для ведення біполярним способом.
Якщо для силового модуля потрібні позитивні та негативні приводи затворів, розробникам схем не потрібно шукати драйвер затвора, який спеціально дозволяє біполярну роботу.
Можна використовувати трюк, описаний нижче, для створення біполярних напруг за допомогою уніполярного драйвера затвора.
Якщо ви керуєте транзисторами MOSFET та IGBT середньої та великої потужності, існує ризик виникнення ефекту Міллера під час увімкнення, якщо на силовому модулі спостерігається велика зміна напруги. У цьому випадку струм подається в затвор силового компонента через ємність стоку затвора або колектора затвора.
Якщо цей струм подачі достатньо великий, щоб збільшити напругу затвора вище порогової напруги компонента, може відбутися паразитне включення, що може призвести до меншої ефективності або виходу з ладу компонента.
Ефект Міллера описує збільшення вхідної ємності інвертуючого підсилювача, яке відбувається за рахунок ефективного посилення ємності між входом і виходом цього підсилювача. Ефект може бути послаблений шляхом з дуже низьким імпедансом від затвора силового пристрою до джерела або стоку.
Інша можливість полягає у приведенні затвора з негативною напругою по відношенню до джерела або стоку. Метою включення методів пом'якшення ефекту Міллера є утримання напруги на затворі нижче бажаного порогу, коли виникає струм імпульсу через ємність Міллера.
Негативні напруги приводу затвора
Деякі пристрої живлення також потребують негативної напруги для повного вимкнення, що вимагає свого роду негативної напруги драйвера, яка надходить від драйвера затвора. Виробники рекомендують негативні напруги приводу затвора для стандартних кремнієвих МОП-транзисторів, IGBT, SiC та GaN-компонентів.
Існує широкий вибір ізольованих драйверів воріт, які працюють на вторинній стороні (стороні, що приводить в дію силовий пристрій) однополярного джерела живлення. Однак сюди входить значно менше драйверів воріт, які явно дозволяють біполярне управління.
Одним із методів вирішення проблеми з неіснуючими компонентами з негативною напругою приводу затвора є відокремлення драйвера затвора від силової складової. Таким чином, негативна напруга драйвера затвора генерується відносно затвора або стоку силового компонента, при цьому ІС драйвера затвора розпізнає лише однополярне живлення. Приклади однополярних і біполярних форм напруги драйвера показані на рисунку 1.
Принципова схема з ідеальним джерелом напруги показана на малюнку 2. У цьому прикладі силова складова постачається від драйвера ІС напругою, що відповідає сумі U1 і U2, тоді як затвор МОП-транзистора в стані УВІМКНЕНО + U1 та у ВИМКНЕНОМ стані - У2, відносно вихідного вузла МОП-транзистора контролюється.
У цьому прикладі обидва джерела роз’єднані окремими конденсаторами. Ефективною роз'єднанням для затворної мікросхеми є послідовне підключення конденсаторів, загальна ємність яких менше значення кожного окремого конденсатора.
Якщо потрібно, може бути вставлена додаткова розв'язка між UDD і GND. При цьому важливо зберігати конденсатори С1 та С2 як конденсатори, які забезпечують окремі шляхи струму затвора струму затвора під час вмикання та вимикання.
Драйвери ізольованих воріт з UVLO
Ізольовані драйвери воріт часто мають блокування низької напруги (UVLO), що запобігає занадто слабкому приведенню в дію силового компонента, якщо драйвер воріт приводиться в дію із занадто низькою напругою на затворі. Якщо керується однополюсним драйвером воріт з малюнка 2, очікувана робота UVLO, як правило, пов’язана із землею драйвера воріт.
Як приклад, ми беремо випадок, коли U1 = 15 В і U2 = 9 В, а блокування напруги драйвера затвора становить близько 1 В, що є загальним явищем при використанні IGBT. Якщо U1 потім падає більш ніж на 4 В, UVLO не буде активований, але IGBT буде подаватися нижче 11 В протягом часу увімкнення, і, таким чином, знижується.
