Entwurfsrichtlinien für die Verwendung isolierter Gate-Treiber

Der dreiteilige Designleitfaden erläutert, wie der geeignete isolierte Gate-Treiber für Leistungsschaltgeräte in Leistungselektronikanwendungen ausgewählt wird, und vermittelt praktische Erfahrungen. Dieser Artikel ist der erste Teil und enthält hauptsächlich die Einführung und Auswahlanleitung für isolierte Gate-Treiber.

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Die isolierten Gate-Treiber von ON Semiconductor sind so konzipiert, dass sie die von Technologien wie SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid) geforderten Beschränkungen hinsichtlich maximaler Schaltgeschwindigkeit und Systemgröße erfüllen, um eine zuverlässige Steuerung von MOSFETs zu gewährleisten. Viele Designer in der Leistungselektronikbranche verfügen über umfangreiche Erfahrung im Umgang mit Si-MOSFETs, SiC- und GaN-MOSFETs und sind erfahrene Anwender. Systemhersteller sind zunehmend daran interessiert, die Energieeffizienz ihrer Designs zu verbessern. Um eine führende Position auf dem Markt zu erreichen, ist die Kombination aus hoher Energieeffizienz und niedrigen Kosten entscheidend. Aus Sicht der Halbleitermaterialien hat das Feld erhebliche Fortschritte gemacht, und es gibt jetzt Produkte, die mit hoher Geschwindigkeit schalten können, wodurch die Effizienz auf Systemebene erhöht und gleichzeitig die Größe reduziert wird.

Isolierte Gate-Treiber--Was sind sie, warum werden sie verwendet und wie funktionieren sie?

Leistungs-MOSFETs sind spannungsgesteuerte Bauelemente, die als Schaltelemente in Stromkreisen, Motorantrieben und anderen Systemen verwendet werden. Das Gate ist der elektrisch isolierte Steueranschluss jedes Bauelements. Die anderen Anschlüsse eines MOSFET sind Source und Drain.

Um einen MOSFET zu betreiben, muss normalerweise eine Spannung an das Gate angelegt werden (im Gegensatz zu Source oder Emitter). Ein spezieller Treiber wird verwendet, um Spannung an das Gate des Leistungsbauelements anzulegen und Antriebsstrom bereitzustellen.

Gate-Treiber werden zum Ein- und Ausschalten von Leistungsgeräten verwendet. Dazu lädt der Gate-Treiber das Gate des Leistungsgeräts auf die endgültige Einschaltspannung VGS(ON) auf, oder die Treiberschaltung entlädt das Gate auf die endgültige Ausschaltspannung VGS(OFF). Um zwischen den beiden Gate-Spannungspegeln zu wechseln, wird in der Schleife zwischen Gate-Treiber, Gate-Widerstand und Leistungsgerät etwas Leistung abgeführt.

Heutzutage werden in Hochfrequenzkonvertern für Anwendungen mit niedriger und mittlerer Leistung hauptsächlich Gate-Spannungssteuergeräte wie MOSFETs verwendet.

Für Hochleistungsanwendungen sind Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) derzeit die besten Bauelemente, die höhere Antriebsströme benötigen, um diese Leistungsschalter schnell ein- und auszuschalten. Gate-Treiber eignen sich nicht nur für MOSFETs, sondern auch für neue Bauelemente im breiten Bandabstand, die derzeit nur wenigen bekannt sind, wie Siliziumkarbid-FETs (SiC) und Galliumnitrid-FETs (GaN).

Ein Gate-Treiber ist ein Leistungsverstärker, der Eingaben von einem Controller-IC akzeptiert und einen entsprechend hohen Strom erzeugt, um das Gate eines Leistungsschaltgeräts anzutreiben.

