Izoliuotų vartų tvarkyklių naudojimo projektavimo gairės

Trijų dalių projektavimo vadovas paaiškina, kaip pasirinkti tinkamą izoliuotą vartų tvarkyklę galios perjungimo įrenginiams galios elektronikos programose ir dalijasi praktine patirtimi. Šis straipsnis yra pirmoji dalis, daugiausia apimanti izoliuotų vartų pavarų įvadą ir atrankos vadovą.

Šio straipsnio nuorodos adresas:

ON Semiconductor izoliuotų vartų tvarkyklės yra sukurtos taip, kad atitiktų didžiausią perjungimo greičio ir sistemos dydžio apribojimus, kurių reikalauja tokios technologijos kaip SiC (silicio karbidas) ir GaN (galio nitridas), kad būtų užtikrintas patikimas MOSFET valdymas. Daugelis galios elektronikos pramonės dizainerių turi didelę patirtį dirbdami su Si MOSFET, SiC ir GaN MOSFET ir yra patyrę vartotojai. Sistemų gamintojai vis labiau domisi savo konstrukcijų energijos vartojimo efektyvumo didinimu. Norint užimti lyderio pozicijas rinkoje, itin svarbu derinti didelį energijos vartojimo efektyvumą ir mažą kainą. Žvelgiant iš puslaidininkinių medžiagų perspektyvos, ši sritis padarė didelę pažangą ir dabar yra produktų, galinčių perjungti dideliu greičiu, taip padidinant sistemos lygio efektyvumą ir sumažinant dydį.

Izoliuoti vartų vairuotojai--Kas tai yra, kodėl jie naudojami ir kaip jie veikia?

Galios MOSFET yra įtampa valdomi įrenginiai, naudojami kaip perjungimo elementai maitinimo grandinėse, variklių pavarose ir kitose sistemose. Vartai yra elektra izoliuotas kiekvieno įrenginio valdymo terminalas. Kiti MOSFET gnybtai yra šaltinis ir nutekėjimas.

Norint valdyti MOSFET, paprastai į vartus reikia prijungti įtampą (priešingai nei šaltiniui ar emiteriui). Speciali tvarkyklė naudojama įtampai į maitinimo įrenginio vartus tiekti ir pavaros srovei tiekti.

Vartų tvarkyklės naudojamos maitinimo įrenginiams įjungti ir išjungti. Norėdami tai padaryti, vartų vairuotojas įkrauna maitinimo įrenginio vartus iki galutinės įjungimo įtampos VGS(ON) arba vairuotojo grandinė iškrauna vartus iki galutinės išjungimo įtampos VGS(OFF). Norint konvertuoti tarp dviejų vartų įtampos lygių, tam tikra galia yra išsklaidoma kilpoje tarp vartų tvarkyklės, vartų rezistoriaus ir maitinimo įrenginio.

Šiandien mažos ir vidutinės galios aukšto dažnio keitikliai pirmiausia naudoja vartų įtampos valdymo įrenginius, tokius kaip MOSFET.

Didelės galios programoms geriausi šiuo metu naudojami įrenginiai yra silicio karbido (SiC) MOSFET, kuriems reikia didesnės pavaros srovės norint greitai įjungti / išjungti šiuos maitinimo jungiklius. Vartų tvarkyklės tinka ne tik MOSFET, bet ir naujiems plataus dažnio diapazono įrenginiams, apie kuriuos šiuo metu žino tik keli žmonės, pavyzdžiui, silicio karbido (SiC) ir galio nitrido (GaN) FET.

Vartų tvarkyklė yra galios stiprintuvas, kuris priima įvestį iš valdiklio IC ir generuoja atitinkamą didelę srovę, kad valdytų galios perjungimo įrenginio užtvaras.

