Driver de poartă pentru soluții eficiente și economisitoare de spațiu All-Electronics
Dintr-o privire
Noua familie de șoferi de poartă cu jumătate de pod 2EDL de la Infineon face parte din familia Eicedriver Compact. Conceptul IC driver pentru jumătate de punți este destinat în primul rând domeniului tehnologiei de acționare pentru aparatele de uz casnic, dar și pentru comutarea surselor de alimentare și a computerelor. Acestea sunt dezvoltate pentru cele mai populare două tehnologii de tranzistoare, IGBT și MOSFET. Dioda bootstrap integrată are o rezistență mică în serie și astfel permite o gamă largă de lucru a lățimii impulsului. Pierderea de putere a diodei bootstrap este minimizată. Funcțiile speciale, cum ar fi oprirea asimetrică de subtensiune și oprirea activă, în special pentru IGBT, ajută la obținerea unui rezultat optim.
Cu funcția de bootstrap integrată monolitic, foarte rapidă, ultima generație de drivere de gheață 2EDL stabilește standarde pentru circuite integrate cu un curent de ieșire mai mare de 2 A. IC-urile driverului de poartă de 600 V constau în prezent din două grupuri de componente cu variante diferite și curenți de ieșire de 0,5 sau 2,3 A pentru aplicații atât cu IGBT cât și cu MOSFET. Cu aceste drivere, Infineon deschide, de asemenea, un nou segment de componente, clasa Eicedriver Compact („C”) pentru aplicații industriale și multimarket.
CI-urile driverului 2EDL jumătate de punte reprezintă o nouă clasă de drivere de poartă cu o funcție de bootstrap integrată pentru alimentarea pe partea înaltă. Până în prezent, doar câteva componente de acest tip au fost pe piață datorită unei reduceri notabile a tensiunii bootstrap la cicluri de serviciu reduse. a convertorului de energie, precum și un consum suplimentar ridicat de energie al CI la frecvențe de comutare ridicate urmează să fie gestionate. Din acest motiv, componentele anterioare erau în mare parte limitate la unitățile cu consum redus de energie din zona consumatorilor. Acestea au de obicei o tensiune de blocare de 600 V. Alte circuite integrate cu jumătate de punte care nu au o diodă bootstrap integrată sunt utilizate pentru sursele de alimentare low-end în modul comutat. Deoarece acestea nu au o funcție de bootstrap integrată, aceste produse au un buget de temperatură puțin mai bun datorită consumului redus de energie în comparație cu componentele cu o funcție de bootstrap integrată.
O funcție bootstrap integrată oferă totuși avantaje semnificative: un aspect mai simplu, mai puțină zonă a plăcii și plasarea mai ieftină a componentelor în ceea ce privește distanța până la conexiunea de poartă a tranzistorului de putere. Acest lucru îmbunătățește compatibilitatea electromagnetică (EMC) și optimizează comportamentul de comutare, ceea ce duce la pierderi mai mici de comutare.
Având în vedere acest lucru, Infineon a dezvoltat noul concept pentru circuite integrate cu driver de poartă jumătate de punte, care este predestinat cerințelor din domeniul electronicii de larg consum, inclusiv a unităților în aparatele de uz casnic, precum și pentru alimentarea cu energie electrică și calcul. IC-urile driver semi-bridge ale familiei 2EDL acceptă cele mai importante tendințe în aplicațiile cu consum redus de energie, precum ușurința în utilizare și costuri reduse ale materialelor, cu funcționalitate cuprinzătoare în același timp.
Nou concept pentru circuite integrate cu driver de poartă pe jumătate de punte
Modulele cu 0,5 A sunt disponibile în carcasa DSO8 sau DSO14, în timp ce versiunile cu 2,3 A sunt disponibile în DSO14. Toate carcasele sunt compatibile cu RoHS și fără plumb și halogen. Componentele din carcasa DSO8 oferă un driver flotant pe partea înaltă cu funcții de bază. 2EDL05I06BF, de exemplu, este foarte potrivit pentru comutarea surselor de alimentare. Nu are o funcție de timp mort sau de interblocare, astfel încât atât ieșirea laterală cât și cea inferioară pot fi activate în același timp.