Nachfolgend eine kurze Zusammenfassung der Gründe für den Einsatz von Gate-Treibern:

Gate-Antriebsimpedanz

Die Funktion des Gate-Treibers besteht darin, Leistungsgeräte schnell ein- und auszuschalten, um Verluste zu reduzieren. Um Querleitungsverluste durch den Miller-Effekt oder langsames Schalten unter bestimmten Lasten zu vermeiden, muss der Treiber den Aus-Zustand mit einer niedrigeren Impedanz herstellen als den Ein-Zustand des gegenüberliegenden Transistors. Ein negativer Gate-Treiber-Spielraum spielt eine wichtige Rolle bei der Reduzierung dieser Verluste.

Quellinduktivität

Dies ist die Induktivität, die von der Gate-Treiber-Stromschleife und der Ausgangsstromschleife gemeinsam genutzt wird. Eine negative Gate-Treiber-Spannungsreserve in Kombination mit der Quellenleitungsinduktivität hat direkte Auswirkungen auf die Schaltgeschwindigkeit des Ausgangs unter Last, was auf den Quellenverschlechterungseffekt der Quelleninduktivität zurückzuführen ist (die Quellenleitungsinduktivität koppelt den Ausgangsschaltstrom zurück zum Gate-Treiber und verlangsamt dadurch den Gate-Treiber).

Der Gate-Treiber legt ein Spannungssignal (VGS) zwischen dem Gate (G) und der Source (S) des Leistungs-MOSFET an und liefert gleichzeitig einen Hochstromimpuls, wie in Abbildung 1 dargestellt.

· Ermöglicht schnelles Laden/Entladen von CGS und CGD

· Schneller Ein-/Aus-Leistungs-MOSFET

Abbildung 1. Gate-Treiberstrompfad

Warum galvanische Trennung?

Hochleistungsanwendungen erfordern eine galvanische Trennung, um zu verhindern, dass gefährliche Erdschleifen ausgelöst werden, die Rauschen verursachen und dazu führen können, dass die Erdungen der beiden Schaltkreise unterschiedliche Potenziale aufweisen und so die Sicherheit des Systems gefährden. Die Ströme in solchen Systemen können für Menschen tödlich sein, daher muss ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleistet sein. Elektrische oder galvanische Trennung bezieht sich auf den Zustand, in dem kein Gleichstrom zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichen Potenzialen fließt.

Genauer gesagt ist es im Zustand der galvanischen Trennung unmöglich, Träger von einem Punkt zum anderen zu bewegen, aber elektrische Energie (oder Signale) können immer noch durch andere physikalische Phänomene wie elektromagnetische Induktion, kapazitive Kopplung oder Licht ausgetauscht werden. Dieser Zustand entspricht einem unendlichen Widerstand zwischen den beiden Punkten; in der Praxis sind Widerstände bis zu etwa 100 MΩ ausreichend. Wenn der Schaden auf die elektronischen Komponenten beschränkt ist, ist eine Sicherheitsisolierung möglicherweise nicht erforderlich, wenn jedoch menschliches Handeln auf der Steuerungsseite beteiligt ist, ist eine galvanische Trennung zwischen der Hochleistungsseite und dem Niederspannungssteuerkreis erforderlich. Sie schützt vor jeglichen Fehlern auf der Hochspannungsseite, denn selbst wenn es zu Schäden oder Ausfällen von Komponenten kommt, verhindert die Isolationsbarriere, dass der Strom den Benutzer erreicht. Die Trennung wird von Aufsichtsbehörden und Sicherheitszertifizierungsstellen vorgeschrieben, um das Risiko eines Stromschlags zu vermeiden. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der Gründe für die Verwendung und der Methoden der galvanischen Trennung in vielen Stromanwendungen.

· Verhindern und widerstehen Sie Hochspannungsstößen, die Geräte beschädigen oder Menschen gefährden.

