Интегрални гейт драйвери

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 3/2020 • 04.05.2020

Интегрални гейт драйвери

Стефан Куцаров

Утвърждаването на SiMOSFET и IGBT, а напоследък все повече на SiC, GaN и GaAs FET, като основен вид мощни транзистори в съвременната електроника наложи наличието на драйвери за преобразуване на необходимите за управлението им цифрови сигнали в напрежение гейт-сорс. Драйверите обикновено са самостоятелни интегрални схеми (Integrated Gate Driver) IGD, но стремежът за намаляване размерите на устройствата доведе до създаването на транзистори с вграден IGD, примери за каквито са дадени в табл. 5. 

Същата е причината и за наличието на IGD с възможност за независимо управление на два самостоятелни транзистора и други техни свързвания. Постепенно, макар и бавно, нараства популярността на “интелигентните” драйвери (Smart Gate Driver) за управление на индуктивни товари – параметрите на такъв компонент са представени на ред 8 от табл. 2.

 

Особености и основни параметри

В зависимост от начина на свързване на изхода с входа съществуват IGD без галванично разделяне (таблици 1-3) и с галванично разделяне (табл. 4). Според начина на свързване на управляваните транзистори има три вида драйвери.

Първият и най-прост са единичните IGD за управление на един транзистор, свързан последователно с товара към постоянно напрежение VL. Така при отпушване на транзистора малкото му напрежение дрейн-сорс (обикновено няколко десетки mV и рядко до около 1 V) реално осигурява подаване на цялото VL към товара. Едната разновидност на тези IBD е за управляване на незамасени товари (Low-Side Driver) LSD с една изходна клема OUT, свързана към гейта на транзистора и замасена втора, като товарът е между VL и OUT. За захранване на замасени товари е разновидността High-Side Driver (HSD) с транзистор между VL и OUT и товар между OUT и маса.

Вторият вид са полумостовите драйвери (Half-Bridge Driver), предназначени за управление на два транзистора в полумостова схема. Пример за свързването им е даден на фиг.1а, което е на IGD от ред 3 в табл. 2. За всеки от изводите НО и LO в драйвера има отделен блок. Товарът е свързан между клема TO LOAD и маса, като при активно логическо ниво на извод НО се отпушва горният транзистор и през него напрежението VL, в случая 50 V, се подава на товара. От VL през товара протича ток, поради което изходният ток на НО е с означение Iosou (от Source Current). Аналогично, чрез активно логическо ниво на извод LO се отпушва долният транзистор, ток протича през него от товара и токът на извода е Iosin (Sink Current). В зависимост от модела IGD двата тока могат да са еднакви или различни. Управляващите входове НIN и LIN ползваният драйвер са за CMOS логически нива и по-рядко са за LSTTL или TTL нива. Същото се отнася и за незадължителните помощни входове (в случая само EN), чийто вид зависи от модела IGD. Пример за друг помощен вход е предназначеният за привеждане на IGD в състояние “очакване” (Shutdown).

Самостоятелните приложения на полумостовите драйвери са главно за зареждане на акумулатори.



Широко е приложението на мостовите драйвери (Full Bridge Driver) за управляване на транзистори в мостова схема (фиг. 1б). Тези драйвери се реализират с две интегрални схеми (ИС) на полумостови драйвери и по-рядко с една ИС. За управляване на трифазни товари, главно електродвигатели и инвертори, се ползват трифазни драйвери (Three Phase Gate Driver, Triple Half-Bridge Gate Driver), реализирани с три полумоста и имащи по три извода НО и LO. Такива са означените като 3j-мост в таблици 2 и 3. Трябва да се прибави, че освен за включване и изключване на товари съществуват драйвери за управляване на ключове и атенюатори (ред 2 на табл. 1) и на полупроводникови релета SSR (ред 8 на табл. 4).



Опасността от нежеланото отпушване на управлявания транзистор при бързи изменения на напрежението му дрейн-сорс се избягва чрез блок Miller Clamp (или усъвършенстваната му разновидност Active Miller Clamp) в IGD. Наличието му често е отбелязано в каталожните данни.

За предпазване от повреда и запазване на параметрите на IGD обикновено те имат вградени една или повече защити. За спиране на работа при захранващо напрежение под и над определени стойности са Undervoltage Lockout (UVLO) и съответно Overvoltage Protection (OVP). Топлинната защита (Over Temperature Shutdown) OTP изключва IGD при определена температура на чипа и отново го включва при намаляването й със стойността на хистерезиса. Други защити са от голям изходен ток (Over Current Protection) OCP и от електростатични разряди (ESD). Ползва се и регистриране на прекъсване на товара (Open Load Detection) OLD.

