Hur man väljer och kommer igång med drivkretsar för effektenheter

Alla diskreta switchande effektenheter behöver en drivkrets, oavsett om det rör sig om en diskret MOSFET (fälteffekttransistor av kiselmetalloxid), en MOSFET av kiselkarbid (SiC), en IGBT (bipolär transistor med isolerad grind) eller en modul. En drivkrets är en gränssnittskomponent eller "brygga" mellan systemprocessorns utgång med låg spänning och ström som arbetar i en kontrollerad, ofarlig miljö och den switchande enhetens oordnade värld med sina strikta krav på ström, spänning och timing.

Att välja en passande drivkrets för den switchande enheten är en utmaning för konstruktörer på grund av effektenheternas egenheter och oundvikliga parasitärer i krets och layout. Det kräver noggranna överväganden av parametrar för switchkretsens typ (kisel (Si) eller kiselkarbid (SiC)) och tillämpning. Tillverkare av strömförsörjningsenheter föreslår och erbjuder ofta lämpliga drivkretsar, men särskilda faktorer relaterade till drivkretsar måste anpassas till den specifika tillämpningen.

Även om det i de flesta fall finns ett grundläggande logiskt tillvägagångssätt att följa för att göra detta, avgörs några inställningar, som t.ex. värdet på gatedrivkretsens resistor, av en upprepad analys och måste även verifieras genom praktisk testning och utvärdering. Dessa steg kan utöka en redan komplicerad process och fördröja en konstruktion utan tydlig vägledning.

Artikeln diskuterar kortfattat gatedrivkretsens roll. Därefter tillhandahåller den en vägledning för val av drivkrets och de steg som krävs för att garantera kompatibilitet med den valda switchande effektenheten. Exempel på enheter med lägre och högre effekt från Infineon Technologies AG presenteras för att illustrera de viktigaste punkterna, tillsammans med tillhörande utvärderingskort och -satser.

Gatedrivkretsens roll

Enkelt uttryckt är en gatedrivkrets en effektförstärkare som tar emot en ingångssignal med låg nivå och effekt från en styrkrets (vanligtvis en processor) och skapa den lämpliga gatedrivningen med hög ström vid erforderlig spänning för att slå på och stänga av kraftenheten. Bakom den enkla definitionen döljer sig en komplicerad värld av bland annat spänning, ström, svängningshastighet, parasitik, transienter och skydd. Drivkretsen måste motsvara systemets behov och styra switchningen distinkt, utan överslag eller ringningar, även när parasitärer och transienter blir en allt större utmaning när switchningshastigheterna ökar.

Drivkretsar kan användas i olika konfigurationer. Bland de vanligaste är enkla drivkretsar på sekundärsidan, enkla drivkretsar på primärsidan eller dubbla drivkretsar på primär-/sekundärsidan.

I det förstnämnda fallet är effektenheten (switchkretsen) ansluten mellan last och jord medan lasten är ansluten mellan matningen och switchkretsen (figur 1). (Observera att denna jord snarare bör kallas "gemensam" eftersom det inte finns någon egentlig jordpunkt, utan det är en gemensam kretspunkt som definierar värdet för 0 V).

Figur 1: På sekundärsidan är drivkretsen och switchkretsen placerade mellan lasten och kretsens jordpunkt/gemensam punkt. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

På primärsidans kompletterande konstruktion är switchkretsen direkt ansluten till matningen, medan lasten finns mellan switchkretsen och jordpunkten/gemensam punkt (figur 2).

Figur 2: Primärsidans konstruktion byter plats på switchkretsens placering i förhållande till last och matning. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

En annan ofta använd topologi är en kombination av primär-/sekundärsidan som används för att driva två switchkretsar anslutna i en bryggkoppling (figur 3).

Figur 3: I den kombinerade konfigurationen för primär-/sekundärsida drivs två switchkretsar växelvis, med lasten mellan dem. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Hur är det med isolering?

