Cum să controlați bipolar un driver de poartă unipolar
Întrebare: Aveți nevoie de un driver de poartă special pentru a genera tensiuni pozitive și negative? Răspuns: Nu, puteți adapta un driver de poartă unipolar pentru a conduce într-un mod bipolar.
Dacă sunt necesare unități de poartă pozitive și negative pentru un modul de putere, proiectanții de circuite nu trebuie să caute un driver de poartă care să permită în mod specific funcționarea bipolară.
Se poate folosi trucul descris mai jos pentru a crea tensiuni bipolare cu un driver de poartă unipolar.
Dacă controlați MOSFET-urile și IGBT-urile de putere medie și mare, există riscul ca efectul Miller să apară la pornire dacă există o schimbare mare de tensiune pe modulul de alimentare. În acest caz, curentul este injectat la poarta componentei de putere prin capacitatea de golire a porții sau a colectorului de poartă.
Dacă această alimentare curentă este suficient de mare pentru a crește tensiunea porții peste tensiunea de prag a componentei, poate apărea o pornire parazită, ceea ce poate duce la o eficiență mai mică sau la defectarea componentei.
Efectul Miller descrie creșterea capacității de intrare a unui amplificator inversor, care are loc datorită amplificării eficiente a capacității dintre intrarea și ieșirea acestui amplificator. Efectul poate fi slăbit de o cale cu o impedanță foarte mică de la poarta dispozitivului de alimentare la sursă sau de scurgere.
O altă posibilitate este de a acționa poarta cu o tensiune negativă în raport cu sursa sau drenajul. Scopul tehnicilor de atenuare a efectului Miller activat este de a menține tensiunea porții sub pragul dorit atunci când apare un curent de supratensiune datorită capacității Miller.
Tensiuni negative de acționare a porții
Unele dispozitive de alimentare au nevoie, de asemenea, de o tensiune negativă pentru a se opri complet, ceea ce necesită un fel de tensiune negativă a driverului care provine de la driverul de poartă. Producătorii recomandă tensiuni negative ale unității de poartă pentru componentele standard MOSFET din siliciu, IGBT, SiC și GaN.
Există o mare varietate de drivere de poartă izolate care funcționează pe partea secundară (partea care acționează dispozitivul de alimentare) a unei surse de alimentare unipolare. Cu toate acestea, acestea includ semnificativ mai puține drivere de poartă care permit în mod explicit controlul bipolar.
O metodă de rezolvare a problemei cu componentele inexistente cu tensiune de acționare a porții negative este separarea driverului de poartă de componenta de putere. În acest fel, se generează o tensiune negativă de acționare a porții în raport cu poarta sau scurgerea componentei de putere, IC-ul driverului de poartă recunoscând doar o sursă unipolară. Figura 1 prezintă exemple de forme de tensiune a driverului unipolar și bipolar.
O diagramă de circuit cu o sursă de tensiune ideală este prezentată în Figura 2. În acest exemplu, componenta de alimentare este furnizată de driverul IC cu o tensiune care corespunde sumei U1 și U2, în timp ce poarta MOSFET în starea ON cu + U1 și în starea OFF cu - U2, relativ la nodul sursă al MOSFET este controlat.
În acest exemplu, ambele surse sunt decuplate cu condensatoare separate. O decuplare eficientă pentru driverul de poartă IC este conexiunea în serie a condensatoarelor, a căror capacitate totală este mai mică decât valoarea fiecărui condensator individual.
Dacă este necesar, se poate introduce o decuplare suplimentară între UDD și GND. În acest sens, este important să păstrați condensatorii C1 și C2, deoarece condensatorii care asigură separat căile de impedanță scăzută pentru curentul de poartă în timpul pornirii și opririi.
Drivere de poartă izolate cu UVLO
Driverele de poartă izolate au adesea o blocare de subtensiune (UVLO), care împiedică acționarea prea slabă a componentei de putere dacă driverul de poartă este acționat cu o tensiune a porții prea mică. Dacă driverul unipolar de poartă din Figura 2 este acționat, funcționarea așteptată a UVLO este de obicei legată de solul driverului de poartă.
De exemplu, luăm un caz în care U1 = 15 V și U2 = 9 V și blocarea de subtensiune a driverului de poartă este în jur de 1 V, ceea ce este obișnuit atunci când se utilizează IGBT. Dacă U1 scade apoi cu mai mult de 4 V, UVLO nu ar fi activat, dar IGBT ar fi condus sub 11 V în timpul activării și, prin urmare, sub-virat.
