Maximera effektiviteten i styrningen av strömförsörjningsenheter med rätt effektomvandlare för gatedrivkretsen

Switchande halvledare som MOSFET:ar av kisel, kiselkarbid och galliumnitrid (GaN) samt bipolära transistorer med isolerad grind (IGBT) är nyckeln till effektiva kraftsystem, i allt från strömförsörjning och motordrift till laddningsstationer och otaliga andra tillämpningar. Men för att uppnå maximal prestanda från strömförsörjningen behövs en lämplig gatedrivkrets.

Som namnet antyder är denna komponents uppgift att driva eller sänka strömförsörjningens gate och på så sätt, aktivera eller inaktivera det ledande läget snabbt och tydligt. För att göra detta krävs att drivkretsen har förmågan att förse eller ta emot tillräckligt med ström trots den interna enheten och parasitär kapacitans, induktans och andra problem vid belastningen (gaten). Därför är det viktigt att tillhandahålla en korrekt dimensionerad gatedrivkrets med lämpliga egenskaper för att kunna utnyttja strömförsörjningen fulla potential och effektivitet. För att få ut det mesta av gatedrivkretsen måste konstruktören dock ägna särskild uppmärksamhet åt drivkretsens likspänningsförsörjning, som är oberoende av strömförsörjningens likströmsmatningar. Den här strömförsörjningen liknar en vanlig strömförsörjning, men med några viktiga skillnader. Den kan vara en unipolär strömförsörjning, men i många fall är det en icke-symmetrisk bipolär strömförsörjning, tillsammans med andra funktionella och strukturella skillnader. Konstruktörer måste även vara uppmärksamma på formatet vad det gäller kortets krav på utrymme och låg profil samt kompatibilitet med konstruktionens avsedda monterings- och tillverkningsprocesser.

Artikeln kommer att fokusera på strömförsörjningar för gatedrivkretsar, med användning av ytmonterade DC/DC-strömförsörjningar i serien MGJ2 med 2 W DC/DC-omvandlare för gatedrivkretsar från Murata Power Solutions som exempel.

Börja med switchande enheter

Förståelsen av rollen och de önskade egenskaperna hos gatedrivkretsens DC/DC-omvandlar börjar med switchningsenheterna. När det gäller en MOSFET som switchande enhet används ledningen via gate-source för att styra enhetens avslagna eller tillslagna tillstånd (IGBT:er beter sig på liknande sätt). När spänningen mellan gate och source är lägre än tröskelspänningen (V_GS < V_TH) befinner sig MOSFET:en i sitt avslagna område, ingen drain-ström flödar, I_D = 0 A, och MOSFET:en verkar som en "öppen strömbrytare" (figur 1).

Figur 1: I avslaget läge ser MOSFET:ens ledning via drain-source ut som en öppen strömbrytare. (Bildkälla: Quora)

Och omvänt, när spänningen mellan gate och source är mycket högre än tröskelspänningen (V_GS > V_TH) befinner sig MOSFET:en i sitt mättnadsområde, den maximala drain-strömmen flödar (I_D = V_DD /R_L) och MOSFET:en ser ut som en "sluten strömbrytare" med låg resistans (figur 2). För den perfekta MOSFET:en skulle spänningen mellan drain och source vara noll (V_DS = 0 V), men i praktiken är V_DS vanligtvis omkring 0,2 V på grund av den interna resistansen R_DS(on) i tillslaget läge, som vanligtvis är mindre än 0,1 Ω och kan vara så låg som några tiotals milliohm.

Figur 2: I mättat läge ser MOSFET:ens ledning via drain-source ut som en strömbrytare med låg resistans. (Bildkälla: Quora)

Även om schematiska diagram får det att se ut som om spänningen som läggs på grinden slår till och från MOSFET:en så är det bara halva sanningen. Spänningen driver ström in i MOSFET:en tills det finns tillräckligt med ackumulerad laddning för att slå till den. Beroende på storleken (strömstyrka) och typen av switchningsdrivning kan den ström som krävs för att snabbt gå in i ett fullt tillslaget tillstånd vara bara några mA till flera A.

Gatedrivkretsens uppgift är att snabbt och tydligt driva in tillräckligt med ström i gaten för att slå till MOSFET:en, och att dra ut strömmen i omvänd riktning för att slå från MOSFET:en. Mer formellt sett måste gaten drivas från en källa med låg impedans som kan skapa och sänka tillräckligt med ström för att snabbt föra in och ut den kontrollerande laddningen.