Installation enligt primär-/sekundärsida kräver tillägg av två kretsfunktioner som visas i figur 4:

Figur 4: Installation enligt primär-/sekundärsida kräver även en flytande strömförsörjning för primärsidan och en nivåväxlare för styrsignalen. (Bildkälla: Talema Group)

Den övre (primärsidan) drivkretsen och den switchande enheten "flyter" utan jordreferens, vilket leder till ett annat krav i många installationer med gatedrivkrets/switchkrets; behovet av galvanisk (ohmsk) isolering mellan drivkretsens funktionen och den switchkrets som drivs.

Isolering innebär att det inte finns någon väg för ett elektriskt strömflöde mellan de två sidorna av isoleringsbarriären, men signalinformation måste fortfarande passera genom den. Isolering kan ske med hjälp av optokopplare, transformatorer eller kondensatorer.

Elektrisk isolering mellan olika kretsfunktioner i ett system förhindrar en direkt ledningsväg mellan dem, vilket medför att enskilda kretsar kan ha olika jordpotentialer. Barriären måste tåla hela matningsspänningen (plus en säkerhetsmarginal) som kan variera från tiotals till tusentals volt. De flesta isolatorer är konstruerade så att de lätt klarar kravet på mer än flera tusen volt.

Även om gatedrivkretsar på primärsidan kan kräva isolering för att garantera en korrekt funktion beroende på den specifika topologin, kräver gatedrivkretsar för växelriktare och omvandlare av säkerhetsskäl ofta elektrisk isolering som inte är relaterade till deras "jord"-status. Isolering regleras av bestämmelser och och säkerhetscertifieringsorgan för att förhindra risken för stötar genom att säkerställa att en hög spänning bokstavligen inte kan nå en användare. Den skyddar även elektronik med låg spänning från skador som kan uppstå på grund av fel i högspänningskretsen eller mänskliga misstag på styrsidan.

Många konfigurationer med strömförsörjning kräver en isolerad gatedrivkrets. Det finns exempelvis primär- och sekundärswitchkretsar i topologier för effektomvandling som t.ex. halvbrygga, helbrygga, buck, dubbelswitchning och aktiv låsning i framriktning eftersom sekundärsidans drivkrets inte kan användas för att driva den övre kraftenheten direkt.

De högre effektnivåerna kräver en isolerad gatedrivkrets och "flytande" signaler eftersom de inte har någon anslutning till jordpotentialen; om de hade det skulle de kortsluta den tillhörande drivkretsen och effektswitchen. Detta krav medför, tack vare tekniska framsteg, att det finns gatedrivkretsar som även har införlivat isolering, för att på så sätt eliminera behovet av separata isoleringsanordningar. Detta förenklar i sin tur högspänningslayouten samtidigt som det blir lättare att uppfylla bestämmelserna.

Finjustering av förhållandet mellan drivkretsen och switchkretsen

Gatedrivkretsar måste stödja SiC MOSFET:arnas höga switchningshastigheter, som kan nå en svängningshastighet på 50 kV/µs eller mer och kan växla snabbare än 100 kHz. Kiselenheter drivs med en typisk spänning på 12 V för att slås på och 0 V för att slås av.

Till skillnad från kiselkomponenter behöver en SiC MOSFET +15 till +20 V för att slås på och -5 till 0 V för att slås av. Därför kan de behöva en drivkrets med dubbla ingångar, en för tillslagsspänning och en för frånslagsspänning. SiC MOSFET uppvisar låg på-resistans endast när de drivs med en rekommenderad gate-source-spänning (V_gs) på 18 till 20 V, vilket är betydligt högre än det värde för V_gs på 10 till 15 V som krävs för att driva en MOSFET av kisel eller IGBT.

En annan skillnad mellan kisel och kiselkarbid är att återhämtningsladdningen, Q_rr (reverse recovery charge), för kiselkarbidenhetens inbyggda backdiod är mycket låg. De kräver en gatedrivkrets för hög ström för att snabbt kunna leverera all den gateladdning (Q_g) som krävs.

Det är mycket viktigt att skapa rätt förhållande mellan gatedrivkretsen och switchkretsens grind. Ett viktigt steg här är att bestämma det optimala värdet för gatedrivkretsens externa resistor, betecknad R_G,ext, mellan drivkretsen och den switchande enheten (figur 5). Det finns också en intern resistans för gatedrivkretsen i effektenheten, betecknad R_G,int, som liggeri serie med den externa resistorn, men användaren har ingen kontroll över detta värde, även om det fortfarande är viktigt.

