Maksimer effektiviteten af styring af strømforsyningsenheder med den rigtige gate-driver effekt-konverter

Fra strømforsyninger og motordriver til ladestationer og et utal af andre applikationer er switching effekt-halvledere såsom silicium (Si), siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) MOSFET'er samt isoleret-gate bipolare transistorer (IGBT'er) nøglen til effektive designs af strømsystemer. For at opnå maksimal ydelse fra strømforsyningsenheden er det dog nødvendigt med en passende gate-driver.

Som navnet antyder, er det denne komponents opgave at drive strømforsyningsenhedens gate og således hurtigt og skarpt sætte den i eller trække den ud af ledningstilstand. Dette kræver, at driveren har evnen til at levere/aflede tilstrækkelig strøm på trods af intern enhed og vildfarende (parasitær) kapacitet, induktans og andre problemer ved belastningen (gate). Derfor er det afgørende at levere en gate-driver af den rette størrelse med de rette nøgleegenskaber for at udnytte strømforsyningsenhedens fulde potentiale og effektivitet. For at få mest muligt ud af gate-driveren skal designeren dog være særlig opmærksom på driverens DC-strømforsyning, som er uafhængig af strømforsyningsenhedens DC-skinne. Denne forsyning svarer til en konventionel forsyning, men med nogle vigtige forskelle. Det kan være en unipolær forsyning, men i mange tilfælde er det en ikke-symmetrisk bipolær forsyning sammen med andre funktionelle og strukturelle forskelle. Designere skal også være opmærksomme på formfaktor med hensyn til printkortets fodaftryk og krav om lav profil samt kompatibilitet med designets planlagte monterings- og fremstillingsprocesser.

Denne artikel fokuserer på strømforsyninger til gate-drivere, idet der som eksempel anvendes SMD DC/DC-strømforsyninger (Surface Mount Device) i Murata Power Solutions MGJ2-serie af 2-watt gate-drive DC/DC-konvertere med gate-drivere.

Start med switch-enheder

En forståelse af den rolle og de ønskede egenskaber ved en gate-driver DC/DC-konverter begynder med koblingsenhederne. For en MOSFET som switch-enhed bruges gate-source stien til at styre enhedens slukket eller tændt tilstand (IGBT'er er er tilsvarende). Når gate-source spændingen er mindre end tærskel-spændingen (V_GS < V_TH), befinder MOSFET'en sig i sit afskæringsområde, der flyder ingen drain-strøm, I_D = 0 ampere (A), og MOSFET'en fremstår som en "åben switch" (figur 1).

Figur 1: I cut-off tilstand ligner MOSFET'ens drain-source sti en åben kontakt. (Billedkilde: Quora)

Omvendt er MOSFET'en i sit mætningsområde, når gate-source spændingen er meget større end tærskel-spændingen (V_GS > V_TH), og den maksimale drain-strøm strømmer (I_D = V_DD /R_L), og MOSFET'en fremstår som en "lukket kontakt" med lav modstand (figur 2). For den ideelle MOSFET ville drain-source spændingen være nul (V_DS = 0 volt), men i praksis er V_DS normalt omkring 0,2 volt på grund af den interne on-modstand R_DS(on), som typisk er under 0,1 ohm (Ω) og kan være så lav som et par ti milliohm.

Figur 2: I mætningstilstand ligner MOSFET'ens drain-source bane en switch med lav modstand. (Billedkilde: Quora)

Skematiske diagrammer får det til at se ud som om, at den spænding, der lægges på gaten, tænder og slukker for MOSFET'en, men det er kun en del af historien. Denne spænding driver strøm ind i MOSFET'en, indtil der er tilstrækkelig akkumuleret ladning til at tænde den. Afhængigt af størrelsen (strømstyrke) og typen af koblingsdriveren kan den strømstyrke, der er nødvendig for hurtigt at gå over i fuldt tændt tilstand, være på blot nogle få milliampere (mA) til flere ampere (A).

Gate-driverens funktion er at føre tilstrækkelig strøm ind i gaten hurtigt og skarpt for at tænde MOSFET'en og trække strømmen ud i omvendt retning for at slukke MOSFET'en. Mere formelt set skal gaten drives fra en source med lav impedans, der kan levere og afgive tilstrækkelig strøm til at sikre hurtig indsættelse og udtagning af den kontrollerende ladning.