Om MOSFET:ens gate såg ut som en rent resistiv belastning skulle det vara relativt enkelt att skapa och sänka denna ström. En MOSFET har dock interna kapacitiva och induktiva parasitelement, och det finns även parasitelement i kopplingarna mellan drivkretsen och strömförsörjningen (figur 3).

Figur 3: Denna modell av en MOSFET visar den parasitära kapacitansen och induktansen som påverkar drivkretsens prestanda. (Bildkälla: Texas Instruments)

Resultatet är en ringning av gatedrivkretsens signal kring tröskelspänningen, vilket får enheten att slås till och från en eller flera gånger på sin väg mot att vara helt till eller från. Detta är i viss mån analogt med "kontaktstuds" i en mekanisk strömbrytare (figur 4).

Figur 4: Ringning på drivkretsens utgång på grund av parasitelement i MOSFET:ens belastning, kan orsaka ringning och falsk utlösning, vilket liknar kontaktstudsarna i en mekanisk strömbrytare. (bildkälla: Learn About Electronics)

Konsekvenserna varierar från obemärkta eller bara irriterande i en enkel tillämpning som t.ex. att tända eller släcka en lampa, hela vägen till sannolika skador i de allmänt använda snabbswitchande kretsarna för pulsbreddsmodulering (PWM) i strömförsörjningar, motordrivningar och liknande delsystem. Det kan orsaka kortslutningar och till och med permanenta skador i de vanliga halv- och helbryggetopologierna där belastningen placeras mellan ett övre och ett undre MOSFET-par om båda MOSFET:arna på samma sida av bryggan slås på samtidigt, även för ett ögonblick. Detta fenomen kallas "genomslag" (figur 5).

Figur 5: I motsats till det normala MOSFET-tillslaget av Q1 och Q4 (vänster) eller Q2 och Q3 (höger), uppstår ett oacceptabelt och möjligen skadligt kortslutningstillstånd som kallas "genomslag" mellan strömmatningen och jord, om Q1 och Q2 eller Q3 och Q4 i bryggan aktiveras samtidigt på grund av problem med drivkretsen eller andra orsaker, (Bildkälla: Quora)

Information om gatestyrning

För att driva ström till gaten bör spänningen för den positiva matningen vara tillräckligt hög för att garantera full mättnad/förstärkning av strömswitchningen, men utan att överskrida den absoluta maximala spänningen för dess gate. Även om spänningsvärdet är en funktion av den specifika enhetstypen och modellen, kommer IGBT:er och vanliga MOSFET:ar i allmänhet att vara helt tillslagna med en drivning på 15 V, medan typiska SiC MOSFET:ar kan behöva närmare 20 V för att vara helt tillslagna.

Situationen med negativ spänning för gatestyrning är lite mer komplicerad. I princip räcker det med 0 V på grinden för ett frånslaget tillstånd. En negativ spänning, vanligtvis mellan -5 och -10 V, möjliggör dock snabb omkoppling som styrs av ett grindmotstånd. En lämplig negativ drivning garanterar att spänningen över gate-emitter i avslaget läge, alltid är noll eller mindre.

Detta är kritiskt eftersom varje emitterinduktans (L) (vid punkt "x" i figur 6) mellan en switch och drivkretsens referens orsakar en motsatt gate-emitterspänning när switchen stängs av. Även om induktansen må vara liten, kommer även en mycket liten induktans på 5 nH (några millimeter trådbunden anslutning) att producera 5 V vid en di/dt-svängningshastighet på 1000 A/μs.

Figur 6: Även en liten emitterinduktans i punkt "x" mellan en switch och drivkretsens referens på grund av layoutöverväganden kan inducera en motsatt gate-emitterspänning när switchen stängs av, vilket orsakar "jitter" vid tillslag/frånslag. (Bildkälla: Murata Power Solutions)

En negativ spänning för gatedrivkretsen gör det även lättare att hantera effekten av Miller-effektkapacitansen C_m från kollektor/drain-till-gate, som injicerar ström i gatedrivkretsen när enheten är frånslagen. När enheten är frånslagen, stiger spänningen mellan kollektor-gate och en ström med värdet C_m × dV_ce/dt flödar genom Miller-kapacitansen, in i gaten till emitter/source-kapacitansen C_ge, och genom gatemotståndet till drivkretsen. Den resulterande spänningen V_ge vid gaten kan vara tillräcklig för att slå till enheten igen, vilket kan leda till ett genomslag och skador (figur 7).