Pentru acest exemplu, pot fi generate două surse de tensiune separate cu două surse de alimentare izolate separate, dar costul este ridicat. Dacă se utilizează o configurație flyback, se pot atinge diferite înfășurări pentru a genera relativ ușor tensiuni diferite.
Există, de asemenea, module izolate ca surse de tensiune care furnizează o tensiune izolată. Unul vine de la RECOM și oferă o tensiune de alimentare izolată de +15 V și –9 V.
Șoferul porții trebuie să fie proiectat pentru o oscilare de tensiune atât de mare. Două drivere de poartă care funcționează bine cu aceste tensiuni sunt drivere de poartă IGBT cu tehnologia iCoupler ADuM4135 și ADuM4136, care oferă o gamă de tensiune care permite utilizarea până la 30 V.
Ambele componente au un știft de masă dedicat pe partea de ieșire, care permite referința UVLO a șoferului la nivelul de alimentare pozitiv. ADuM4135 are, de asemenea, o clemă Miller încorporată care atenuează efectul Miller.
Diode Zener preîncărcate pentru a doua tensiune
O modalitate simplă de a crea o sursă bipolară cu o singură tensiune de alimentare este de a genera oa doua tensiune cu o diodă zener părtinitoare. Deși driverele de poartă generează curenți mari atunci când componentele de alimentare sunt pornite și oprite, curentul mediu necesar de sursa de alimentare este relativ mic - adesea doar câteva zeci de mA pentru majoritatea aplicațiilor.
Dioda zener poate fi plasată astfel încât să regleze tensiunea pozitivă sau negativă. În funcție de aceasta, se poate selecta ce nivel trebuie să aibă o precizie mai mare.
Exemplul prezentat în Figura 3 este configurat astfel încât tensiunea pozitivă să fie reglată mai precis decât cea negativă. Un motiv pentru reglarea precisă a tensiunii pozitive poate fi faptul că poarta care trebuie controlată are doar o toleranță foarte mică în ceea ce privește tensiunea porții, așa cum este cazul unor componente GaN.
Reglarea exactă a alimentării pozitive are, de asemenea, avantajul că UVLO al driverului de poartă funcționează așa cum era de așteptat, deoarece orice fluctuație în U3 la dioda Zener este atenuată până când U3 este prea mic pentru a furniza tensiunea Zener.
Dacă o diodă Zener este utilizată pentru a genera două dintr-o singură tensiune de alimentare, aspectul este, de asemenea, mai simplu. O diodă Zener și un rezistor nu numai că înlocuiesc în mod eficient o sursă de tensiune complet izolată, dar atunci când se utilizează un driver de poartă izolat unipolar, poate fi utilizată o componentă cu doar șase conexiuni - cum ar fi ADuM4120. Acest lucru economisește și mai mult spațiu în jurul IC-ului driverului porții de-a lungul zonelor de curent de scurgere izolate.
Exemplu de referință cu o configurație diodă Zener bipolară
Un exemplu de referință al unei jumătăți de pod cu o configurație diodă zener bipolară a fost construit folosind ADuM4121 de la ADI și GS66508T de la GaN Systems. Acest exemplu oferă o tensiune a driverului de + 5 V și - 4 V pentru alimentarea componentelor.
Exemplul de referință poate fi adaptat cu ușurință la o tensiune de acționare de +6 V și -3 V și la aceeași sursă de alimentare izolată de 9 V cu o diodă Zener diferită. Un timp mort lung este folosit pentru a separa în mod clar creșterea curentului Miller de alți tranzitori de oprire.
Cu toate acestea, în practică, ADuM4121 permite timpi de moarte semnificativ mai scurți în intervalul de câteva 10 ns, ceea ce este un parametru important pentru circuitele GaN cu randament ridicat.
Concluzie: Nu este nimic complicat în crearea unei tensiuni negative a unității de poartă care va atenua efectul Miller la pornire. Mulți șoferi de poartă care funcționează unipolar pot fi, de asemenea, operați în așa fel încât să conducă o poartă negativă doar cu circuite externe minime. Deși există unele implicații de care trebuie să fii conștient, cum ar fi tensiunea UVLO efectivă, beneficiile unei astfel de operații sunt enorme.
* * Ryan Schnell este inginer de aplicații la Analog Devices din Wilmington, S.U.A.
Surse de alimentare bipolare pentru sisteme de testare și măsurare