Figur 5: Det är viktigt att fastställa korrekt värde för gatedrivkretsens externa resistor, mellan drivkretsen och effektenheten, för att optimera parets prestanda. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Att konstatera resistansvärdet är en process i fyra steg som vanligtvis innebär upprepning eftersom vissa aspekter av parets prestanda, efter analys och utformning, måste utvärderas "på bänk". I korthet är det allmänna förfarandet följande:

Steg 1: Bestäm toppströmmen (I_g) baserat på värden i datablad och välj en lämplig gatedrivkrets.

Steg 2: Beräkna det värdet på den externa resistorn (R_G,ext) baserat på gatedrivkretsens spänningsvariation i tillämpningen.

Steg 3: Beräkna den förväntade effektförlusten (P_D) för gatedrivkretsen och den externa resistorn.

Steg 4: Validera beräkningarna på bänk för att konstatera om drivkretsen är tillräckligt kraftfull för att driva transistorn och om effektförlusten ligger inom godtagbara gränser:

1. Kontrollera att det inte förekommer några parasitära tillslagshändelser som utlöses av dv/dt-transienter under värsta tänkbara förhållanden.
2. Mät temperaturen på gatedrivkretsen vid stabil drift.
3. Beräkna resistorns toppeffekt och kontrollera den mot dess enpulsklassificering.

Mätningarna kommer att bekräfta om antaganden och beräkningar resulterar i ett säkert switchningsbeteende (ingen oscillation, korrekt timing) för SiC MOSFET:e. Om inte måste konstruktören upprepa steg 1 till 4 med ett justerat värde för gatedrivkretsens externa resistor.

Som med nästan alla tekniska beslut finns det kompromisser mellan flertalet faktorer gällande prestanda när man väljer ett komponentvärde. Om det t.ex. förekommer svängningar kan dessa elimineras genom att ändra värdet på gatedrivkretsens resistor. Om värdet ökas minskar svängningshastigheten för dv/dt, eftersom transistorns hastighet minskar. Ett lägre resistorvärde leder till snabbare switchning av kiselkarbidenheten, vilket leder till högre dv/dt-transienter.

Den större effekten av att öka eller minska värdet på gatedrivkretsens externa resistor vid kritiska överväganden av gatedrivkretsens prestanda visas i figur 6.

Figur 6: Att öka eller minska värdet på gatedrivkretsens externa resistor påverkar många prestandaegenskaper, så konstruktörer måste utvärdera kompromisserna. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Inget behov av att kompromissa

Även om kompromisser är en del av en systemkonstruktion, kan rätt komponenter minska dessa kompromisser avsevärt. Gatedrivkretsen EiceDRIVER från Infineon har till exempel hög energieffektivitet, störningsimmunitet och robusthet. Utöver detta är de dessutom enkla att använda med funktioner som t.ex. snabbt kortslutningsskydd, feldetektering och skydd mot desaturering (DESAT), aktiv Miller-låsning, styrning av svängninghastighet, genomslagsskydd, fel-, avstängnings- och överströmsskydd samt digitala konfigurermöjligheter via I²C.

Drivkretsarna är väl lämpade för effektenheter med både kisel och brett bandgap. De sträcker sig från icke-isolerade drivkretsar med lägre effekt och spänning på sekundärsidan till isolerade enheter för kV/kW. Det finns även drivkretsar med två och ännu fler kanaler som tillhandahåller ett bra alternativ i vissa situationer.