·Schützen Sie teure Controller - intelligente Systeme

·Tolerieren Sie große Potentialunterschiede und zerstörerische Erdschleifen in Schaltkreisen mit hoher Energie oder großen Abständen

· Zuverlässige Kommunikation mit High-Side-Komponenten in Hochspannungs-Hochleistungs

Lösungen

Abbildung 2. Nicht isoliert und isoliert

Auswahlhilfe für isolierte Gate-Treiber

Im Folgenden wird erläutert, wie Sie einen isolierten Gate-Treiber auswählen. Beispielsweise kann bei einem System mit niedriger Betriebsspannung das Schaltgerät direkt an den Controller angeschlossen werden, solange die Spannungsfestigkeit des Controllers im zulässigen Bereich liegt. Der Gate-Treiber ist jedoch eine gängige Komponente in den meisten Leistungswandlern. Da der Steuerkreis mit niedriger Spannung arbeitet, kann der Controller nicht genügend Leistung bereitstellen, um den Leistungsschalter schnell und sicher zu öffnen oder zu schließen. Daher wird das Signal des Controllers an den Gate-Treiber gesendet, der einer höheren Leistung standhalten und das Gate des MOSFET nach Bedarf ansteuern kann. Bei Anwendungen mit hoher Leistung oder hoher Spannung sind die Komponenten im Schaltkreis großen Spannungsschwankungen und hohen Strömen ausgesetzt. Wenn Strom vom Leistungs-MOSFET zum Steuerkreis abfließt, können die hohe Spannung und der hohe Strom im Leistungswandlerkreis den Transistor leicht durchbrennen und einen schweren Ausfall des Steuerkreises verursachen. Darüber hinaus müssen Anwendungen mit hoher Leistung eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang aufweisen, um Benutzer und andere Geräte zu schützen.

Gate-Antriebsspannungsbereich

Die Betriebsspannung des Konverters hängt von den Spezifikationen des Schaltelements (z. B. Si-MOSFET oder SiC-MOSFET) ab. Es muss sichergestellt werden, dass die Ausgangsspannung des Konverters den Maximalwert der Gate-Spannung des Schaltelements nicht überschreitet.

Die positive Spannung des Gate-Treibers sollte hoch genug sein, um sicherzustellen, dass das Gate vollständig eingeschaltet ist. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die Antriebsspannung die absolute maximale Gate-Spannung nicht überschreitet. Si-MOSFETs verwenden typischerweise eine Antriebsspannung von +12 V, +15 V werden häufig zum Antreiben von SiC verwendet und die Gate-Spannung für GaN beträgt +5 V. Eine Gate-Spannung von 0- V kann alle Geräte im ausgeschalteten Zustand halten. Im Allgemeinen benötigen MOSFETs keinen Gate-Antrieb mit negativer Vorspannung, der manchmal für SiC- und GaN-MOSFETs verwendet wird. In Schaltanwendungen wird dringend empfohlen, für SiC- und GaN-MOSFETs einen Gate-Antrieb mit negativer Vorspannung zu verwenden, da parasitäre Induktivität, die durch ein nicht ideales PCB-Layout während des Schaltens mit hohem di/dt und dv/dt entsteht, ein Klingeln in der Gate-Source-Antriebsspannung des Leistungstransistors verursachen kann. Im Folgenden sind die anwendbaren Gate-Antriebsspannungen für jedes Schaltgerät aufgeführt.

Isolationsfähigkeit

Diese Fähigkeit wird durch die Betriebsspannung des Systems bestimmt. Die Systembetriebsspannung ist direkt proportional zur Isolationsfähigkeit. Einer der wichtigsten Parameter eines isolierten Gate-Treibers ist seine Isolationsnennspannung. Die Isolationsnennspannung soll verhindern, dass unerwartete Spannungsspitzen andere an die Stromversorgung angeschlossene Schaltkreise beschädigen. Daher ist die richtige Isolationsnennspannung entscheidend, um den Benutzer vor potenziell schädlichen Stromentladungen zu schützen. Darüber hinaus schützt diese Nennspannung die Signale im Konverter vor Störungen durch Rauschen oder unerwartete Gleichtaktspannungsspitzen. Der Isolationswert wird normalerweise als die Spannungsmenge ausgedrückt, der die Isolationsbarriere standhalten kann. In den meisten Datenblättern isolierter Gate-Treiber wird die Isolationsspannung als Parameter wie maximale wiederkehrende Spitzenisolationsspannung (VIORM), Arbeitsisolationsspannung (VIOWM), maximale transiente Isolationsspannung (VIOTM), maximale Stoßisolationsspannung (VIOSM) und RMS-Isolationsspannung (VISO) aufgeführt. Je höher die Systembetriebsspannung, desto höher muss die Isolationsfähigkeit des Konverters sein.