Hvis MOSFET-gaten lignede en rent resistiv belastning, ville det være relativt enkelt at få og sænke denne strøm. En MOSFET har imidlertid interne kapacitive og induktive parasitære elementer, og der er også parasitære elementer fra forbindelserne mellem driveren og strømforsyningsenheden (figur 3).

Figur 3: Denne model af en MOSFET viser den parasitære kapacitet og induktans, som påvirker driverens ydeevne. (Billedkilde: Texas Instruments)

Resultatet er en ringning af gate-driver signalet omkring tærskelspændingen, hvilket får enheden til at tænde og slukke en eller flere gange på sin vej til at være helt tændt eller slukket; dette svarer nogenlunde til "switch bounce" i en mekanisk kontakt (figur 4).

Figur 4: Ringning af driverens udgang på grund af parasitære elementer i MOSFET-belastningen kan forårsage ringning og falsk udløsning, svarende til mekanisk switch-bounce. (Billedkilde: Learn About Electronics)

Konsekvenserne varierer fra ubemærket eller blot irriterende i en tilfældig anvendelse som f.eks. at tænde eller slukke for et lys til sandsynlige skader i de meget anvendte PWM-kredsløb (pulsbreddemodulation) med hurtig omskiftning i strømforsyninger, motordriver og lignende delsystemer. Det kan forårsage kortslutninger og endda permanent skade i standard halv- og fuldbro-topologier, hvor belastningen er placeret mellem et øverste og et nederste MOSFET-par, hvis begge MOSFET'er på samme side af broen tændes samtidig, selv i et øjeblik. Dette fænomen er kendt som "shoot-through" (figur 5).

Figur 5: Hvis Q1 og Q2 eller Q3 og Q4 (til venstre) eller Q2 og Q3 (til højre) i modsætning til den normale MOSFET-slukning af Q1 og Q4 (til venstre) eller Q2 og Q3 og Q3 (til højre) tændes samtidig på grund af driverproblemer eller andre årsager, opstår der en uacceptabel og muligvis skadelig kortslutningstilstand kaldet shoot through mellem strømskinnen og jorden. (Billedkilde: Quora)

Detaljer on gate-driveren

For at drive strøm ind i gaten skal spændingen på den positive skinne være høj nok til at sikre fuld mætning/forbedring af strømafbryderen, men uden at overskride den absolut maksimale spænding for dennes gate. Selv om denne spændingsværdi afhænger af den specifikke enhedstype og model, vil IGBT'er og standard-MOSFETS generelt være fuldt tændt med en 15-volts driver, mens typiske SiC-MOSFETS kan have brug for tættere på 20 volt for en fuld tændt tilstand.

Situationen med negativ gate-driver spænding er lidt mere kompliceret. I princippet er det tilstrækkeligt med 0 volt på gaten i slukket tilstand. En negativ spænding, typisk mellem -5 og -10 volt, giver imidlertid mulighed for hurtig omskiftning, der styres af en gate-modstand. Et passende negativt driver sikrer, at gate-emitterens off-spænding altid er nul eller mindre.

Dette er kritisk, fordi enhver emitterinduktans (L) (ved punkt "x" i figur 6) mellem en afbryder og driver-referencen forårsager en modsatrettet gate-emitterspænding, når afbryderen slukker. Selv om induktansen kan være lille, vil selv en meget lille induktans på 5 nanohenries (nH) (et par millimeter ledningsforbindelse) producere 5 volt ved en di/dt slew-rate på 1000 A pr. mikrosekund (A/μs).

Figur 6: Selv en lille emitterinduktans i punkt "x" mellem en switch og driver-referencen på grund af layoutovervejelser kan inducere en modsatrettet gate-emitter spænding, når kontakten slukker, hvilket forårsager "jitter" ved tænd/sluk. (Billedkilde: Murata Power Solutions)

En negativ gate-driverspænding hjælper også med at overvinde effekten af Miller-effektkapacitansen C_m fra kollektor/drain til gate, som injicerer strøm i gate-driverkredsløbet under slukning af enheden. Når enheden slukkes, stiger kollektor-gate spændingen, og en strøm af værdien C_m × dV_ce/dt strømmer gennem Miller-kapacitansen, ind i gate til emitter/source-kapacitansen C_ge og gennem gate-modstanden til driverkredsløbet. Den resulterende spænding V_ge på gaten kan være tilstrækkelig stor til at tænde enheden igen, hvilket kan medføre en mulig gennemslagsspænding og skade (figur 7).