Toliau pateikiama trumpa vartų tvarkyklių naudojimo priežasčių santrauka:

Vartų pavaros varža

Vartų pavaros funkcija yra greitai įjungti ir išjungti maitinimo įrenginius, siekiant sumažinti nuostolius. Kad būtų išvengta kryžminio laidumo nuostolių, atsirandančių dėl Millerio efekto arba lėto perjungimo esant tam tikroms apkrovoms, vairuotojas turi nustatyti išjungimo būseną su mažesne varža nei priešingo tranzistoriaus įjungimo būsena. Neigiama vartų pavaros marža atlieka svarbų vaidmenį mažinant šiuos nuostolius.

Šaltinio induktyvumas

Tai yra induktyvumas, kurį dalijasi vartų tvarkyklės srovės kilpa ir išėjimo srovės kilpa. Neigiama vartų pavaros įtampos riba kartu su šaltinio laido induktyvumu turi tiesioginės įtakos išėjimo perjungimo greičiui esant apkrovai, o tai yra šaltinio induktyvumo šaltinio blogėjimo efektas (šaltinio laido induktyvumas sujungia išėjimo perjungimo srovę atgal su vartų pavara, todėl sulėtinti vartų pavarą).

Vartų tvarkyklė perduoda įtampos signalą (VGS) tarp užtvaro (G) ir maitinimo MOSFET šaltinio (S), tuo pačiu tiekdama didelės srovės impulsą, kaip parodyta 1 paveiksle.

· Įgalinti greitą CGS ir CGD įkrovimą / iškrovimą

· Greitas įjungimas / išjungimas MOSFET

1 pav. Vartų pavaros srovės kelias

Kodėl galvaninė izoliacija?

Didelės galios įrenginiuose reikalinga galvaninė izoliacija, kad būtų išvengta pavojingų įžeminimo kilpų, dėl kurių gali kilti triukšmas, dėl kurio abiejų grandinių įžeminimo potencialas yra skirtingas ir taip gali pakenkti sistemos saugumui. Srovės tokiose sistemose gali būti mirtinos žmogui, todėl turi būti užtikrintas aukščiausias saugos lygis. Elektrinė arba galvaninė izoliacija reiškia būseną, kai tarp dviejų skirtingų potencialų taškų necirkuliuoja nuolatinė srovė.

Tiksliau, galvaninės izoliacijos būsenoje neįmanoma perkelti nešėjų iš vieno taško į kitą, tačiau elektros energija (arba signalais) vis tiek gali būti keičiamasi per kitus fizinius reiškinius, tokius kaip elektromagnetinė indukcija, talpinė jungtis ar šviesa. Ši sąlyga yra lygi begaliniam pasipriešinimui tarp dviejų taškų; praktiškai pakanka varžų iki maždaug 100 MΩ. Jei žala apsiriboja elektroniniais komponentais, saugos izoliacija gali būti nereikalinga, tačiau jei valdymo pusėje yra žmogaus veikla, būtina galvaninė izoliacija tarp didelės galios pusės ir žemos įtampos valdymo grandinės. Jis apsaugo nuo bet kokių gedimų aukštos įtampos pusėje, nes net ir sugadinus ar sugedus komponentams izoliacinė užtvara neleidžia maitinimui pasiekti vartotoją. Atskyrimas yra privalomas reguliavimo agentūrų ir saugos sertifikavimo įstaigų, kad būtų išvengta elektros smūgio pavojaus. Žemiau yra santrauka apie naudojimo priežastis ir galvaninės izoliacijos metodus daugelyje galios įrenginių.

·Saugokite ir saugiai atlaikykite aukštos įtampos šuolių, kurie kenkia įrangai arba kelia pavojų žmonėms.