Die isolierten Gate-Treiber von ON Semiconductor werden während der Produktion auf einem MPS-Tester (Modell MSPS-20) getestet.

Isolationskapazität

Die Isolationskapazität ist die parasitäre Kapazität zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite des Konverters. Aus der folgenden Formel können wir erkennen, dass die Isolationskapazität proportional zum Leckstrom ist.

Darunter: Ileak: Leckstrom, fS: Betriebsfrequenz, CISO: Isolationskapazität. VSYS: Systembetriebsspannung

Der Leistungsverlust ist proportional zum Leckstrom. Wenn das System mit hoher Betriebsfrequenz und hoher Spannung betrieben werden muss, müssen wir der Größe der Isolationskapazität des Konverters mehr Aufmerksamkeit schenken, um einen übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden.

Immunität gegen Gleichtakttransienten (CMTI)

Die Gleichtakttransientenimmunität (CMTI) ist eine der Haupteigenschaften isolierter Gate-Treiber, insbesondere wenn das System mit hohen Schaltfrequenzen betrieben wird. Dies ist wichtig, da Transienten mit hoher Anstiegsrate (hohe Frequenz) die Datenübertragung über die Isolationsbarriere hinweg beeinträchtigen können. Die Kapazität über der Isolationsbarriere (d. h. zwischen den Isolationsmasseflächen) bietet diesen schnellen Transienten einen Weg, die Isolationsbarriere zu überwinden und die Ausgangswellenform zu beeinträchtigen. Die Einheit dieses charakteristischen Parameters ist normalerweise kV/µS.

Wenn der CMTI-Wert nicht hoch genug ist, kann sich Hochstromrauschen über den isolierten Gate-Treiber koppeln, wodurch eine Stromschleife entsteht und Ladung am Schaltgate entsteht. Wenn diese Ladung groß genug ist, kann sie dazu führen, dass der Gate-Treiber dieses Rauschen fälschlicherweise als Antriebssignal interpretiert, und dieser Durchschlag kann zu einem schweren Schaltkreisausfall führen.

Überlegungen zur aktuellen Laufwerkskapazität

Je höher der Gate-Strom ist, der in einer kurzen Zeitdauer erzeugt/abgeführt werden kann, desto kürzer ist die Schaltzeit des Gate-Treibers und desto geringer ist der Schaltleistungsverlust im angesteuerten Transistor.

Die Spitzenströme von Quelle und Senke (ISOURCE und ISINK) sollten höher sein als die Durchschnittsströme (IG, AV), wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Definition der aktuellen Laufwerksleistung

Für jeden Treibernennstrom lässt sich die ungefähre maximale Gate-Ladung QG, die in der angegebenen Zeit geschaltet werden kann, wie folgt berechnen: Der erforderliche Treibernennstrom hängt davon ab, wie viel Gate-Ladung QG in wie viel Schaltzeit tSW-ON/OFF bewegt werden muss, da der durchschnittliche Gate-Strom während des Schaltens IG beträgt.

Dabei stellt tSW,ON/OFF dar, wie schnell der MOSFET geschaltet werden soll. Wenn nicht bekannt, beginnen Sie mit 2 % der Schaltperiode tSW.

Mithilfe der folgenden Formeln können die ungefähren Spitzenquellen- und Senkenströme des Gate-Treibers berechnet werden.