Figur 7: Ved at bruge en negativ gate-drive spænding kan man afhjælpe de mangler, der opstår på grund af Miller-effekt kapacitansen i en MOSFET eller IGBT. (Billedkilde: Murata Power Solutions)

Men ved at køre gaten negativt, minimeres denne effekt. Derfor kræver et effektivt driverdesign både positive og negative spændingsskinner til gate-driver funktionen. I modsætning til de fleste bipolære DC/DC-konvertere, som har symmetriske udgange (f.eks. +5 V og -5 V), er forsyningsskinnerne til gate-driveren normalt asymmetriske med en positiv spænding, der er større end den negative spænding.

Dimensionering af konverterens nominelle effekt

En kritisk faktor er, hvor meget strøm gate-driver konverteren skal levere, og dermed dennes effekt. Den grundlæggende beregning er ret enkel. I hver koblingscyklus skal gaten oplades og aflades gennem gate-modstanden R_g. Enhedens datablad indeholder en kurve for gate-ladningsværdien Q_g, hvor Q_g er den mængde ladning, der skal injiceres i gate-elektroden for at tænde (drive) MOSFET'en ved bestemte gate-spændinger. Den effekt, der skal leveres af DC/DC-konverteren, beregnes ved hjælp af formlen:

Hvor Q_g er gate-ladningen for et valgt gate-spændingsudsving (positiv til negativ) med en værdi V_s og en frekvens F. Denne effekt går tabt i enhedens interne gate-modstand (R_int) og den eksterne seriemodstand R_g. De fleste gate-drivere har brug for en strømforsyning på under en til to watt.

En anden overvejelse er den spidsstrøm (I_pk), der kræves for at oplade og aflade gaten. Dette er en funktion af V_s, R_int, and R_g. Den beregnes ved hjælp af formlen:

I mange tilfælde er denne spidsstrøm mere end DC/DC-konverteren kan levere. I stedet for at gå over til en større, dyrere forsyning (der fungerer ved en lav duty cycle), leverer de fleste designs i stedet strømmen ved hjælp af "bulk"-kondensatorer på driverens forsyningsskinner, som oplades af konverteren i dele af cyklussen med lav strømstyrke.

Grundlæggende beregninger bestemmer, hvor store disse bulkkondensatorer skal være. Det er dog også vigtigt, at de har en lav ækvivalent seriemodstand (ESR) og induktans (ESL), så de ikke hindrer den transiente strøm, de leverer.

Andre overvejelser om gate-driver konvertere

Gate-driver DC/DC-konvertere har andre unikke problemer. Blandt dem er:

• Regulering: Belastningen på DC/DC-konverteren er tæt på nul, når enheden ikke skifter. De fleste konventionelle konvertere har imidlertid brug for en minimumsbelastning på alle tidspunkter; ellers kan deres udgangsspænding stige dramatisk, muligvis op til gate breakdown-niveauet.

Det, der sker, er, at denne høje spænding lagres på bulk-kondensatorerne, således at når enheden begynder at skifte, kan den opleve en gate-overspænding, indtil konverterniveauet falder under normal belastning. Der bør derfor anvendes en DC/DC-konverter med fastspændte udgangsspændinger eller meget lave krav til minimumsbelastning.

• Opstart og nedlukning: Det er vigtigt, at IGBT'er og MOSFET'er ikke drives aktivt af PWM-styresignalerne, før spændingsskinnerne i driverkredsløbet har nået deres angivne værdier. Når gate-drive konverterne er tændt eller slukket, kan der imidlertid opstå en forbigående tilstand, hvor enhederne kan blive tændt - selv med PWM-signalet inaktivt - hvilket kan føre til gennemslag og skade. Derfor skal DC/DC-konverterens udgange have en god opførsel ved op- og nedkobling med monoton stigning og fald (figur 8).

Figur 8: Det er afgørende, at DC/DC-konverterens udgange opfører sig godt under op- og nedkobling og ikke har spændingstransienter. (Billedkilde: Murata Power Solutions)

• Isolations- og koblingskapacitans: Ved høj effekt bruger strøm-invertere eller konvertere typisk en brokonfiguration til at generere netfrekvens-AC eller til at levere tovejs PWM-drift til motorer, transformatorer eller andre belastninger. Af hensyn til brugerens sikkerhed og for at opfylde lovmæssige krav skal gate-driver PWM-signalet og de tilhørende driverstrømskinner for høj-side switchene være galvanisk isoleret fra jord uden nogen ohmsk sti mellem dem. Desuden skal isolationsbarrieren være robust og må ikke vise nogen væsentlig forringelse som følge af gentagne delvise afladningseffekter i løbet af konstruktionens levetid.

