Sådan vælger du og kommer i gang med effektenheddrivere

Alle diskrete koblingseffektenheder har brug for en driver, uanset om enheden er en diskret MOSFET (silicon metal oxide silicon field effect transistor), SiC MOSFET (silicon carbide), IGBT (insulated gate bipolar transistor) eller et modul. Driveren er grænsefladekomponenten eller "broen" mellem lavspændings- og lavstrømsudgangen fra systemprocessoren, der fungerer i et kontrolleret, godartet scenarie, og koblingsenhedens barske verden med dens strenge krav til strøm, spænding og timing.

At vælge den rette driver til koblingsenheden er en udfordring for designere på grund af effektenhedens idiosynkrasier og uundgåelige parasitter i kredsløbet og layoutet. Det kræver nøje overvejelse af parametrene for koblingstypen (silicium (Si) eller siliciumcarbid (SiC)) og anvendelsen. Producenter af effektenheder foreslår ofte og tilbyder endda passende drivere, men nogle driverrelaterede faktorer skal justeres til applikationens specifikationer.

Mens der i de fleste tilfælde er en grundlæggende logisk procedure at følge for at gøre dette, bestemmes nogle af indstillingerne, såsom værdien af gate-drive-modstanden, af en iterativ analyse og skal også verificeres ved praktisk test og evaluering. Disse trin kan øge en allerede kompleks proces og forsinke et design uden klar vejledning.

Denne artikel diskuterer kort gate-driverens rolle. Derefter giver den en guide til valg af driver og de trin, der er nødvendige for at sikre kompatibilitet med den valgte strømafbryderenhed. Den introducerer eksemplariske enheder med lavere og højere effekt fra Infineon Technologies AG for at illustrere de vigtigste punkter sammen med tilhørende evalueringskort og -kits.

Gate-driverens rolle

Kort fortalt er en gate-driver en effektforstærker, der modtager et input med lavt niveau og lav effekt fra en controller-IC (normalt en processor) og producerer det passende højstrømsgate-drive med den nødvendige spænding til at tænde og slukke for strømforsyningen. Bag den simple definition gemmer der sig en kompleks verden af blandt andet spænding, strøm, slew-rates, parasitstrømme, transienter og beskyttelse. Driveren skal matche systemets behov og drive strømafbryderen skarpt uden at overstyre eller ringe, selv om parasitstrømme og transienter bliver en stadig større udfordring, efterhånden som skiftehastighederne stiger.

Driverne kan bruges i forskellige konfigurationer. Blandt de mest almindelige er en enkel lav side driver, enkel høj side driver og dobbelt høj side/lav side driver.

I det første tilfælde er strømenheden (kontakten) forbundet mellem belastningen og jord, mens belastningen er mellem forsyningsskinnen og kontakten (figur 1). (Bemærk, at denne jord mere korrekt burde kaldes "common", da der ikke er nogen egentlig jordforbindelse, men i stedet er et fælles kredsløbspunkt, der definerer 0 volt-punktet).

Figur 1: I lav side-konfigurationen er driveren og koblingen placeret mellem belastningen og kredsløbets jord/common. (Billedkilde: Infineon Technologies AG)

I det komplementære høj side-arrangement er koblingen direkte forbundet til strømskinnen, mens belastningen er mellem koblingen og jord/common (figur 2).

Figur 2: Høj side-konfigurationen vender om på koblingens placering i forhold til belastningen og strømskinnen. (Billedkilde: Infineon Technologies AG)

En anden udbredt topologi er høj side/lav side-parringen, der bruges til at drive to koblinger forbundet i et broarrangement (figur 3).

Figur 3: I den kombinerede høj side/lav side-parring drives to koblinger skiftevis med belastningen imellem dem. (Billedkilde: Infineon Technologies AG)

Hvad med isolation?

