İzole Kapı Sürücülerinin Kullanımına Yönelik Tasarım Kılavuzları

Üç parçalı tasarım kılavuzu, güç elektroniği uygulamalarında güç anahtarlama cihazları için uygun izole edilmiş kapı sürücüsünün nasıl seçileceğini açıklar ve pratik deneyimleri paylaşır. Bu makale, esas olarak izole edilmiş kapı sürücülerinin tanıtımı ve seçim kılavuzunu içeren ilk bölümdür.

Bu makalenin referans adresi:

ON Semiconductor'un izole edilmiş kapı sürücüleri, MOSFET'lerin güvenilir kontrolünü sağlamak için SiC (silisyum karbür) ve GaN (galyum nitrür) gibi teknolojilerin gerektirdiği maksimum anahtarlama hızı ve sistem boyutu kısıtlamalarını karşılamak üzere tasarlanmıştır. Güç elektroniği endüstrisindeki birçok tasarımcı, Si MOSFET'ler, SiC ve GaN MOSFET'lerle çalışma konusunda kapsamlı deneyime sahiptir ve uzman kullanıcılardır. Sistem üreticileri, tasarımlarının enerji verimliliğini artırmakla giderek daha fazla ilgilenmektedir. Pazarda lider bir konuma ulaşmak için, yüksek enerji verimliliği ve düşük maliyetin birleşimi çok önemlidir. Yarı iletken malzemeler açısından, alan önemli ilerleme kaydetmiştir ve artık yüksek hızlarda anahtarlama yapabilen, böylece boyutu azaltırken sistem düzeyinde verimliliği artıran ürünler bulunmaktadır.

İzole Kapı Sürücüleri--Bunlar nelerdir, neden kullanılırlar ve nasıl çalışırlar?

Güç MOSFET'leri, güç devrelerinde, motor sürücülerinde ve diğer sistemlerde anahtarlama elemanları olarak kullanılan voltaj kontrollü cihazlardır. Kapı, her cihazın elektriksel olarak izole edilmiş kontrol terminalidir. Bir MOSFET'in diğer terminalleri kaynak ve drenajdır.

Bir MOSFET'i çalıştırmak için, genellikle kapıya (kaynak veya emitöre karşıt olarak) bir voltaj uygulanması gerekir. Güç cihazının kapısına voltaj uygulamak ve sürücü akımı sağlamak için özel bir sürücü kullanılır.

Kapı sürücüleri güç aygıtlarını açmak ve kapatmak için kullanılır. Bunu yapmak için, kapı sürücüsü güç aygıtının kapısını son açma voltajı VGS(AÇIK)'a şarj eder veya sürücü devresi kapıyı son kapatma voltajı VGS(KAPALI)'ya boşaltır. İki kapı voltaj seviyesi arasında dönüşüm yapmak için, kapı sürücüsü, kapı direnci ve güç aygıtı arasındaki döngüde bir miktar güç harcanır.

Günümüzde düşük ve orta güç uygulamaları için yüksek frekanslı dönüştürücüler öncelikle MOSFET'ler gibi kapı gerilimi kontrol cihazlarını kullanmaktadır.

Yüksek güç uygulamaları için, şu anda kullanımda olan en iyi cihazlar, bu güç anahtarlarını hızla açıp kapatmak için daha yüksek sürücü akımları gerektiren silikon karbür (SiC) MOSFET'lerdir. Kapı sürücüleri yalnızca MOSFET'ler için değil, aynı zamanda yalnızca birkaç kişinin şu anda farkında olduğu geniş bant aralığındaki yeni cihazlar için de uygundur, örneğin silikon karbür (SiC) FET'ler ve galyum nitrür (GaN) FET'ler.

Bir kapı sürücüsü, bir kontrol IC'sinden giriş alan ve bir güç anahtarlama cihazının kapısını sürmek için uygun yüksek akımı üreten bir güç amplifikatörüdür.