Основните параметри на IGD, ползвани в статията, са:

  • VL – постоянно напрежение за захранване на товара. Обикновено напрежението върху самия товар е с няколко десетки mV по-малко от VL и по-рядко с около 1V под VL и затова обикновено се приема, че подаваното на товара напрежение е VL.
  • Io – импулсен изходен ток (Peak Output Current). Независимо от много голямото входно съпротивление на управляваните транзистори той е необходим за бързо зареждане на капацитета им гейт-сорс и съответно малко време от подаването на напрежение на входа на IGD до получаването на желаното напрежение на изхода му за отпушване и запушване на транзисторите. При това по-големият Io води до намаляване на разсейваната мощност по време на смяна на състоянието на транзисторите. В каталозите се дават споменатите токове Iosou и Iosin.
  • Времето tON за преминаване от входа до изхода на IGD на предния фронт на импулсите и tOFF  на техния заден фронт.
  • Продължителността на предния tr и задния tf фронт при промяна на изходното напрежение на IGD, които заедно с tON и tOFF са изяснени на фиг. 2. В някои модели четирите времена се определят по различен начин, отразен в каталога.
  • VCC – захранващо напрежение. В част от IGD между изхода му и маса трябва да се свърже кондензатор с указани в документацията тип и стойност.
  • ICC – консумиран ток от VCC.
  • Ro – съпротивление на изхода OUT, което невинаги се дава в каталозите. Времеконстантата от него и капацитета гейт-сорс на управлявания транзистор допълнително увеличава tON и tOFF.
  • PD – максимално допустима консумирана мощност.


Освен тези параметри в таблици 1-5 са ползвани известните от други ИС - околна температура TA или температура на чипа TJ.

 

Драйвери без галванично разделяне

Един от начините за тяхната класификация, който е използван в статията, е в зависимост от VL.

Драйвери за VL. При тези нисковолтови IGD напрежението VСС се ползва и за захранване на товара, поради което се приема, че VL=VCC. Характерни приложения са в токоизправители вкл. синхронни, ключови стабилизатори, DC/DC преобразуватели, управление на стъпкови електродвигатели, в инвертори, зарядни устройства, захранване на соленоиди, драйвери за линии (Line Driver) и др.

В табл. 1 са дадени примери за нисковолтови IGD. Даденият на ред 1 има вход за привеждане в режим “очакване”, докато IGD на ред 2 е със специфичното предназначение за управление на ключове и атенюатори. Ниските стойности на времената в колона 5 позволяват използването му в микровълнови прибори, което обяснява много малкия Iosou. За CMOS логически нива на входа е IGD на ред 3, докато МАХ5048В от същата серия е за TTL нива. Специфични техни параметри са типичното съпротивление 0,24 Ω на единия изход и 0,38 Ω на другия. Сред рядко срещаните IGD с Iоsou над 10 А е даденият на ред 4, чийто ток позволява работа при свързване на изхода на капацитети до 10 nF. Специално за автомобилни приложения е IGD на ред 5, предназначен за управление на шест електродвигателя, два LED и два фотодиода чрез вграден интерфейс SPI. Управление със същия интерфейс има IGD на ред 6, а малките му времена в колона 5 на табл.1 позволяват използването му за лазерно определяне на разстоянието между камера и обект (Time-of-flight camera), в системи за лицево разпознаване и в т. нар. Augmented reality.

Драйвери с VL=20-100 V. Съществуват два начина за осигуряване на напрежението VL в тези средноволтови IGD. Първият е както при нисковолтовите IGD, т.е. VL се получава от същия източник както VCC, докато вторият начин изисква отделен източник с VL >VCC. Пример за последния е схемата на фиг.1а. Специфичен параметър е изходното напрежение на IGD, подавано на гейтовете на управляваните транзистори. То е едно при единичните драйвери (Gate Driving Voltage), в полумостовите напрежения са две – на извод НО (High Side Floating Output Voltage) с означение VHO и VLO (Low Side Output Voltage) на извод LO, а напреженията са три в 3ϕ-мостовите.

Областите на приложение на средноволтовите IGD включват захранване и управление на различни типове постояннотокови електродвигатели, инвертори, преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение, токоизправители, прибори за корекция на фактора на мощността, мощни усилватели за звуковъзпроизвеждане, за управление на ключове и превключватели и др. На фиг. 3 е показан пример за използване на средномощни IGD от серията DRV835x, един от които е даденият на ред 8 в табл. 2.