У цьому прикладі два окремі джерела напруги можуть генеруватися з двома окремими ізольованими джерелами живлення, але вартість велика. Якщо використовується конфігурація зворотного зв'язку, різні намотки можна прослуховувати, щоб відносно легко генерувати різні напруги.
Існують також ізольовані модулі як джерела напруги, які подають ізольовану напругу. Один приходить від RECOM і пропонує ізольовану напругу живлення +15 В і –9 В.
Драйвер воріт повинен бути розроблений для таких великих коливань напруги. Двома драйверами затворів, які добре працюють з цими напругами, є драйвери затворів IGBT з технологією iCoupler ADuM4135 та ADuM4136, які пропонують діапазон напруги, що дозволяє використовувати до 30 В.
Обидва компоненти мають спеціальний штифт заземлення на вихідній стороні, що дозволяє посилання UVLO драйвера на позитивний рівень живлення. ADuM4135 також має вбудований затискач Міллера, який послаблює ефект Міллера.
Попередньо завантажені стабілітрони для другої напруги
Простий спосіб створити біполярний джерело живлення лише з однією напругою живлення - це генерація другої напруги із зміщеним стабілітроном. Хоча драйвери затвора генерують високий струм, коли компоненти живлення вмикаються та вимикаються, середній струм, необхідний для джерела живлення, відносно невеликий - часто лише кілька десятків мА для більшості застосувань.
Стабілітрон можна розмістити так, щоб він регулював як позитивну, так і негативну напругу. Залежно від цього можна вибрати, який рівень повинен мати вищу точність.
Приклад, показаний на малюнку 3, налаштований таким чином, що позитивна напруга регулюється точніше, ніж негативна. Однією з причин точного регулювання позитивної напруги може бути те, що керований затвор має лише дуже низький допуск щодо напруги затвора, як це відбувається з деякими компонентами GaN.
Точне регулювання позитивного живлення також має ту перевагу, що UVLO драйвера затвора працює належним чином, оскільки будь-які коливання U3 на стабілітроні ослаблюються, поки U3 не буде занадто малим для подачі напруги стабілітрона.
Якщо стабілітрон використовується для генерування двох з однієї напруги живлення, схема також простіша. Стабілітрон і резистор не тільки ефективно замінюють повністю ізольоване джерело напруги, але при використанні уніполярного ізольованого драйвера затвора може використовуватися компонент, що має лише шість з'єднань - як ADuM4120. Це економить ще більше місця навколо мікросхеми драйвера затвора вздовж ізольованих ділянок струму витоку.
Довідковий приклад із біполярною конфігурацією стабілітрона
Довідковий приклад напівмоста з біполярною конфігурацією стабілітрона був побудований з використанням ADuM4121 від ADI та GS66508T від GaN Systems. Цей приклад забезпечує напругу драйвера + 5 В і - 4 В для живлення компонента.
Контрольний приклад може бути легко адаптований до напруги приводу +6 В і -3 В і однакового ізольованого джерела живлення 9 В з іншим стабілітроном. Довгий мертвий час використовується для чіткого відокремлення стрибка струму Міллера від інших перехідних процесів вимкнення.
На практиці, однак, ADuM4121 дозволяє значно коротший час загибелі в межах декількох 10 нс, що є важливим параметром для схем GaN з високою ефективністю.
Висновок: Не складно створити негативну напругу приводу затвора, яка пом'якшить ефект Міллера при включенні. Багато драйверів воріт, які працюють однополярно, також можуть експлуатуватися таким чином, що вони ведуть негатив ворота лише з мінімальними зовнішніми схемами. Хоча є деякі наслідки, про які слід пам’ятати, наприклад, ефективна напруга УФЛО, вигоди від такої експлуатації надзвичайні.
* * Райан Шнелл - інженер додатків в Analog Devices у Вілмінгтоні, США.
Біполярні джерела живлення для випробувальних та вимірювальних систем