Figur 7: Genom att använda en negativ spänning för gatestyrning kan man övervinna de brister som uppstår på grund av Miller-effektkapacitansen i en MOSFET eller IGBT. (Bildkälla: Murata Power Solutions)

Genom att driva gaten negativt minimeras dock denna effekt. Av denna anledning kräver en effektiv konstruktion av en drivkrets både positiva och negativa spänningsmatningar för gatedrivkretsens funktion. Till skillnad från de flesta bipolära DC/DC-omvandlare som har symmetriska utgångar (som t.ex. +5 V och -5 V) är dock matningarna för gatedrivkretsen vanligtvis asymmetriska med en positiv spänning som är större än den negativa spänningen.

Dimensionering av omvandlarens nominella effekt

En kritisk faktor är hur mycket ström gatedrivkretsens omvandlare måste tillhandahålla, och därmed dess märkeffekt. Den grundläggande beräkningen är ganska enkel. I varje switchningscykel måste gaten laddas och laddas ur genom grindmotståndet R_g. I enhetens datablad finns en kurva för gateladdningens värde Q_g, där Q_g är den laddningsmängd som måste injiceras i gatens elektrod för att slå till (driva) MOSFET:en vid specifika gatespänningar. Den effekt som måste tillhandahållas av DC/DC-omvandlaren går att få fram med hjälp av formeln:

Där Q_g är gateladdningen för en vald svängning av gatespänningen (positiv till negativ), med värdet V_s och vid frekvensen F. Denna effekt går förlorad i enhetens interna gatemotstånd (R_int) och det externa seriemotståndet R_g. De flesta gatedrivkretsar kräver en strömförsörjning på mindre än en till två Watt.

En annan aspekt är den toppström (I_pk) som krävs för laddning och urladdning av gaten. Detta är en funktion av V_s, R_int, and R_g. Den beräknas med följande formel:

I många fall är denna toppström mer än vad DC/DC-omvandlaren kan leverera. Istället för att använda en större och dyrare strömförsörjning (som arbetar med en låg arbetscykel), levererar de flesta konstruktioner strömmen med hjälp av bulkkondensatorer på drivspänningens matningar, som laddas av omvandlaren under delar av cykeln med låg strömstyrka.

Grundläggande beräkningar avgör hur stora dessa bulkkondensatorer måste vara. Det är dock även viktigt att de har ett lågt ekvivalent seriemotstånd (ESR) och en låg induktans (ESL) för att inte hindra den transienta ström som de levererar.

Andra överväganden kring omvandlare för gatedrivkretsar

DC/DC-omvandlare för gatedrivkretsar har andra unika problem. Bland dem finns:

• Reglering: Belastningen på DC/DC-omvandlaren är nära noll när enheten inte switchar. De flesta konventionella omvandlare behöver dock alltid en lägsta belastning, annars kan deras utspänning öka dramatiskt, eventuellt upp till nivån för gatens brytnivå.

Vad som händer är att den höga spänningen lagras i bulkkondensatorerna, vilket innebär att när enheten börjar switcha kan den få en överspänning vid gaten tills omvandlarens nivå sjunker under normal belastning. En DC/DC-omvandlare som har låsta utspänningar eller mycket låga krav på minimibelastning bör därför användas.

• Start och avstängning: Det är viktigt att IGBT:er och MOSFET:ar inte drivs aktivt av PWM-styrsignaler förrän drivkretsens spänningsmatningar har uppnått sina angivna värden. Men när omvandlarna för gatestyrningen slås till eller från kan det uppstå ett transient tillstånd där enheter kan drivas till att slås på - även om PWM-signalen är inaktiv - vilket leder till genomslag och skador. Därför bör DC/DC-omvandlarens utgångar bete sig väl vid start och avstängning med monoton ökning och minskning (figur 8).

Figur 8: Det är viktigt att DC/DC-omvandlarens utgångar beter sig väl vid till- och frånslag och inte har spänningstransienter. (Bildkälla: Murata Power Solutions)

• Isolerings- och avkopplingskapacitans: Vid hög effekt använder effektväxelriktare eller omvandlare vanligtvis en bryggkonfiguration för att generera växelström med nätfrekvens, eller för att tillhandahålla dubbelriktad PWM-drivning till motorer, transformatorer eller andra belastningar. För användarens säkerhet och för att uppfylla lagkrav måste PWM-signalen för gatedrivkretsen och tillhörande drivkraftsmatningar för primärsidans switchar vara galvaniskt isolerade från jord utan någon ohmsk väg mellan dem. Dessutom måste isoleringsbarriären vara robust och inte uppvisa någon betydande försämring på grund av upprepade partiella urladdningseffekter under konstruktionens livslängd.