Desuden er der problemer på grund af kapacitiv kobling på tværs af isolationsbarrieren; dette svarer til lækstrømmen mellem primær- og sekundærviklingen i en fuldt isoleret AC-transformator. Dette medfører krav om, at driverkredsløbet og de tilhørende strømskinner skal være immune over for switch-knudepunktets høje dV/dt og have en meget lav koblingskapacitans.

Mekanismen bag dette problem skyldes de meget hurtige skiftningskanter, typisk 10 kilovolt pr. mikrosekund (kV/μs), og endda så højt som 100 kV/μs for de nyeste GaN-enheder. Denne hurtigt svingende dV/dt forårsager en transient strømflow gennem kapacitansen i DC/DC-konverterens isolationsbarriere.

Da strøm I = C x (dV/dt), resulterer selv en lille barrierekapacitet på kun 20 picofarads (pF) med 10 kV/μs skift i en strøm på 200 mA. Denne strøm finder en ubestemt returvej gennem styreenhedens kredsløb tilbage til broen, hvilket forårsager spændingsspidser på tværs af forbindelsesmodstande og induktanser, som kan forstyrre driften af styreenheden og den lige DC/DC-konverter. En lav koblingskapacitans er derfor meget ønskværdig.

Der er et andet aspekt af den grundlæggende isolation og den tilhørende isolering af DC/DC-konverteren. Isolationsbarrieren er konstrueret til at kunne modstå den nominelle spænding kontinuerligt, men da spændingen skiftes, kan barrieren potentielt nedbrydes hurtigere over tid. Dette skyldes elektrokemiske og delvise udladningseffekter i barriere materialet, som udelukkende ville opstå som følge af en fast DC-spænding.

DC/DC-konverteren skal derfor have en robust isolering og generøse krybe- og luftdistancer. Hvis konverterbarrieren også er en del af et sikkerhedsisolationssystem, gælder de relevante myndigheders forskriftsmæssige mandater for det krævede isolationsniveau (grundlæggende, supplerende, forstærket), driftsspænding, forureningsgrad, overspændingskategori og højde.

Af disse grunde er kun DC/DC-konvertere med gate-driver og passende design og materialer anerkendt eller er ved at blive anerkendt i henhold til UL60950-1 for forskellige grundlæggende og forstærkede beskyttelsesniveauer (og som generelt svarer til dem i EN 62477-1:2012); der er også indført eller ved at blive anerkendt en strengere anerkendelse i henhold til den medicinske standard ANSI/AAMI ES60601-1 med 1 × krav til patientbeskyttelse (MOPP) og 2 × krav til operatørbeskyttelse (MOOP).

• Immunitet over for common-mode transienter: CMTI er en vigtig gate-driver-parameter ved højere koblingsfrekvenser, hvor gate-driveren har en differentiel spænding mellem to separate jordreferencer, som det er tilfældet for isolerede gate-drivere. CMTI er defineret som den maksimale tolerable stigning eller faldhastighed af den commen-mode spænding, der anvendes mellem to isolerede kredsløb, og er angivet i kV/µs eller volt pr. nanosekund (V/ns).

En høj CMTI betyder, at de to sider af et isoleret arrangement - sendesiden og modtagersiden - overskrider specifikationerne i databladet, når de "rammer" isolationsbarrieren med et signal med en meget høj stigning (positiv) eller fald (negativ) slew-rate. DC/DC-konverterens datablad bør have en specifikationsværdi for denne parameter, og designere skal tilpasse den til specifikationerne for driftsfrekvensen og spændingen i deres kredsløb.

Opfyldelse af krav til gate-driver DC/DC-konvertere

Murata erkender de mange udfordrende og ofte modstridende krav til gate-drive DC/DC-konvertere og har derfor udvidet deres MGJ2-serie af gennemgående DC/DC-konvertere til også at omfatte SMD DC/DC-enheder. Deres konvertere er velegnede til at forsyne IGBT'ernes og MOSFET'ernes høj-side- og lav-side gate-drive kredsløb i applikationer med begrænset plads og vægt på grund af deres ydeevne, kompakte formfaktor og lave profil (ca. 20 mm lang × 15 mm bred × 4 mm høj) og kompatibilitet med SMD-fremstillingsprocesser (figur 9).