·Apsaugokite brangius valdiklius – išmaniąsias sistemas

· Toleruoti didelius potencialų skirtumus ir destruktyvias įžeminimo kilpas grandinėse, kuriose yra didelė energija arba ilgas atskyrimas

· Patikimai bendraukite su aukšto lygio komponentais esant aukštos įtampos aukštos kokybės

Sprendimai

2 pav. Neizoliuotas ir izoliuotas

Izoliuoto vartų vairuotojo pasirinkimo vadovas

Toliau paaiškinama, kaip pasirinkti izoliuotą vartų tvarkyklę. Pavyzdžiui, sistemoje su žemesne darbine įtampa perjungimo įtaisas gali būti tiesiogiai prijungtas prie valdiklio tol, kol valdiklio atsparumo įtampa yra leistinoje diapazone. Tačiau vartų pavara yra įprastas daugelio galios keitiklių komponentas. Kadangi valdymo grandinė veikia esant žemai įtampai, valdiklis negali tiekti pakankamai galios greitai ir saugiai atidaryti arba uždaryti maitinimo jungiklį. Todėl valdiklio signalas siunčiamas į vartų tvarkyklę, kuri gali atlaikyti didesnę galią ir pagal poreikį gali varyti MOSFET vartus. Didelės galios arba aukštos įtampos įrenginiuose grandinės komponentai yra veikiami dideliais įtampos poslinkiais ir didelėmis srovėmis. Jei srovė nuteka iš galios MOSFET į valdymo grandinę, galios konvertavimo grandinėje esanti aukšta įtampa ir srovė gali lengvai sudeginti tranzistorių ir sukelti rimtą valdymo grandinės gedimą. Be to, didelės galios programose turi būti galvaninė izoliacija tarp įvesties ir išvesties, kad būtų apsaugoti vartotojai ir kiti įrenginiai.

Vartų pavaros įtampos diapazonas

Keitiklio darbinė įtampa priklauso nuo perjungimo elemento specifikacijų (pvz., Si MOSFET arba SiC MOSFET). Turi būti patvirtinta, kad keitiklio išėjimo įtampa neviršija didžiausios perjungimo elemento vartų įtampos vertės.

Teigiama vartų pavaros įtampa turi būti pakankamai aukšta, kad vartai būtų visiškai įjungti. Taip pat būtina užtikrinti, kad pavaros įtampa neviršytų absoliučios didžiausios vartų įtampos. Si-MOSFET paprastai naudoja +12V pavaros įtampą, +15V dažniausiai naudojama SiC varyti, o GaN užtvaro įtampa yra +5V. 0-V vartų įtampa gali išlaikyti visus įrenginius išjungtus. Paprastai tariant, MOSFET nereikia neigiamo poslinkio vartų pavaros, kuri kartais naudojama SiC ir GaN MOSFET. Perjungimo programose labai rekomenduojama naudoti SiC ir GaN MOSFET neigiamo poslinkio vartų pavarą, nes parazitinis induktyvumas, atsirandantis dėl netinkamo PCB išdėstymo didelio di/dt ir dv/dt perjungimo metu, gali sukelti vartų šaltinio pavaros įtampos skambėjimą. galios tranzistorius. Toliau nurodytos kiekvieno perjungimo įrenginio vartų pavaros įtampos.

Izoliacijos galimybė

Šią galimybę lemia sistemos darbinė įtampa. Sistemos darbinė įtampa yra tiesiogiai proporcinga izoliacijos galiai. Vienas iš pagrindinių izoliuotų vartų pavaros parametrų yra jo izoliacinės įtampos nominalioji vertė. Atskyrimo laipsnis sukurtas taip, kad netikėti įtampos pereinamieji procesai nepažeistų kitų prie maitinimo šaltinio prijungtų grandinių, todėl norint apsaugoti vartotoją nuo potencialiai žalingų srovės iškrovų, svarbu turėti tinkamą izoliacijos laipsnį. Be to, šis įvertinimas apsaugo keitiklio signalus nuo triukšmo ar netikėtų bendrojo režimo įtampos pereinamųjų procesų. Izoliacijos vertė paprastai išreiškiama kaip įtampos dydis, kurį gali atlaikyti izoliacijos barjeras. Daugumoje izoliuotų vartų tvarkyklės duomenų lapų izoliacijos įtampa nurodoma kaip parametrai, tokie kaip maksimali pasikartojančios didžiausios izoliacijos įtampa (VIORM), darbinė izoliacijos įtampa (VIOWM), maksimali pereinamojo laikotarpio izoliacijos įtampa (VIOTM), maksimali viršįtampio izoliacijos įtampa (VIOSM) ir RMS. izoliacijos įtampa (VISO). Kuo didesnė sistemos darbinė įtampa, tuo didesnė keitiklio izoliavimo galimybė.