Таблица 2 съдържа полезни за практиката примери на IGD от наложили се на пазара производители. Трифазният IGD на ред 1 е предвиден главно за автомобили, обменът на данни с него се извършва чрез интерфейсите LIN и SPI, а на изхода му DIAG се получава информация за задействана защита и състоянието на основните блокове. С възможност за програмиране на част от параметрите е IGD на ред 2, например чрез подходящо свързване на извод VCCUV могат да се задават три стойности на напрежението на UVLO. Много малко външни елементи изисква IGD на ред 3, като всеки от драйверните блокове за управление на двата транзистора във външния полумост има отделна защита UVLO. Разрешаващият вход EN на IGD на ред 4 има допълнителна функция за даване на информация за задействаните защити UVLO и OCP. Рядко срещаната и полезна функция на IGD от ред 5 позволява ток в двете посоки между източника на VL и товара, и определя основното му приложение в захранвани от акумулатор устройства. Каталожната информация на IGD от ред 6 включва практически схеми на полумостово, мостово и трифазно свързване. В IGD на ред 7 има улеснения за използването му в устройства с галванично разделяне между управляващите сигнали и входа. Предвиденият за захранване на трифазни постояннотокови безколекторни електродвигатели (BLDC) от ред 8 е “интелигентен” поради множеството допълнителни възможности, сред които е програмирането чрез SPI на Iosou и Iosin.

Драйвери с VL>100 V. Няма принципни различия в структурата и действието на тези високоволтови IGD и предните два типа, но ИС на мостови драйвери практически не съществуват. Поради високото VL са малко IGD, в които то е равно на VCC – в табл. 3 това е даденият на ред 1. При избора на управляваните транзистори изчисляването на външните елементи и реализацията на печатната платка трябва да се имат предвид препоръките, обикновено давани в каталога на IGD, както и схемите за приложението му.



Сред приложенията на високоволтовите IGD на първо място е захранването на постояннотокови електродвигатели вкл. в автомобили (компресори, помпи, вентилатори), електромобили, инвертори, управление на ключове за товари и захранвания.

В табл. 3 са дадени характерни високоволтови IGD. Приборът на ред 1 е част от серия от 18 драйвера, от които 8 отговарят на изискванията на AEC-Q100, а един от изходите му е за индикация на задействана защита. Чрез външен резистор може да се задава стойността на Iosou. Драйверът на ред 3 е със специфична защита (Shoot-through Protection, Cross-conduction Prevention) STP, която не позволява едновременно отпушване на транзисторите в полумостове. Също в съответствие с AEC-Q100 е IGD на ред 4, а специфична особеност на NCP51820 от същия производител са възможностите за управление на GaN FET, HEMT и GIT прибори. Драйверът на ред 5 е с вградени филтри на всеки от входовете за намаляване на насложените върху сигнала шумове. Той има изход за регистрация на задействана защита. С подобен изход е IGD на ред 6, а малките стойности на ton и toff на дадения на ред 7 го правят подходящ за ключови стабилизатори с голяма честота на тяхната ШИМ (PWM).

 

Драйвери с галванично разделяне

Необходимостта от галванично разделяне на управляваните транзистори от входните сигнали на IGD е аналогична на тази при други електронни схеми. Сравнително рядко се ползват IGD без галванично разделяне, като за неговото осигуряване на входа им се поставя подходящ блок (това бе отбелязано за дадения на ред 7 в табл. 2.) В масово разпространените IGD галваничното разделяне е вградено в самата ИС (Isolated Gate Driver). За реализацията им най-често се използва изолационна бариера (Isolation Barrier) от SiO2, чийто капацитет осигурява двупосочно преминаване на сигналите, а съществено предимство е липсата на влияние от околни електромагнитни полета. Такива са IGD на редове 3, 5, 6 и 8-11 в табл. 4. Благодарение на технологичните постижения в реализацията на трансформатори без сърцевина за вграждане в ИС стана възможна реализацията на ползващи ги IGD, каквито са дадените на редове 1, 2, 4 и 7 в табл. 4. С най-малък относителен дял са IGD с оптрон, който определя еднопосочното предаване на сигнали – типични примери са дадените на редове 12 и 13 в табл. 4.



Същността на основната структура на IGD с галванично разделяне чрез изолационна бариера се изяснява с помощта на фиг. 4а. Подаваните от микропроцесор цифрови данни на вход А се модулират в предавателя чрез PWM с достатъчно висока честота (обикновено няколко десетки kHz и вече достигаща няколко MHz), за да бъдат изолационната бариера или трансформаторът достатъчно малки. Цифровите данни се възстановяват от демодулатора в приемника и се получават на извод В. При двупосочен обмен (напр. IGD на ред 11) или подаване към микропроцесора на данни за състоянието на IGD в предавателя присъства и демодулатор, а в приемника – модулатор. Аналогична е и същността на IGD с трансформатор. Голямото изолационно напрежение (Isolation Voltage) между изводите на двете части на IGD с галванично разделяне изисква допълнително разстояние между тях, което води до специфичен вид (фиг. 4б) на някои корпуси. Освен това при равни други условия по-големите корпуси на даден модел са с повишено изолационно напрежение.