Kapı sürücülerinin kullanılmasının nedenlerinin kısa bir özeti aşağıdadır:

Kapı sürücü empedansı

Kapı sürücüsünün işlevi, kayıpları azaltmak için güç cihazlarını hızla açıp kapatmaktır. Miller etkisi veya belirli yükler altında yavaş anahtarlama nedeniyle oluşan çapraz iletim kayıplarını önlemek için, sürücü karşıt transistördeki açık durumdan daha düşük bir empedansla kapalı durumu oluşturmalıdır. Negatif kapı sürücü marjı, bu kayıpları azaltmada önemli bir rol oynar.

Kaynak endüktansı

Bu, kapı sürücü akım döngüsü ve çıkış akım döngüsü tarafından paylaşılan endüktansdır. Kaynak uç endüktansı ile birleştirilmiş negatif kapı sürücü voltaj marjı, yük altında çıkışın anahtarlama hızı üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir; bu, kaynak endüktansının kaynak bozulma etkisidir (kaynak uç endüktansı, çıkış anahtarlama akımını kapı sürücüsüne geri bağlar ve böylece kapı sürücüsünü yavaşlatır).

Kapı sürücüsü, Şekil 1'de gösterildiği gibi, yüksek akım darbesi verirken güç MOSFET'inin kapısı (G) ile kaynağı (S) arasına bir voltaj sinyali (VGS) uygular.

·CGS ve CGD'nin hızlı şarj/deşarjını sağlar

·Hızlı açma/kapama güç MOSFET'i

Şekil 1. Kapı sürücü akım yolu

Neden Galvanik İzolasyon?

Yüksek güç uygulamaları, gürültüye neden olabilecek ve iki devrenin topraklarının farklı potansiyellerde olmasına ve dolayısıyla sistemin güvenliğini tehlikeye atabilecek tehlikeli toprak döngülerinin tetiklenmesini önlemek için galvanik izolasyon gerektirir. Bu tür sistemlerdeki akımlar insanlar için ölümcül olabilir, bu nedenle en yüksek güvenlik seviyesi sağlanmalıdır. Elektriksel veya galvanik izolasyon, farklı potansiyellerdeki iki nokta arasında DC akımının dolaşmadığı durumu ifade eder.

Daha kesin olarak, galvanik izolasyon durumunda, taşıyıcıları bir noktadan diğerine taşımak imkansızdır, ancak elektrik enerjisi (veya sinyaller) elektromanyetik indüksiyon, kapasitif kuplaj veya ışık gibi diğer fiziksel fenomenler aracılığıyla hala değiştirilebilir. Bu durum, iki nokta arasındaki sonsuz bir dirence eşdeğerdir; pratikte, yaklaşık 100 MΩ'a kadar dirençler yeterlidir. Hasar elektronik bileşenlerle sınırlıysa, güvenlik izolasyonu gerekli olmayabilir, ancak kontrol tarafında insan faaliyeti söz konusuysa, yüksek güç tarafı ile düşük voltaj kontrol devresi arasında galvanik izolasyon gerekir. Yüksek voltaj tarafındaki herhangi bir arızaya karşı koruma sağlar, çünkü bileşenlerde hasar veya arıza olsa bile, izolasyon bariyeri gücün kullanıcıya ulaşmasını önler. İzolasyon, elektrik çarpması riskini önlemek için düzenleyici kurumlar ve güvenlik sertifikasyon kuruluşları tarafından zorunludur. Aşağıda, birçok güç uygulamasında galvanik izolasyonun kullanım nedenleri ve yöntemlerinin bir özeti verilmiştir.

· Ekipmanlara zarar veren veya insanları tehlikeye atan yüksek voltaj dalgalanmalarını önleyin ve güvenli bir şekilde bunlara karşı koyun.