Det finns dessutom problem på grund av kapacitiv avkoppling genom isoleringsbarriären; detta motsvarar läckströmmen mellan primär- och sekundärlindningarna i en fullt isolerad växelströmstransformator. Detta leder till krav på att drivkretsen och tillhörande strömmatningar måste vara immuna mot switchnodens höga dV/dt och ha en mycket låg kopplingskapacitans.

Mekanismen för detta problem beror på de mycket snabba flankerna vid switchning, vanligtvis 10 kV/μs, och till och med så mycket som 100 kV/μs för de senaste GaN-enheterna. Denna snabbt svängande dV/dt orsakar ett transient strömflöde genom kapacitansen i DC/DC-omvandlarens isoleringsbarriär.

Eftersom strömmen I = C x (dV/dt), kan även en liten barriärkapacitans på bara 20 pF med 10 kV/μs switchning medföra ett strömflöde på 200 mA. Strömmen hittar en obestämd returväg genom styrkretsen tillbaka till bryggan, vilket orsakar spänningsspikar över anslutningsmotstånd och induktanser, vilket kan störa styrenhetens och till och med DC/DC-omvandlarens funktion. En låg kopplingskapacitans är därför mycket önskvärd.

Det finns en annan aspekt av grundläggande isolering och tillhörande isolering av DC/DC-omvandlaren. Isoleringsbarriären är konstruerad för att klara den nominella spänningen kontinuerligt, men eftersom spänningen är switchad kan barriären potentiellt försämras snabbare med tiden. Detta beror på elektrokemiska och partiella urladdningseffekter i barriärmaterialet som skulle uppstå enbart som ett resultat av en fast likspänning.

DC/DC-omvandlaren måste därför ha robust isolering och generösa minimiavstånd för krypning och luftspalter. Om omvandlarens barriär även utgör en del av ett system för säkerhetsisolering gäller relevanta myndigheters föreskrifter för den nivå av isolering som krävs (grundläggande, kompletterande, förstärkt), driftsspänning, föroreningsgrad, överspänningskategori och höjd.

Av dessa skäl har endast DC/DC-omvandlare med gatestyrning och lämplig konstruktion och lämpliga material godkänts eller är på väg att godkännas enligt UL60950-1 för olika grundläggande och förstärkta skyddsnivåer (och som i allmänhet är likvärdiga med dem som anges i EN 62477-1:2012). Strängare godkännanden finns också eller är på väg att godkännas enligt den medicinska standarden ANSI/AAMI ES60601-1 med krav på 1 × medel för patientskydd (MOPP) och 2 × medel för operatörsskydd (MOOP).

• Immunitet mot transienter i common mode-läge: CMTI är en viktig parameter för gatedrivkretsar vid högre kopplingsfrekvenser där gatedrivkretsen har en differentiell spänning mellan två separata jordreferenser, vilket är fallet för isolerade gatedrivkretsar. CMTI definieras som den maximalt tolerabla hastigheten för ökning eller minskning av den gemensamma spänningen mellan två isolerade kretsar och anges i kV/µs eller V/ns.

Ett högt CMTI-värde innebär att de två sidorna av ett isolerat arrangemang - sändarsidan och mottagarsidan - överskrider specifikationerna i databladet när de "träffar" isoleringsbarriären med en signal som har en mycket hög stigande (positiv) eller fallande (negativ) ändringshastighet. Databladet för DC/DC-omvandlaren bör ha ett specifikationsvärde för denna parameter, och konstruktörer måste anpassa det till specifika egenskaper för driftfrekvensen och spänningen i deras krets.

Uppfylla kraven på DC/DC-omvandlare för gatedrivkretsar

Murata är medveten om de många utmanande och ofta motstridiga kraven på DC/DC-omvandlare för gatestyrning och har därför utökat sin serie MGJ2 med DC/DC-omvandlare för genomgående hål till att även omfatta ytmonterade DC/DC-enheter. Deras omvandlare är väl lämpade för att driva primär- och sekundärsidans gatedrivkretsar för IGBT:er och MOSFET:ar i tillämpningar med begränsat utrymme och vikt tack vare deras prestanda, kompakta format och låga profil (ca 20 x 15 x 4 mm (l x b x h)) samt kompatibilitet med tillverkningsprocesser för ytmontering (figur 9).