Høj/lav-arrangementet kræver tilføjelse af to kredsløbsfunktioner, som vist i figur 4:

Figur 4: Høj side/lav side-arrangementet kræver også en flydende strømforsyning til høj side og en niveauskifter til styresignalet. (Billedkilde: Talema Group)

Den øverste (høj side) driver og koblingsenheden er "flydende" uden en jordreference, hvilket fører til et andet krav i mange gate-driver/effektkoblingsarrangementer: behovet for galvanisk (ohmsk) isolation mellem driverfunktionen og den drevne kobling.

Isolering betyder, at der ikke er nogen elektrisk vej for strøm mellem de to sider af isolationsbarrieren, men signalinformation stadig skal passere gennem den. Denne isolation kan opnås ved hjælp af optokoblere, transformatorer eller kondensatorer.

Elektrisk isolation mellem forskellige funktionskredsløb i et system forhindrer en direkte ledningsvej mellem dem, hvilket gør det muligt for individuelle kredsløb at have forskellige jordpotentialer. Barrieren skal kunne modstå den fulde skinnespænding (plus en sikkerhedsmargin), som kan variere fra ti til tusindvis af volt. De fleste isolatorer opfylder nemt kravet om flere tusinde volt plus.

Mens høj side gate-drivere kan kræve isolation for at sikre korrekt drift afhængigt af den specifikke topologi, kræver gate-drive-kredsløb til effektomformere og -konvertere ofte elektrisk isolation af sikkerhedsmæssige årsager, der ikke er relateret til deres "jord"-status. Isolering er påbudt af myndigheder og sikkerhedscertificeringsorganer for at forhindre stødfare ved at sikre, at en højspænding bogstaveligt talt ikke kan nå en bruger. Den beskytter også lavspændingselektronikken mod skader som følge af fejl i højspændingskredsløbet og menneskelige fejl på kontrolsiden.

Mange konfigurationer af strømforsyninger kræver et isoleret gate-drive-kredsløb. For eksempel er der høje og lave koblinger i effektkonvertertopologier som halvbro, fuldbro, buck, to-kobling forward og ACF (Active Clamp Forward), fordi lav side drivere ikke kan bruges til at drive den øverste effektenhed direkte.

De øverste effektenheder kræver en isoleret gate-driver og "flydende" signaler, fordi de ikke har nogen forbindelse til jordpotentialet; hvis de havde, ville de kortslutte deres komplementære driver og strømafbryder. Som et resultat af dette krav, og takket være teknologiske fremskridt, findes der gate-drivere, som også indeholder isolation, hvilket eliminerer behovet for separate isolationsenheder. Det forenkler højspændingslayoutet og gør det lettere at overholde lovkravene.

Finjustering af forholdet mellem driver og koblingsenhed

Gate-driver-IC'er skal understøtte de høje skiftehastigheder for SiC MOSFET'er, som kan nå en slew-rate på 50 kilovolt pr. mikrosekund (kV/µs) eller mere og kan skifte hurtigere end 100 kilohertz (kHz). Si-enheder drives med en typisk spænding på 12 volt for at tænde og bruger 0 volt for at slukke.

I modsætning til Si-enheder skal SiC MOSFET'er normalt bruge +15 til +20 volt for at tænde og -5 til 0 volt for at slukke. Derfor kan de have brug for en driver-IC med to indgange, en til tændingsspændingen og en til slukningsspændingen. SiC MOSFETs udviser kun lav tændingsmodstand, når de drives af en anbefalet gate-source-spænding (V_gs) på 18 til 20 volt, hvilket er betydeligt højere end den V_gs-værdi på 10 til 15 volt, der er nødvendig for at drive Si MOSFET’er eller IGBT’er.

En anden forskel mellem Si og SiC er, at den omvendte genvindingsladning (Q_rr) i SiC-enhedens "freewheeling" intrinsiske diode er ret lav. De kræver et højstrøms gate-drive for hurtigt at levere den fulde nødvendige gate-ladning (Q_g).

Det er afgørende at etablere det rette forhold mellem gate-driveren og koblingsenhedens gate. Et vigtigt skridt her er at bestemme den optimale værdi af den eksterne gate-modstand, betegnet som R_G,ext, mellem driveren og koblingsenheden (figur 5). Der er også en intern gate-modstand i strømforsyningen, betegnet som R_G,int, som er i serie med den eksterne modstand, men brugeren har ingen kontrol over denne værdi, selvom den stadig er vigtig.