· Pahalı kontrol cihazlarını koruyun - akıllı sistemler

· Yüksek enerjili veya uzun mesafeli devrelerde büyük potansiyel farklarını ve yıkıcı toprak döngülerini tolere edin

· Yüksek voltajlı yüksek performanslı yüksek taraf bileşenleriyle güvenilir bir şekilde iletişim kurun

Çözümler

Şekil 2. İzole olmayan ve izole edilmiş

İzole Kapı Sürücüsü Seçim Kılavuzu

Aşağıda, izole edilmiş bir kapı sürücüsünün nasıl seçileceği açıklanmaktadır. Örneğin, daha düşük çalışma voltajına sahip bir sistem için, denetleyicinin dayanım voltajı izin verilen aralıkta olduğu sürece anahtarlama cihazı doğrudan denetleyiciye bağlanabilir. Ancak, kapı sürücüsü çoğu güç dönüştürücüsünde ortak bir bileşendir. Kontrol devresi düşük bir voltajda çalıştığı için, denetleyici güç anahtarını hızlı ve güvenli bir şekilde açmak veya kapatmak için yeterli güç sağlayamaz. Bu nedenle, denetleyicinin sinyali daha yüksek güce dayanabilen ve gerektiğinde MOSFET'in kapısını sürebilen kapı sürücüsüne gönderilir. Yüksek güç veya yüksek voltaj uygulamalarında, devredeki bileşenler büyük voltaj sapmalarına ve yüksek akımlara maruz kalır. Güç MOSFET'inden kontrol devresine akım sızarsa, güç dönüştürme devresindeki yüksek voltaj ve akım transistörü kolayca yakabilir ve kontrol devresinin ciddi şekilde bozulmasına neden olabilir. Ek olarak, yüksek güç uygulamalarında, kullanıcıları ve diğer cihazları korumak için giriş ve çıkış arasında galvanik izolasyon olmalıdır.

Kapı Sürücü Voltaj Aralığı

Dönüştürücünün çalışma voltajı, anahtarlama elemanının (Si MOSFET veya SiC MOSFET gibi) özelliklerine bağlıdır. Dönüştürücü çıkış voltajının, anahtarlama elemanının kapı voltajının maksimum değerini aşmadığı doğrulanmalıdır.

Kapı sürücüsünün pozitif voltajı, kapının tamamen açık olduğundan emin olmak için yeterince yüksek olmalıdır. Ayrıca, sürücü voltajının mutlak maksimum kapı voltajını aşmamasını sağlamak gerekir. Si-MOSFET'ler genellikle +12V'luk bir sürücü voltajı kullanır, +15V genellikle SiC'yi sürmek için kullanılır ve GaN için kapı voltajı +5V'tur. 0-V'luk bir kapı voltajı tüm cihazları kapalı durumda tutabilir. Genel olarak konuşursak, MOSFET'ler bazen SiC ve GaN MOSFET'ler için kullanılan negatif önyargı kapı sürücüsüne ihtiyaç duymaz. Anahtarlama uygulamalarında, yüksek di/dt ve dv/dt anahtarlama sırasında ideal olmayan PCB düzeni tarafından getirilen parazitik endüktans, güç transistörünün kapı-kaynak sürücü voltajında ​​çınlamaya neden olabileceğinden, SiC ve GaN MOSFET'ler için negatif önyargı kapı sürücüsünün kullanılması şiddetle önerilir. Her bir anahtarlama cihazı için geçerli kapı sürücü voltajları aşağıdadır.

Yalıtım yeteneği

Bu kapasite, sistemin çalışma voltajı tarafından belirlenir. Sistem çalışma voltajı, izolasyon kapasitesiyle doğru orantılıdır. İzole edilmiş bir kapı sürücüsünün temel parametrelerinden biri izolasyon voltajı derecesidir. İzolasyon derecesi, beklenmeyen voltaj geçişlerinin güç kaynağına bağlı diğer devrelere zarar vermesini önlemek için tasarlanmıştır, bu nedenle doğru izolasyon derecesine sahip olmak, kullanıcıyı potansiyel olarak zararlı akım deşarjlarından korumak için önemlidir. Ek olarak, bu derece dönüştürücü içindeki sinyallerin gürültü veya beklenmeyen ortak mod voltaj geçişleri tarafından bozulmasını önler. İzolasyon değeri genellikle izolasyon bariyerinin dayanabileceği voltaj miktarı olarak ifade edilir. Çoğu izole edilmiş kapı sürücüsü veri sayfasında, izolasyon voltajı, maksimum tekrarlayan tepe izolasyon voltajı (VIORM), çalışma izolasyon voltajı (VIOWM), maksimum geçiş izolasyon voltajı (VIOTM), maksimum dalgalanma izolasyon voltajı (VIOSM) ve RMS izolasyon voltajı (VISO) gibi parametreler olarak listelenir. Sistem çalışma voltajı ne kadar yüksekse, dönüştürücünün izolasyon kapasitesinin de o kadar yüksek olması gerekir.