Două module cu curent mare de ieșire de 2,3 A în carcasa DSO14 oferă întreaga gamă de funcții. Caracteristicile includ o funcție de activare, diagnosticarea defecțiunilor și o cale de întoarcere separată pentru curentul porții (masa de alimentare), inclusiv protecție la supracurent. Cu aceste variante, pot fi abordate toate aplicațiile care necesită o integrare mai mare și cerințe de siguranță.
Diodă bootstrap integrată
Funcția de bootstrap integrată este de obicei implementată utilizând structuri MOSFET de înaltă tensiune, așa cum se arată în Figura 1 din stânga, corespunzător TBS din Figura 1. Aceste structuri MOSFET sunt pornite și oprite în fază cu tranzistorul T2 cu partea de jos. Acesta este un punct critic, deoarece nici timpul de întârziere al tranzistorului de putere și nici factorul de putere al motorului nu sunt cunoscuți de IC-ul driverului. Activarea bootstrap FET trebuie, prin urmare, să ia în considerare acest lucru cu întârzieri suplimentare de bootstrap. Aceste întârzieri reduc timpul disponibil pentru bootstrapping, astfel încât tensiunea bootstrap este redusă în continuare.
Figura 1: Circuit bootstrap pentru o jumătate de punte: în stânga un FET convențional ca un comutator bootstrap și în dreapta cu o diodă bootstrap ultra-rapidă de înaltă performanță și carcasele disponibile ale familiei 2EDL. Infineon
O altă limitare atunci când se utilizează un MOSFET pentru bootstrapping este dependența de temperatură a MOSFET. De obicei, rezistența la MOSFET-uri se dublează atunci când temperatura de joncțiune crește cu 100 ° C. Aceasta înseamnă că situația arătată se agravează din nou. Rezistența înainte mai mare RDS (pornit) conduce, de asemenea, la un consum mai mare de energie al driverului IC și limitează domeniul de funcționare sigur (SOA) în ceea ce privește frecvența de comutare și încărcarea porții. Un echivalent cu acesta este rezistența șinei RLim a diodei bootstrap, prezentată ca o rezistență de serie. După cum se poate vedea în Figura 2, dioda de bootstrap integrată este mai bună decât funcțiile de bootstrap convenționale, de îndată ce caracteristica directă a diodei este mai mare decât cea a MOSFET. Acesta este cazul pentru un curent înainte de aproximativ 5-10 mA la temperaturi ridicate.
Figura 2: Comparația caracteristicilor directe ale unei diode bootstrap cu rezistență șină RLim și un MOSFET cu Rds (pornit) = 100 Ω (negru Tj = 25 ° C, punctat: Tj = 125 ° C) și Rds (pornit) = 200 Ω (portocaliu), Tj = 25 ° C, întrerupt: Tj = 125 ° C). Infineon
Efectele caracteristicilor de ieșire pot fi văzute comparând reducerea nominală a tensiunii condensatorului bootstrap cu ciclul de funcționare. O configurație pe jumătate de punte este aleasă pentru a reprezenta o topologie a alimentării în modul comutat. Un factor de funcționare a impulsului scăzut în tranzistorul sau dioda laterală joasă duce la condensatorul bootstrap CBS să nu fie reîncărcat complet (vezi Figura 1). Ca rezultat, tensiunea bootstrap vBS scade până când se atinge o nouă stare de echilibru în ceea ce privește tensiunea de alimentare a IC-ului driverului. Figura 3 prezintă condițiile de funcționare pentru o frecvență de comutare fp = 20 kHz și un condensator bootstrap cu CBS = 22 µF.
Figura 3: Calculul căderii de tensiune pe condensatorul bootstrap față de ciclul de funcționare pentru un regulator de descărcare în funcție de rezistența de stare (RDS (pornit) sau RLim), prezentată la o temperatură de joncțiune Tj = 25 ° C. Infineon
Partea stângă din Figura 3 arată condițiile pentru o temperatură de joncțiune Tj = 25 ° C și pe partea dreaptă pentru Tj = 125 ° C. Conceptul propus de driver pentru 2EDL Eicedriver oferă o rezistență bootstrap RLim de 30 Ω la o temperatură de joncțiune Tj = 25 ° C. Alte concepte sunt aici la 125 sau chiar 200 Ω. Din motive de simplificare, se presupune că rezistența bootstrap RLim se dublează și la fiecare 100 ° C. Vă rugăm să rețineți că condensatorul bootstrap nu are nicio influență asupra diagramelor prezentate în Figura 3. Afectează doar faza de tranziție de la un punct de polarizare la altul.