Figur 5: Det er vigtigt at bestemme den korrekte værdi for den eksterne gate-modstand mellem driveren og strømenheden for at optimere parrets ydeevne. (Billedkilde: Infineon Technologies AG)

At bestemme denne modstandsværdi er en firetrinsproces, der normalt involverer iteration, da nogle aspekter af parrets ydeevne skal evalueres "på bænken" efter analyse og modellering. I korte træk er den generelle procedure:

Trin 1: Bestem spidsstrømmen (I_g) ud fra værdierne i databladet, og vælg en passende gate-driver.

Trin 2: Beregn værdien af den eksterne gate-modstand (R_G,ext) baseret på applikationens gate-spændingssving.

Trin 3: Beregn det forventede effekttab (P_D) for gate-driver-IC'en og den eksterne gate-modstand.

Trin 4: Valider beregningerne på bænken for at afgøre, om driveren er kraftig nok til at drive transistoren, og om strømforbruget er inden for de tilladte grænser:

1. Kontrollér, at der ikke er parasitstrømme tændingshændelser udløst af dv/dt-transienter under worst-case-betingelser.
2. Mål temperaturen på gate-driver IC'en under steady-state drift.
3. Beregn spidseffekten for modstanden, og kontroller den i forhold til dens enkeltpuls-klassificering.

Disse målinger vil bekræfte, om antagelserne og beregningerne resulterer i sikker koblingsadfærd (ingen svingninger, korrekt timing) for SiC MOSFET'en. Hvis ikke, skal designeren gentage trin 1 til 4 med en justeret værdi for den eksterne gate-modstand.

Som med næsten alle tekniske beslutninger er der afvejninger mellem flere præstationsfaktorer, når man vælger en komponentværdi. Hvis der f.eks. er svingninger, kan man fjerne dem ved at ændre værdien af gate-modstanden. Hvis værdien øges, reduceres dv/dt's svingningshastighed, da transistorhastigheden sænkes. En lavere modstandsværdi vil føre til hurtigere kobling af SiC-enheden, hvilket fører til højere dv/dt-transienter.

Den bredere effekt af at øge eller mindske værdien af den eksterne gate-modstand på kritiske gate-driver-ydelsesovervejelser er vist i figur 6.

Figur 6: At øge eller mindske værdien af den eksterne gate-modstand påvirker mange ydelsesegenskaber, så designere skal vurdere kompromiserne. (Billedkilde: Infineon Technologies AG)

Ingen grund til at gå på kompromis

Selv om kompromiser er en del af systemdesignet, kan de rigtige komponenter reducere disse kompromiser betydeligt. For eksempel giver Infineons EiceDRIVER gate driver-IC'ers høj strømeffektivitet, støjimmunitet og robusthed. Desuden er de nemme at bruge med funktioner som hurtig kortslutningsbeskyttelse, DESAT-fejldetektering og -beskyttelse, aktiv Miller-clamp, slew-rate-kontrol, shoot-through-beskyttelse, fejl-, nedluknings- og overstrømsbeskyttelse samt digital I²C-konfigurering.

Driverne er velegnede til både silicium- og wide-bandgap effektenheder. De spænder fra ikke-isolerede lav side drivere med lavere effekt og spænding til isolerede kilovolt/kilowatt (kV/kW)-enheder. Der findes også to- og flerkanalsdrivere, som er en god mulighed i nogle situationer.

En 25 volt lav side gate-driver

Blandt enhederne er 1ED44176N01FXUMA1 en 25 volt lav side gate-driver i en DS-O8-pakke (figur 7). Denne lavspændings effekt-MOSFET og IGBT ikke-inverterende gate-driver har proprietære latch-immune CMOS-teknologier, der muliggør den robuste monolitiske konstruktion. Logikindgangen er kompatibel med standard 3,3, 5 og 15 volt CMOS- eller LSTTL-udgange og omfatter Schmitt-triggerede indgange for at minimere falske signaludløsninger, mens udgangsdriveren har et strømbuffertrin. Den kan drive enheder på 50 ampere (A)/650 volt ved op til 50 kHz og er målrettet vekselstrømsdrevne husholdningsapparater og infrastruktur som f.eks. varmepumper.