ĮJUNGTA Puslaidininkių izoliuotų vartų tvarkyklės gaminamos naudojant MPS testerį (modelis MSPS-20).

Izoliacijos talpa

Izoliacijos talpa yra parazitinė talpa tarp keitiklio įvesties ir išvesties pusių. Iš šios formulės matome, kad izoliacijos talpa yra proporcinga nuotėkio srovei.

Tarp jų: ​​Nutekėjimas: nuotėkio srovė, fS: veikimo dažnis, CISO: izoliacinė talpa. VSYS: sistemos darbinė įtampa

Galios nuostoliai yra proporcingi nuotėkio srovei. Jei sistema turi veikti dideliu darbiniu dažniu ir aukšta įtampa, turime daugiau dėmesio skirti keitiklio izoliacijos talpos dydžiui, kad išvengtume per didelio temperatūros kilimo.

Įprasto režimo trumpalaikis imunitetas (CMTI)

Bendrojo režimo pereinamasis atsparumas (CMTI) yra viena iš pagrindinių charakteristikų, susijusių su izoliuotomis vartų tvarkyklėmis, ypač kai sistema veikia aukštu perjungimo dažniu. Tai svarbu, nes didelio sukimosi greičio (aukšto dažnio) pereinamieji procesai gali sugadinti duomenų perdavimą per izoliacijos barjerą. Talpa per izoliacijos barjerą (ty tarp izoliacijos įžeminimo plokštumų) suteikia kelią šiems greitiems pereinamiesiems veiksniams kirsti izoliacijos barjerą ir sugadinti išėjimo bangos formą. Šio būdingo parametro vienetas paprastai yra kV/uS.

Jei CMTI nepakankamai aukštas, didelės galios triukšmas gali susijungti per izoliuotų vartų tvarkyklę, sukurdamas srovės kilpą ir sukeldamas įkrovą jungiklio vartuose. Šis įkrovimas, jei jis yra pakankamai didelis, gali priversti vartų vairuotoją klaidingai suprasti šį triukšmą kaip pavaros signalą, o šis perjungimas gali sukelti rimtą grandinės gedimą.

Dabartinės pavaros galimybės

Kuo didesnę vartų srovę galima gauti / nuleisti per trumpą laiką, tuo trumpesnis vartų tvarkyklės perjungimo laikas ir mažesnis varomo tranzistoriaus perjungimo galios nuostolis.

Didžiausios šaltinio ir kriauklės srovės (ISOURCE ir ISINK) turi būti didesnės nei vidutinės srovės (IG, AV), kaip parodyta 3 paveiksle.

3 pav. Dabartinės pavaros galimybių apibrėžimas

Kiekvienam vairuotojo srovės stiprumui apytikslis maksimalus vartų įkrovimas QG, kurį galima perjungti per nurodytą laiką, gali būti apskaičiuojamas taip: Reikiama vairuotojo srovė priklauso nuo to, kiek vartų įkrovos QG reikia perkelti per perjungimo laiką tSW−ON/ IŠJUNGTA, nes vidutinė vartų srovė perjungimo metu yra IG.

Kur tSW, ON/OFF reiškia, kaip greitai MOSFET turi būti perjungtas. Jei nežinote, pradėkite nuo 2% perjungimo laikotarpio tSW.

Apytiksles vartų vairuotojo piko šaltinio ir kriauklės sroves galima apskaičiuoti naudojant šias formules.