ON Semiconductor'un izole kapı sürücüleri bir MPS test cihazında (model MSPS-20) üretim testinden geçirilir.

Yalıtım kapasitansı

Yalıtım kapasitansı, dönüştürücünün giriş ve çıkış tarafları arasındaki parazitik kapasitanstır. Aşağıdaki formülden, yalıtım kapasitansının kaçak akımla orantılı olduğunu görebiliriz.

Bunlar arasında: Ileak: kaçak akım, fS: çalışma frekansı, CISO: izolasyon kapasitansı. VSYS: sistem çalışma voltajı

Güç kaybı kaçak akımla orantılıdır. Sistemin yüksek çalışma frekansında ve yüksek voltajda çalışması gerekiyorsa, aşırı sıcaklık artışını önlemek için dönüştürücü izolasyon kapasitansının boyutuna daha fazla dikkat etmemiz gerekir.

Ortak mod geçici bağışıklık (CMTI)

Ortak mod geçici bağışıklık (CMTI), özellikle sistem yüksek anahtarlama frekanslarında çalıştığında, izole edilmiş kapı sürücüleriyle ilişkilendirilen ana özelliklerden biridir. Bu önemlidir çünkü yüksek eğim oranı (yüksek frekans) geçicileri, izolasyon bariyeri boyunca veri iletimini bozabilir. İzolasyon bariyeri boyunca kapasitans (yani, izolasyon toprak düzlemleri arasında), bu hızlı geçicilerin izolasyon bariyerini geçmesi ve çıkış dalga formunu bozması için bir yol sağlar. Bu karakteristik parametrenin birimi genellikle kV/uS'dir.

CMTI yeterince yüksek değilse, yüksek güç gürültüsü izole edilmiş kapı sürücüsü boyunca birleşerek bir akım döngüsü oluşturabilir ve anahtar kapısında yük oluşmasına neden olabilir. Bu yük yeterince büyükse, kapı sürücüsünün bu gürültüyü bir sürücü sinyali olarak yanlış yorumlamasına neden olabilir ve bu geçiş ciddi devre arızasına neden olabilir.

Mevcut Sürücü Kapasitesi Hususları

Kısa bir zaman diliminde kaynaklanabilen/batabilen kapı akımı ne kadar yüksek olursa, kapı sürücüsünün anahtarlama süresi o kadar kısa olur ve sürülen transistördeki anahtarlama güç kaybı o kadar düşük olur.

Şekil 3'te görüldüğü gibi, tepe kaynak ve batık akımları (ISOURCE ve ISINK), ortalama akımlardan (IG, AV) daha yüksek olmalıdır.

Şekil 3. Mevcut sürücü kapasitesi tanımı

Her sürücü akım değeri için, gösterilen sürede anahtarlanabilecek yaklaşık maksimum kapı şarjı QG aşağıdaki şekilde hesaplanabilir: Gerekli sürücü akım değeri, anahtarlama sırasında ortalama kapı akımı IG olduğundan, ne kadar kapı şarjının ne kadar tSW−ON/OFF anahtarlama süresinde hareket ettirilmesi gerektiğine bağlıdır.

tSW,ON/OFF MOSFET'in ne kadar hızlı anahtarlanması gerektiğini temsil eder. Bilinmiyorsa, anahtarlama periyodu tSW'nin %2'siyle başlayın.

Yaklaşık kapı sürücüsü tepe kaynak ve batıcı akımları aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanabilir.