Figur 7: 1ED44176N01FXUMA1 er en miniature gate-driver i en DS-08-pakke til applikationer med lavere spænding/effekt, som har proprietære latch-immune CMOS-teknologier. (Billedkilde: Infineon Technologies AG)

Blandt 1ED44176N01FXUMA1's vigtigste specifikationer er en typisk kortslutningspulsstrøm (<10 µsek. puls) på 0,8 A ved 0 volt, mens kortslutningspulsstrømmen er 1,75 A ved 15 volt. Kritiske dynamiske specifikationer omfatter en tænd- og sluk-tid på 50 nanosekunder (ns) (typisk)/95 ns (maksimum), mens tænd-stigetiden er 50/80 ns (typisk/maksimum), og sluk-faldtiden er 25/35 ns (typisk/maksimum).

Tilslutning af 1ED44176N01F er relativt ligetil, med et ben til overstrømsbeskyttelse (OCP) og en FEJL-statusudgang (figur 8). Der er også et dedikeret ben til programmering af fejlrettelsestid. EN/FLT-benet skal trækkes op for at sikre normal drift, mens det deaktiveres, hvis det trækkes ned. Internt kredsløb på V_CC-benet giver beskyttelse mod underspænding, der holder udgangen lav, indtil V_CC-forsyningsspændingen er tilbage inden for det krævede driftsområde. Separate logik- og strømjordinger forbedrer støjimmuniteten.

Figur 8: Med kun otte ben er gate-driveren 1ED44176N01F relativt nem at forbinde til processoren og strømforsyningen. (Billedkilder: Infineon Technologies AG)

Selvom den er relativt nemt at tilslutte, kan brugere af denne gate-driver og dens tilhørende strømforsyningsenhed drage fordel af evalueringskortet EVAL1ED44176N01FTOBO1 (figur 9). Ved hjælp af dette kort kan designere vælge og vurdere den strømfølsomme shuntmodstand (R_CS), modstanden og kondensatorfilteret (RC) til OCP- og kortslutningsbeskyttelse og fejlsletningskondensatoren.

Figur 9: Evalueringskortet EVAL1ED44176N01FTOBO1 giver designere mulighed for at indstille og måle vigtige gate-driver-driftspunkter med en tilhørende koblingsenhed. (Billedkilder: Infineon Technologies AG)

Højspændings SiC MOSFET gate-driver

På et meget højere spændingsniveau end AC-line gate-driveren til husholdningsapparater og dens strømforsyninger er 1EDI3031ASXUMA1, en isoleret, enkeltkanals 12 A SiC MOSFET gate-driver, der er klassificeret til 5700 V_RMS (figur 10). Denne driver er en højspændingsenhed designet til automotive motordrev på over 5 kW, som understøtter SiC MOSFET'er på 400, 600 og 1200 volt.

Figur 10: EDI3031AS er en isoleret, enkeltkanals 12 A SiC MOSFET-gate designet til automotive motordrev på over 5 kW. (Billedkilder: Infineon Technologies AG)

Enheden bruger Infineons kerneløse transformerteknologi (CT) til at implementere galvanisk isolation (figur 11).

Figur 11: En proprietær kerneløs transformer bruges til at give galvanisk isolation, vist illustreret (venstre) og som konstrueret (højre). (Billedkilder: Infineon Technologies AG)

Denne teknologi har flere funktioner. Den tillader store spændingsudsving på ±2300 volt eller mere, er immun over for negative og positive transienter og har et lavt effekttab. Derudover har den en ekstremt robust signaloverførsel, der er uafhængig af common-mode-støj og understøtter common-mode transit immunitet (CMTI) op til 300 volt/ns. Desuden giver den tætte matching af udbredelsesforsinkelsen tolerance og robusthed uden variationer på grund af ældning, strøm og temperatur.