Ein (Quellenstrom)

Im ausgeschalteten Zustand (Stromabnahme)

Wobei QG die Gate-Ladung bei VGS ist=VCC, tSW, ON/OFF=Ein-/Ausschaltzeit, 1.5=empirisch ermittelter Faktor (beeinflusst durch Verzögerungen durch die Treibereingangsstufe und parasitäre Komponenten)

Überlegungen zum Gate-Widerstand

Bei der Dimensionierung des Gate-Widerstands ist es wichtig, die durch parasitäre Induktivität und Kapazität verursachte Überschwingspannung zu reduzieren. Dies begrenzt jedoch die Strombelastbarkeit des Gate-Treiberausgangs. Die begrenzten Strombelastbarkeitswerte aufgrund der Einschalt- und Ausschalt-Gate-Widerstände können mithilfe der folgenden Formeln ermittelt werden.

Darunter: ISOOURCE: Spitzenquellenstrom, ISINK: Spitzensenkenstrom, VOH: Hochpegel-Ausgangsspannungsabfall, VOL: Niedrigpegel-Ausgangsspannungsabfall

Isolierte Gate-Treiber von ON Semiconductor

ON Semiconductor bietet eine Vielzahl isolierter Gate-Treiber auf Basis integrierter, magnetisch gekoppelter kernloser Transformatoren an. Diese eignen sich für Anwendungen mit sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten und Einschränkungen hinsichtlich der Systemgröße und können Si-MOSFETs und SiC-FETs zuverlässig steuern.

Wir bieten funktionale und verstärkte Isolationsprodukte an, die nach UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 und CQC GB 4943.1 zertifiziert sind. Unsere isolierten Gate-Treiber umfassen sowohl industriell als auch für die Automobilindustrie zertifizierte Produkte.

Diese isolierten Gate-Treiber integrieren eine Vielzahl von Funktionen, um hohen CMTI-Pegeln standzuhalten, verfügen über mehrere UVLO-Optionen und bieten schnelle Ausbreitungsverzögerungen (einschließlich kurzer Verzögerungsfehlanpassungen) und minimale Impulsbreitenverzerrung.

Insbesondere werden die kommenden neuen Produkte von ON Semiconductor eine einfache Methode bieten, um eine negative Vorspannung in der Gate-Treiberschleife zu erzeugen, die für die Ansteuerung von SiC-MOSFETs geeignet ist. Diese negative Vorspannung ist nützlich, wenn das PCB-Layout und/oder die Gehäuseanschlüsse ein hohes Nachschwingen im Leistungstransistor Vg verursachen. Dieses Nachschwingen der Gate-Spannung tritt typischerweise unter hohen di/dt- und dv/dt-Schaltbedingungen auf. Um das Nachschwingen unter der Schwellenspannung zu halten und ein versehentliches Einschalten zu verhindern, wird typischerweise eine negative Vorspannung an den Gate-Treiber angelegt. Es stehen verschiedene Optionen zur Erzeugung von -2V, -3V, -4V und -5V zur Verfügung, um allen Konfigurationen gerecht zu werden. Die isolierten Gate-Treiber von ON Semiconductor sind in einer Vielzahl von Gehäuseoptionen erhältlich, darunter kleine LGA- und SOIC-Varianten mit 8--Pin bis 16--Pin.

Nachfolgend finden Sie die Hauptfunktionen, elektrischen Spezifikationen und sicherheitsrelevanten Zertifizierungen der isolierten Gate-Treiberfamilie von ON Semiconductor.

Tabelle 1.

- In Entwicklung

- Optional, auf Anfrage erhältlich

- Geplant

Support-Tools für isolierte Gate-Treiber

Alle zugehörigen Dokumente für galvanisch isolierte Gate-Treiber sind auf der Homepage von ON Semiconductor verfügbar, darunter Datenblätter, Design- und Entwicklungstools, Simulationsmodelle, Anwendungshinweise, Dokumentation zu Evaluierungsplatinen, Konformitätsberichte usw.

Zu den wichtigsten damit verbundenen Treibern gehören:

● NCP51560

● NCP51561 und NCV51561

● NCP51563 und NCV51563