Figura 3: Calculul căderii de tensiune pe condensatorul bootstrap (starea de echilibru) față de ciclul de funcționare pentru un convertor Buck în funcție de rezistența la starea (RDS (pornit) sau RLim), la Tj = 125 ° C. Infineon
În schimb, influența rezistenței scăzute a dispozitivului de gheață 2EDL este semnificativă. Este evident că noul concept de driver este mult mai stabil la temperaturi ridicate de joncțiune în comparație cu componentele standard. Ciclul de funcționare utilizabil poate scădea cu până la un procent cu noile drivere 2EDL fără ca oprirea subtensiunii să fie activată.
Alți șoferi nu permit cicluri de funcționare mai mici de patru procente (RBS = 125 Ω) sau șapte procente (RBS = 200 Ω). Aceasta înseamnă că aplicațiile care necesită funcționare cu cicluri de funcționare foarte mici nu pot utiliza aceste drivere. Aceste aplicații includ surse de alimentare cu comutare dură cu sarcini mari sau sisteme de acționare care funcționează cu control orientat pe câmp cu cupluri mari la viteze de rotație reduse. În aceste exemple, controlul intră apoi în funcționare în stare staționară sau cvasi-staționară în zona factorului critic de funcționare a impulsului.
Oprire asimetrică de subtensiune
Familia de șoferi de gheață 2EDL acceptă, de asemenea, funcționarea cu IGBT-uri cu caracteristici speciale. Alte IC-uri de driver disponibile pe piață, de exemplu cu funcția UVLO (Under Voltage Lockout), acceptă doar MOSFET-uri. Tensiunea de prag de poartă a MOSFET-urilor (în principal 3 V) permite funcționarea cu tensiuni de poartă mai mici comparativ cu IGBT-urile (4,6 până la 5 V), care se reflectă și în tensiunile UVLO. Pe de altă parte, este periculos să operați IGBT-uri cu circuite integrate de driver care oferă limite UVLO pentru MOSFET-uri. Aceste limite sunt atât de mici încât IGBT se poate satura parțial sau complet. La rândul său, acest lucru duce la pierderi mari, iar funcționarea în acest mod poate deteriora IGBT. Prin urmare, este necesar ca IGBT-urile să fie controlate numai cu drivere care oferă limite UVLO adaptate pentru IGBT-uri.
Un alt aspect important este că proiectarea limitei UVLO acceptă diodele bootstrap integrate. Acestea arată o scădere relativ mare a tensiunii directe, ceea ce ajută la reducerea tensiunii bootstrap în comparație cu tensiunea de alimentare VDD (vezi și Figura 3). Tensiunea statică bootstrap rezultă din:
Aici, vCE reprezintă tensiunea tranzistorului T2 al tranzistorului cu partea de jos într-o configurație pe jumătate de punte așa cum se arată în Figura 1. Formula arată că ieșirea pe partea înaltă (HO) generează o tensiune mai mică deoarece tensiunea VBS este aplicată la IC -Conexiunile VB și VS sunt reduse cu valorile VDBS și VCE. Cu toate acestea, este avantajos să activați UVLO pentru alimentarea pe partea înaltă VBS în același timp cu alimentarea pe partea joasă VDD, pentru a evita alimentarea insuficientă a porții din partea înaltă. Prin urmare, UVLO în partea de jos este declanșat la o valoare cu aproximativ 1 V mai mare decât funcția UVLO în partea de sus. Aceasta permite, de asemenea, ca valorile limită de oprire VCCUV să fie deplasate pe partea de jos la valori ușor mai mari. Acest lucru poate fi realizat prin implementarea unui UVLO asimetric care permite valori diferite pentru tensiunile de prag pe partea înaltă și cea joasă.
În plus, noile IC-uri de driver permit, de asemenea, filtrarea evenimentelor UVLO. Acest lucru poate preveni căderile scurte de tensiune (de ordinul a 1,5 µs) să devină un eveniment UVLO. Noile circuite integrate sunt mai robuste împotriva zgomotului pe liniile de alimentare.