Figur 9: Alla enheter i serien MGJ2 med DC/DC-omvandlare från Murata har samma utseende och storlek, men de finns med en mängd olika ingångsspänningar och bipolära utgångsspänningar. (Bildkälla: Murata Power Solutions)

Medlemmarna i denna familj omvandlare på 2 W arbetar från nominella ingångar på 5, 12 och 15 V och erbjuder ett urval av asymmetriska utgångsspänningar (+15 V/-5 V, +15 V/-9 V och +20 V/-5 V) för att stödja optimala drivningsnivåer med högsta möjliga systemeffektivitet och minimal elektromagnetisk störning (EMI). De ytmonterade kapslingarna underlättar den fysiska integrationen med gatedrivkretsarna och möjliggör en närmare placering, vilket minskar ledningskomplexiteten samtidigt som EMI- och radiofrekvensstörningar (RFI) minimeras.

Serien MGJ2 är specificerad för de höga krav på isolering och dV/dt som krävs för bryggkretsar som används i motordrivningar och växelriktare, och den industriella temperaturklassningen och konstruktionen ger lång livslängd och tillförlitlighet. Andra viktiga egenskaper är:

• Förstärkt isolering enligt UL62368-godkännande (väntar på godkännande)
• Godkännande enligt ANSI/AAMI ES60601-1 (väntar på godkännande)
• 5,7 kV DC isoleringstestspänning (per "hi pot"-test).
• Extremt låg isoleringskapacitans
• Drift upp till +105 °C (med korrigering)
• Kortslutningsskydd
• Karakteriserad immunitet mot transienter i common mode (CMTI) >200 kV/µs
• Kontinuerlig barriärspänning på 2,5 kV.
• Karaktäriserad prestanda vid partiell urladdning

Två enheter visar det prestandautbud som finns i serien MGJ2:

• MGJ2D152005MPC-R7 tar emot en nominell inspänning på 15 V (13,5 till 16,5 V) och levererar väldigt asymmetriska utspänningar på +20 V och -5 V med upp till 80 mA vardera. De viktigaste specifikationerna omfattar 9 % och 8 % belastningsreglering (maximalt) för de två utspänningarna, rippel och brus under 20/45 mV (typiskt/maximalt), verkningsgrad på 71/76 % (minimalt/typiskt), isoleringskapacitans på endast 3 pF och MTTF (mean time to failure) på cirka 1100 kHrs (konstaterat med MIL-HDBK-217 FN2) och 43 500 kHrs (enligt beräkningsmodellerna Telecordia SR-332).

• MGJ2D121509MPC-R7 arbetar från en nominell inspänning på 12 V (10,8 V till 13,2 V) och ger asymmetriska utspänningar på +15 V och -9 V, även vid upp till 80 mA. Andra viktiga specifikationer är 8 %/13 % belastningsreglering (typiskt/maximalt) för utspänningen på +15 V och 7 %/12 % belastningsreglering (typiskt/maximalt) för utspänningen på -9 V, rippel och brus under 20/45 mV (typiskt/maximalt), verkningsgrad på 72/77 % (minimum/typiskt), isoleringskapacitans 3 pF och MTTF på cirka 1550 kHrs (med MIL-HDBK-217 FN2) och 47 800 kHrs (Telecordia-modeller).

Utöver de förväntade listorna och diagrammen som beskriver statisk och dynamisk prestanda, anger det gemensamma databladet för medlemmarna i serien de många industristandarder och lagkrav som omvandlarna uppfyller, tillsammans med omfattande uppgifter om de tillhörande testförhållanden som använts för att fastställa dessa faktorer. Det ger en högre grad av förtroende och påskyndar produktcertifieringen i tillämpningar med strikta krav på överensstämmelse.

Sammanfattning

Att välja lämplig MOSFET- eller IGBT-enhet för en switchande strömförsörjningskonstruktion är ett steg i konstruktionsprocessen. Det finns även en associerad gatedrivkrets som styr switchningsenheten och som snabbt och tydligt växlar mellan till- och frånslaget läge. Drivkretsen behöver i sin tur en lämplig DC/DC-omvandlare för sin strömförsörjning. Serien MGJ2 med DC/DC-omvandlare på 2 W från Murata har den elektriska prestanda som krävs och uppfyller dessutom de många komplicerade säkerhets- och regelverkskrav som krävs för denna funktion.