Figur 9: Alle enheder i Murata MGJ2-serien af DC/DC-konvertere har samme ydre udseende og størrelse, men de er tilgængelig med en række forskellige værdier for indgangsspænding og bipolære udgangsspændingsparringer. (Billedkilde: Murata Power Solutions)

Medlemmerne af denne familie af 2-watt konvertere fungerer fra nominelle indgange på 5, 12 og 15 volt og tilbyder et udvalg af asymmetriske udgangsspændinger (+15 volt/-5 volt, +15 volt/-9 volt og +20 volt/-5 volt udgange) for at understøtte optimale driver niveauer med den højeste systemeffektivitet og minimal elektromagnetisk interferens (EMI). Den overflademonterede indpakning letter den fysiske integration med gate-driverne og muliggør tættere placering, hvilket reducerer kompleksiteten af ledningsføring og samtidig minimerer EMI- eller radiofrekvensinterferens (RFI) opsamling.

MGJ2-serien er specificeret til de høje krav til isolering og dV/dt, der er nødvendige for de brokredsløb, der anvendes i motordriver og invertere, og den industrielle temperaturklassificering og konstruktion giver lang levetid og pålidelighed. Andre vigtige egenskaber omfatter:

• Forstærket isolering i henhold til UL62368 anerkendelse (på vej)
• ANSI/AAMI ES60601-1 anerkendelse (på vej)
• 5,7 kV DC-isolationstestspænding (pr. "hi pot"-test)
• Ultralav isolationskapacitans
• Drift op til +105 °C (med derating)
• Beskyttelse mod kortslutninger
• Karakteriseret immunitet over for common-mode transienter (CMTI) >200 kV/µs
• Kontinuerlig barriere-modstandsspænding på 2,5 kV
• Karakteriseret ydeevne ved delvis afladning

To enheder viser det ydelsesområde, der er tilgængeligt i MGJ2-serien:

• MGJ2D152005MPC-R7 tager en nominel 15-volt indgang (13,5 til 16,5 volt) og leverer meget asymmetriske udgange på +20 volt og -5,0 volt ved op til 80 mA hver. De vigtigste specifikationer omfatter 9 % og 8 % belastningsregulering (maksimum) for de to udgange (henholdsvis), ripple og støj under 20/45 mV (typisk/maksimalt), effektivitet på 71/76 % (minimum/typisk), isolationskapacitet på kun 3 pF og MTTF (Mean Time to failure) på ca. 1100 kilohours (kHrs) (bestemt ved hjælp af MIL-HDBK-217 FN2) og 43.500 kHrs (ifølge Telecordia SR-332 beregningsmodeller).

• MGJ2D121509MPC-R7 fungerer fra en nominel 12-volts indgang (10,8 volt til 13,2 volt) og giver asymmetriske udgange på +15 volt og -9,0 volt, også ved op til 80 mA. Andre vigtige specifikationer omfatter 8 %/13 % belastningsregulering (typisk/maksimalt) for +15-volt-udgangen og 7 %/12 % belastningsregulering (typisk/maksimalt) for -9,0 volt-udgangen, ripple og støj under 20/45 mV (typisk/maksimalt), effektivitet på 72/77 % (minimum/typisk), isolationskapacitans på 3 pF og MTTF på ca. 1550 kHrs (ved hjælp af MIL-HDBK-217 FN2) og 47.800 kHrs (Telecordia-modeller).

Ud over de forventede lister og grafer, der beskriver statisk og dynamisk ydeevne, nævner det fælles datablad for medlemmerne af denne serie de mange industristandarder og lovkrav, som disse konvertere opfylder, sammen med omfattende oplysninger om de tilhørende testbetingelser, der anvendes til at bestemme disse faktorer. Dette giver en højere grad af tillid og fremskynder produktcertificering i applikationer med strenge overholdelseskrav.

Konklusion

Valg af den rette MOSFET- eller IGBT-enhed til et switching effekt-design er et skridt i designprocessen. Der er også den tilhørende gate-driver, som styrer koblingsenheden og skifter den hurtigt og skarpt mellem tændt og slukket tilstand. Driveren har til gengæld brug for en passende DC/DC-konverter til at levere sin driftseffekt. Som det fremgår, tilbyder Muratas MGJ2-serie af 2-watts overflademonterede DC/DC-konvertere den nødvendige elektriske ydeevne og opfylder også de mange komplicerede sikkerheds- og lovkrav, der kræves i denne funktion.