Driveren 1EDI3031ASXUMA1 understøtter SiC MOSFET'er op til 1200 volt og har rail-to-rail-udgang med 12 A spidsstrøm og en typisk udbredningsforsinkelse på 60 ns. Den har en CMTI på op til 150 V/ns ved 1000 volt, og den integrerede aktive Miller-clamp på 10 A understøtter unipolær kobling.

Denne særlige driver er rettet mod traktionsinvertere til elektriske køretøjer (EV'er), hybrid EV'er (HEV'er) og hjælpeinvertere til begge dele. Af denne grund har den integreret flere sikkerhedsfunktioner, der understøtter ASIL B(D)-klassificering samt produktvalidering i henhold til AEC-Q100. Disse funktioner omfatter redundant DESAT og OCP, overvågning af gate- og udgangstrin, shoot-through-beskyttelse, overvågning af primær og sekundær forsyning og intern overvågning. Den grundlæggende 8 kV-isolering opfylder VDE V 0884-11:2017-01 og er UL 1577-anerkendt.

På grund af dens effektniveau og for at opfylde automotive krav er 1EDI3031ASXUMA1-driveren meget mere end en kraftig, men "dum" enhed. Ud over alle sikkerhedsfunktionerne implementerer den et tilstandsdiagram for at sikre korrekt funktionalitet (Figur 12). Dens "påtrængende" diagnostiske funktioner giver mulighed for at gå ind i en "sikker tilstand" i tilfælde af systemfejl.

Figur 12: 1EDI3031ASXUMA1 gate-driverens sofistikerede og selvkontrollerende integritet illustreres tydeligt af tilstandsdiagrammet for dens driftstilstande. (Billedkilde: Infineon Technologies AG)

Designere, der arbejder med 1EDI3031ASXUMA1, kan hurtigt komme i gang med 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1-evalueringskortet til EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER gate-driver-familien (figur 13).

Figur 13: Evalueringskortet 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 til EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER gate-driver-familien giver designere mulighed for at vurdere denne højeffekt-driver med en tilhørende effekt-enhed. (Billedkilder: Infineon Technologies AG)

Denne alsidige evalueringsplatform har en halvbro-konfiguration, som vist i figur 14. Det gør det muligt at montere enten HybridPACK DSC IGBT-modulet eller en diskret PG-TO247-3-strømforsyningsenhed.

Figur 14: 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1-evalueringskortet implementerer et isoleret halvbro-arrangement og kan bruges med moduler eller diskrete enheder. (Billedkilder: Infineon Technologies AG)

Det detaljerede datablad for dette evalueringskort indeholder bl.a. skemaet, materialelisten, detaljer om, hvordan og hvor de forskellige forbindelser skal tilsluttes, konfigurationsdetaljer, driftssekvenser og LED-indikatorer.

Konklusion

Gate-drivere er den kritiske grænseflade mellem et digitalt processoroutput med lavt niveau og lavt strømforbrug og de høje krav til høj effekt og -strøm, som gaten i en strømforsyningsanordning som en Si eller SiC MOSFET stiller. Korrekt tilpasning af driveren til strømenhedens egenskaber og krav er afgørende for et vellykket, pålideligt koblingskredsløb til strømsystemer som invertere, motordrev og belysningscontrollere. Som vist hjælper et bredt og dybt udvalg af drivere, baseret på flere avancerede og proprietære teknologier og understøttet af evalueringskort og -kits, designere med at sikre en optimalt match.

Relateret indhold

1. Vælg en gate-driver til din siliciumcarbid-MOSFET i få trin
2. Enhver kobling har brug for en driver
3. Infineon EiceDRIVER™ gate-driver IC'er udvælgelsesvejledning 2022
4. Gate-driver-IC'er: EiceDRIVER™ gate-driver IC'er til MOSFET'er, IGBT'er, SiC MOSFET'er og GaN HEMT'er
5. AN2018-03 lav side driver med overstrømsbeskyttelse og fejl/aktivering 1ED44176N01F Teknisk beskrivelse