Açık (Kaynak Akımı)

Kapalıyken (batma akımı)

Burada QG, VGS'deki kapı yüküdür=VCC, tSW, AÇIK/KAPALI=anahtar açma/kapama süresi, 1.5=deneysel olarak belirlenen faktör (sürücü giriş aşaması ve parazitik bileşenler aracılığıyla gecikmelerden etkilenir)

Kapı Direnci Hususları

Kapı direncini boyutlandırırken, parazitik endüktans ve kapasitansın neden olduğu çınlama voltajını azaltmayı düşünmek önemlidir. Ancak, bu, kapı sürücü çıkışının akım kapasitesini sınırlayacaktır. Açma ve kapama kapı dirençleri nedeniyle sınırlı akım kapasitesi değerleri aşağıdaki formüller kullanılarak elde edilebilir.

Bunlar arasında: ISOOURCE: tepe kaynak akımı, ISINK: tepe batma akımı, VOH: yüksek seviyeli çıkış voltaj düşüşü, VOL: düşük seviyeli çıkış voltaj düşüşü

ON Semiconductor'un İzole Kapı Sürücüleri

ON Semiconductor, anahtarlama hızlarının çok yüksek olduğu ve sistem boyutu kısıtlamalarının bulunduğu uygulamalar için uygun, entegre manyetik olarak bağlanmış çekirdeksiz trafo bazlı çeşitli izole kapı sürücüleri sunar ve Si MOSFET'leri ve SiC FET'leri güvenilir bir şekilde kontrol edebilir.

UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 ve CQC GB 4943.1 sertifikalı fonksiyonel ve güçlendirilmiş izolasyon ürünleri sunuyoruz. İzole kapı sürücülerimiz hem endüstriyel hem de otomotiv sertifikalı ürünleri içerir.

Bu izole edilmiş kapı sürücüleri, yüksek CMTI seviyelerine dayanacak çeşitli özellikleri bir araya getirir, birden fazla UVLO seçeneğine sahiptir ve hızlı yayılma gecikmeleri (kısa gecikme uyumsuzlukları dahil) ve minimum darbe genişliği bozulması sağlar.

Özellikle, ON Semiconductor'un yaklaşan yeni ürünleri, SiC MOSFET'leri sürmek için uygun olan kapı sürücü döngüsünde negatif önyargı oluşturmak için basit bir yöntem sağlayacaktır. Bu negatif önyargı, PCB düzeni ve/veya paket uçları güç transistörü Vg'de yüksek çınlama oluşturuyorsa yararlıdır. Bu kapı voltajı çınlaması genellikle yüksek di/dt ve dv/dt anahtarlama koşulları altında meydana gelir. Sahte açmayı önlemek için çınlamayı eşik voltajının altında tutmak için, kapı sürücüsüne genellikle negatif bir önyargı uygulanır. Tüm yapılandırmalara uyması için -2V, -3V, -4V ve -5V oluşturmak için farklı seçenekler mevcuttur. ON Semiconductor'un izole kapı sürücüleri, küçük LGA ve SOIC 8-pin ila 16-pin varyantları dahil olmak üzere çeşitli paket seçeneklerinde mevcuttur.

Aşağıda ON Semiconductor izoleli kapı sürücü ailesinin temel özellikleri, elektriksel özellikleri ve güvenlikle ilgili sertifikaları yer almaktadır.

Tablo 1.

- Geliştirme aşamasında

- İsteğe bağlı, talep üzerine mevcuttur

- Planlanmış

İzole kapı sürücüsü destek araçları

Galvanik izoleli kapı sürücülerine ilişkin tüm ilgili belgeler ON Semiconductor ana sayfasında mevcuttur. Bunlar arasında veri sayfaları, tasarım ve geliştirme araçları, simülasyon modelleri, uygulama notları, değerlendirme kurulu belgeleri, uyumluluk raporları vb. yer almaktadır.

İlgili ana etkenler şunlardır:

● NCP51560

● NCP51561 ve NCV51561

● NCP51563 ve NCV51563