По принцип тази категория IGD могат да се използват в същите случаи, както тези без галванично разделяне, но съществуват и множество специфични приложения. Основното от тях, дължащо се на големите изолационни напрежения, е захранването на високоволтови товари като токоизправители и преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение в компютърни и телекомуникационни устройства и на електродвигатели. Към това се прибавят непрекъсваеми токозахранвания (UPS), инвертори за фотоволтаици и апарати за заваряване, електромобили, зарядни станции и др.

Сред специфичните параметри са максималните изолационни напрежения, първото от които е прилаганата за кратко време средноквадратична стойност на променливо или постоянно напрежение (Isolation Withstand Voltage) VISO. Останалите са амплитудата на двупосочни импулси (Repetitive Peak Isolation Voltage) VIORM, ефективната стойност на синусоидално и на постоянно напрежение (Isolation Working Voltage) VIOWM, стойността на пренапрежението (Surge Isolation Voltage) VIOTM и тази на единични импулси (Transition Isolation Voltage) VIOTM, обратнопропорционална на тяхната продължителност.

Захранващите напрежения на входната и изходната част на IGD са VCCI и VCCO, а консумираните от тях токове – ICCI и ICCO. С RGson и RGsin се отбелязват изходните съпротивления съответно за излизащ и влизащ ток. Вместо консумираните мощности PDI и P от двете части понякога се дава общата мощност PD. В някои IGD за управление на SIC FET и IGBT се ползва защита DESAT за изтегляне след запушването им на натрупаните при късо съединение на товара електрически заряди, които могат да предизвикат нежелано повторно отпушване. Специфична и по-рядко използвана защита е изключването при късо съединение на товара (Short Circuit Protection) SCP. Полезни при ползването на IGD с галванично разделяне в устройства са необходимите за осигуряване на изолацията минимални разстояния между островчетата на печатната платка, обикновено давани в техническата документация.



В табл. 4 са особеностите и основните параметри на тази категория IGD, които с малки изключения са единични. Този на ред 1 е с два изхода, като в зависимост от логическото ниво на управляващ вход един от тях работи, а другият е в състояние на висок импеданс. Даденият на ред 2 има отделни изходи за напрежението VG на гейта и VS на сорса на управлявания транзистор, като чрез външен резистор се задава закъснението на VG спрямо VS с цел транзисторът да остава запушен по време на преходните процеси. Драйверът на ред 3 е част от серия, а този на ред 4 отговаря на изискванията на AEC-Q1, управлява се чрез SPI и външният транзистор може да осигурява захранването на товари с VL между 200 и 1200 V. За същия стандарт е IGD на ред 5 със защита от силни електромагнитни полета. Приборът от ред 6 може да управлява транзистори с ток на товара до 600 А и има аналогична защита на предния. Отново за AEC-Q1 е IGD на ред 7, като неговите инвертиращ и неинвертиращ вход позволяват чрез логическите си нива да определят нивото на изхода. Специфичен е IGD на ред 8, предназначен за полупроводникови релета (SSR). Друга разновидност за SSR е драйверът Si8752AB-AS с оптичен вход. Максималната честота на PWM импулсите от 4 MHz в IGD на ред 9 е сред най-високите, а на двата му изхода се свързват резистори за задаване на tON и tOFF.

Сред малкото двойни IGD, позволяващи управление на транзистори в полумостово свързване, е даденият на ред 10 със специфичен параметър максималното постоянно изолационно напрежение между двата изхода от 1500 V. Драйверът на ред 11 позволява управление на товари с мощност до 10 kW и има вградени сензори за температурата на чипа и контрол на захранващото напрежение. Входът с оптрон в IGD на ред 12 позволява управление на променливотокови и постояннотокови безколекторни електродвигатели, а втори оптрон е за контрол на подаваните данни. Последният IGD в табл. 4 (ред 13) е особено подходящ за управление с IGBT за товари до 1200 V и токове до 100 А.



Транзистори с вграден драйвер

Действието им не се различава от това на IGD с външни транзистори, а характерните им приложения са при необходимост от малки размери и тегло, например токоизправители в преносима апаратура, нисковолтови постояннотокови електродвигатели и др. В табл. 5 са събрани характерни IGD, като tON и tOFF при полумостовите IGD се дават отделно за горния (индекс HS) и долния (LS) транзистор, което е в сила и за изходните съпротивления RoHS и RoLS. В IGD с един транзистор и в мостовите IGD tON, tOFF и Ro са за всеки от транзисторите.

Новият брой 5/2020

брой 5-2020

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ



ЕКСКЛУЗИВНО

Top