Įjungta (dabartinis šaltinis)

Kai išjungta (grimzta srovė)

Kur QG yra vartų įkrova esant VGS=VCC, tSW, ON/OFF=įjungimo/išjungimo laikas, 1.5=empiriškai nustatytas veiksnys (tam įtakos turi vėlavimai vairuotojo įvesties etape ir parazitiniai komponentai)

Vartų rezistoriaus svarstymai

Nustatant užtvaro rezistoriaus dydį, svarbu apsvarstyti galimybę sumažinti skambėjimo įtampą, kurią sukelia parazitinis induktyvumas ir talpa. Tačiau tai apribos dabartinę vartų tvarkyklės išvesties galimybes. Ribotos srovės galios vertes dėl įjungimo ir išjungimo varžtų rezistorių galima gauti naudojant šias formules.

Tarp jų: ​​ISOOURCE: didžiausia šaltinio srovė, ISINK: didžiausia kriauklės srovė, VOH: aukšto lygio išėjimo įtampos kritimas, VOL: žemo lygio išėjimo įtampos kritimas

ON puslaidininkių izoliuotų vartų tvarkyklės

ON Semiconductor siūlo daugybę izoliuotų vartų tvarkyklių, pagrįstų integruotais magnetiškai sujungtais begysliais transformatoriais, tinkamas naudoti, kai perjungimo greitis yra labai didelis ir yra sistemos dydžio apribojimų, ir gali patikimai valdyti Si MOSFET ir SiC FET.

Siūlome funkcinius ir sustiprintus izoliacijos gaminius, sertifikuotus pagal UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 ir CQC GB 4943.1. Mūsų izoliuotų vartų vairuotojai apima tiek pramoninius, tiek automobilinius sertifikuotus gaminius.

Šios izoliuotos vartų tvarkyklės integruoja įvairias funkcijas, kad atlaikytų aukštus CMTI lygius, turi kelias UVLO parinktis ir užtikrina greitą sklidimo delsą (įskaitant trumpo uždelsimo neatitikimus) ir minimalų impulso pločio iškraipymą.

Visų pirma, būsimi naujieji ON Semiconductor produktai suteiks paprastą būdą generuoti neigiamą poslinkį vartų pavaros kilpoje, tinkantį SiC MOSFET valdymui. Šis neigiamas poslinkis yra naudingas, jei PCB išdėstymas ir (arba) paketo laidai sukelia stiprų skambėjimą galios tranzistoriaus Vg. Šis vartų įtampos skambėjimas paprastai atsiranda esant dideliam di/dt ir dv/dt perjungimo sąlygoms. Kad skambėjimas būtų žemesnis už slenkstinę įtampą, kad būtų išvengta klaidingo įjungimo, vartų pavarai paprastai taikomas neigiamas poslinkis. Galimos įvairios parinktys, skirtos generuoti -2V, -3V, -4V ir -5V, kad atitiktų visas konfigūracijas. ĮJUNGTA „Semiconductor“ izoliuotų vartų tvarkyklės yra įvairių paketų variantų, įskaitant mažus LGA ir SOIC 8-pin to 16-pin variantus.

Žemiau pateikiamos pagrindinės ON Semiconductor izoliuotų vartų vairuotojų šeimos savybės, elektrinės specifikacijos ir su sauga susiję sertifikatai.

1 lentelė.

- Kuriamas

- Pasirinktinai, galima užsisakyti

– Planuojama

Izoliuotų vartų vairuotojo palaikymo įrankiai

Visus susijusius galvaninių izoliuotų vartų pavarų dokumentus, įskaitant duomenų lapus, projektavimo ir kūrimo įrankius, modeliavimo modelius, taikymo pastabas, vertinimo lentos dokumentus, atitikties ataskaitas ir kt., rasite ON Semiconductor pagrindiniame puslapyje.

Pagrindinės susijusios tvarkyklės:

● NCP51560

● NCP51561 和 NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563