En gatedrivkrets på 25 V för sekundärsidan

Bland de olika enheterna finns 1ED44176N01FXUMA1, en gatedrivkrets på 25 V med en DS-O8-kapsling för sekundärsidan (figur 7). Denna icke-inverterande MOSFET- och IGBT-gatedrivkrets för låg spänning har patenterad CMOS-teknik som är immun mot låsning och möjliggör en robust monolitisk konstruktion. Den logiska ingången är som kompatibel med vanliga CMOS- och LSTTL-utgångar på 3,3, 5 och 15 V, och har ingångar med Schmitt-trigger för att minimera felaktiga aktiveringar, medan drivkretsen för utgången har ett strömbuffertsteg. Den kan driva enheter på 50 A/650 V med upp till 50 kHz och är avsedd för hushållsapparater och infrastruktur som drivs med växelström, som t.ex. värmepumpar.

Figur 7: 1ED44176N01FXUMA1 är en mycket liten gatedrivkrets i DS-08-kapsling för tillämpningar med lägre spänning/effekt och med egenutvecklad CMOS-teknik som är immun mot låsning. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Bland de viktigaste specifikationerna för 1ED44176N01FXUMA1 finns en typisk utgångsgivande pulsad kortslutningsström (<10 µs puls) på 0,8 A vid 0 V, medan den pulsade utgångssänkande kortslutningsströmmen är 1,75 A vid 15 V. Kritiska dynamiska specifikationer inkluderar en till- och frånslagstid på 50 ns (typisk)/95 ns (maximal), medan tillslagets stigningstid är 50/80 ns (typisk/maximal) och frånslagets falltid är 25/35 ns (typisk/maximal).

Anslutningen av 1ED44176N01F är relativt enkel med ett stift för avkänning av överströmsskydd (OCP) och en statusutgång FAULT (figur 8). Det finns också ett särskilt stift för att programmera felavhjälpningstid. Stiftet för EN/FLT måste dras högt för att tillhandahålla normal drift, medan det dras lågt för att inaktivera drivkretsen. Den interna kretsen på stiftet för V_CC tillhandahåller ett underspänningsskydd som håller utgången låg tills matningsspänningen för V_CC är tillbaka i det nödvändiga driftsområdet. Separat jord för logik- och effektkretsarna förbättrar störningsimmuniteten.

Figur 8: Med endast åtta stift är gatedrivkretsen 1ED44176N01F relativt enkel att ansluta till processor och effektenheten. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Även om den är relativt enkelt att ansluta, kan användare av denna gatedrivkrets och tillhörande effektenhet dra nytta av utvärderingskortet EVAL1ED44176N01FTOBO1 (figur 9). Med det här kortet kan konstruktörer välja och utvärdera den strömavkännande förbikopplingsresistorn (R_CS), resistor- och kondensatorfiltret (RC) för OCP- och kortslutningsskyddet samt kondensatorn för felavhjälpningstiden.

Figur 9: Med utvärderingskortet EVAL1ED44176N01FTOBO1 kan konstruktörer ställa in och mäta viktiga nyckeltal vid drift av gatedrivkretsar med en tillhörande effektenhet . (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

SiC MOSFET-gatedrivkrets för hög spänning

På en mycket högre nivå av spänning, än vad gatedrivkretsar avsedda för växelströmsanslutna hushållsapparater och dess kraftenheter hanterar, finns 1EDI3031ASXUMA1, en isolerad, SiC MOSFET-krets på 12 A och med en kanal som är klassificerad för 5 700 V_RMS (figur 10). Drivkretsen är en högspänningsenhet avsedd för motordrivning i fordon på över 5 kW, med stöd för SiC MOSFET:ar på 400, 600 och 1 200 V.

Figur 10: EDI3031AS är en isolerad SiC MOSFET-krets på 12 A med en kanal avsedd för motordrivning i fordon på över 5 kW. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Enheten använder en kärnlös transformatorteknik (CT) från Infineon för att implementera galvanisk isolering (figur 11).

Figur 11: En egenutvecklad kärnfri transformator används för att åstadkomma galvanisk isolering, och visas illustrerad (vänster) och konstruerad (höger). (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Teknologin har flera funktioner. Den medger stora spänningsvariationer på ±2 300 V eller mer, har immunitet mot negativa och positiva transienter samt låga effektförluster. Den har dessutom en extremt robust signalöverföring som är oberoende av common-mode störningar och har stöd för CMTI (common-mode transit immunity) upp till 300 V/ns. Därutöver tillhandahåller den snäva förmedlingsfördröjningen en tolerans och robusthet mot variationer som orsakas av åldrande, ström och temperatur.

Drivkretsen 1EDI3031ASXUMA1 stödjer SiC MOSFET:ar på upp till 1 200 V, har en utspänning från matning till matning med en toppström på 12 A och en typisk fördröjning på 60 ns. Den har en CMTI på upp till 150 V/ns vid 1 000 V, och den integrerade aktiva Miller-låsningen på 10 A stödjer enpolig switchning.

Drivkretsen är avsedd för växelriktare i elfordon (EV), hybridfordon (HEV) och externa växelriktare för båda. Därför har man integrerat flera säkerhetsfunktioner för att stödja ASIL B(D)-klassificeringar, samt produktgodkännande enligt AEC-Q100. Funktionerna inkluderar redundant DESAT och OCP, övervakning av gatedrivkretsen och utgångssteget, genomslagsskydd, övervakning av primär och sekundär matning samt intern övervakning. Grundisoleringen på 8 kV uppfyller VDE V 0884-11:2017-01 och är godkänd enligt UL 1577.

Tack varesin effektnivå, och för att uppfylla fordonsindustrins krav, är drivkretsen 1EDI3031ASXUMA1 så mycket mer än enbart en kraftfull men "dum" enhet. Förutom alla säkerhetsfunktioner implementerar den ett tillståndsdiagram för att garantera korrekt funktion (figur 12). Dess "invasiva" diagnostikfunktioner gör det möjligt att gå in i ett "säkert läge" i händelse av ett systemfel.

Figur 12: Den sofistikerade och självkontrollerande integriteten hos gatedrivkretsen 1EDI3031ASXUMA1 illustreras tydligt av tillståndsdiagrammet för dess driftlägen. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Konstruktörer som arbetar med 1EDI3031ASXUMA1 kan snabbt komma igång med utvärderingskortet 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 för gatedrivkretsserien EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER (figur 13).

Figur 13: Utvärderingskortet 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 för gatedrivkretsserien EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER gör det möjligt för konstruktörer att utvärdera denna drivkrets för hög effekt med en tillhörande effektenhet. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Denna mångsidiga utvärderingsplattform har en konfiguration med en halvbrygga, som visas i figur 14. Den möjliggör montering av antingen IGBT-modulen HybridPACK DSC eller en diskret effektenhet PG-TO247-3.

Bild 14: Utvärderingskortet 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 implementerar en isolerad konstruktion med halvbrygga och kan användas med moduler eller diskreta enheter. (Bildkälla: Infineon Technologies AG)

Utvärderingskortets detaljerade datablad innehåller bland annat schema, materialförteckning, information om hur och var de olika anslutningarna ska monteras, konfigurationsinformation, driftsekvenser och förklaringar till lysdiodsindikeringar.

Sammanfattning

Gatedrivkretsar är det kritiska gränssnittet mellan en digital processorutgång med låg nivå och effekt och de krav på hög nivå och effekt samt hög ström som ställs på kretsen i en effektenhet, som t.ex. en MOSFET av kisel eller kiselkarbid. Korrekt anpassning av drivkretsen till effektenhetens egenskaper och krav är avgörande för en framgångsrik och tillförlitlig switchningskrets för strömförsörjningssystem som t.ex. växelriktare, motorstyrningar och styrenheter för belysning. Som framgår hjälper ett brett utbud av drivkretsar, baserade på flera avancerade och egenutvecklade teknologier med stöd av utvärderingskort och satser, konstruktörer att säkerställa en optimal matchning.

Relaterat innehåll

1. Välj en gatedrivkrets för din MOSFET av kiselkarbid i några få steg
2. Varje switchkrets behöver en drivkrets
3. Urvalsguide 2022 för grinddrivkretsen EiceDRIVER™ från Infineon
4. Gatedrivkretsar: EiceDRIVER™ gatedrivkretsar för MOSFET, IGBT, SiC MOSFET och GaN HEMT
5. AN2018-03 drivkrets för sekundärsidan med överströmsskydd och fel/aktivering Teknisk beskrivning av 1ED44176N01F