Известно немало способов использования драйвера затвора в приложениях с импульсными источниками питания. Драйверы затвора нижнего плеча часто применяются в импульсных источниках питания и играют заметную роль в обеспечении корректной коммутации силовых ключей. В повышающих схемах коррекции коэффициента мощности (ККМ) эти драйверы управляют высоковольтными ключами в нижнем плече. Драйверы замыкают и размыкают ключи через трансформатор драйвера затвора в высоковольтных DC/DC-каскадах с резонансными LLC-преобразователями, в схемах с коммутацией при нулевом напряжении (ZVS) или в двухтранзисторных прямоходовых топологиях (TTF).
В синхронных выпрямительных каскадах со средней точкой драйвер затвора напрямую связан с низковольтными MOSFET. Электрические перенапряжения силовых ключей могут привести к выходу из строя импульсных источников питания. Ложное срабатывание ИС драйверов затвора является главной причиной возникновения электрического перенапряжения.
Слишком большое смещение нулевого потенциала ИС драйвера затвора в нижнем плече относительно нулевого потенциала ИС контроллера может стать причиной ложных срабатываний. (Заметим, что уровни входного сигнала стандартных ИС драйвера затвора в нижнем плече указываются относительно земляного потенциала драйвера затвора). Одноканальные драйверы затворов 1EDN7550 и 1EDN8550 нижнего плеча от компании Infineon предотвращают ложное срабатывание силовых ключей в импульсных источниках питания в промышленном, серверном, телекоммуникационном оборудовании, а также в системах беспроводной зарядки, DC/DC-преобразователях, электроинструментах и солнечных микроинверторах.
Проектирование схем с жесткой коммутацией
В топологиях с жесткой коммутацией, например в повышающих каскадах ККМ и TTF, особое внимание следует уделять паразитным индуктивностям вывода истока силовых ключей и тракту заземления печатной платы. Жесткая коммутация сопровождается высокими значениями dI/dt, что вкупе с паразитными индуктивностями приводит к возникновению коммутационного шума на заземляющем слое. Этот шум представляет собой высокочастотные колебания напряжения в диапазоне 60–120 МГц с амплитудами до ±70 В (см. рис. 1). Он является основной причиной изменения в переходном процессе нулевого потенциала между ИС контроллера и ИС драйвера затвора. Чем выше номинальная мощность импульсного источника питания, тем ощутимее проявляется этот эффект. Более того, если схема печатной платы оказалось неоптимальной из-за стоимостных ограничений и требований к проектированию промышленных систем, ситуация ухудшается в еще большей степени.
Решение этой задачи является достаточно сложным и часто компромиссным. В основном, чем ниже паразитные индуктивности заземления в силовом контуре, тем меньше возникающие в заземлении колебания и риск ложных срабатываний. У разработчиков имеется всего несколько способов свести к минимуму нежелательное изменение нулевого потенциала.
Прежде всего, ограничивается контур протекания тока затвора, проводники заземления выполняются с минимально возможным импедансом или проводники на выходе драйвера затвора делаются как можно более широкими. Применение безвыводных силовых ключей или силовых ключей с раздельным подключением по схеме Кельвина позволяет в еще большей мере уменьшить влияние жесткой коммутации на схему управления затвором.
Ложные срабатывания
Стандартные ИС драйверов затвора нижнего плеча подвержены ложным срабатываниям. В этих ИС интерпретация управляющего сигнала и порогового уровня срабатывания всегда осуществляется путем сравнения с нулевым потенциалом этой микросхемы.
Из рисунка 2, например, видно, что входной сигнал имеет низкое логическое значение, если его напряжение не превышает 0,8 В относительно земли. Если же это напряжение выше 2,0 В, происходит логическое включение.
Чтобы лучше понять проблему, которая возникает при изменении нулевого потенциала ИС драйвера затвора, будем исходить из того, что входы этой микросхемы подключены к управляющему контроллеру. В некоторых схемах потенциал заземляющего контакта этой ИС намного отличается от потенциала заземляющего контакта ИС контроллера, что приводит к неудовлетворительным последствиям. Например, так может происходить, если ИС контроллера находится на дочерней плате, которая стыкуется с основной платой с установленным на ней источником питания.
Часто для управления силовыми ключами с истоком, подключаемым по схеме Кельвина, рекомендуется использовать гальванически изолированную ИС драйвера затвора, чтобы уменьшить площадь контура и, соответственно, его паразитную индуктивность. Измерения таких схем показали, что колебания между заземлением ИС ШИМ-контроллера и заземлением ИС драйвера затвора достигают ±50 В (см. рис. 1).
На практике схемы импульсных источников питания, где расстояние между ИС драйвера затвора и ИС контроллера превышает заданное, – достаточно распространенное явление. Часто требования к механической конструкции системы, а также стоимость компонентов и печатных плат являются определяющими для принятия решения о реализации проекта, а обеспечение максимальной эффективности маломощных импульсных источников питания – не всегда главная цель. Исходя из этих соображений, разработчики используют одно- или двухслойные печатные платы, обходясь без изолированных ИС драйверов затвора.
В результате паразитные индуктивности заземления превышают заданный уровень. В таких приложениях при коммутации силовых ключей динамическое изменение земляного потенциала между ШИМ-контроллером и драйвером затвора может легко достигать ±20 В.
Решение проблемы с изменением земляного потенциала
У микросхемы драйвера затвора нижнего плеча с дифференциальными входами только разница напряжений между ее входными выводами определяет состояние «Вкл» или «Выкл» его выходов. Дифференциальное входное напряжение этой ИС в значительной мере не зависит от потенциала заземляющего вывода драйвера. Например, если потенциал VВХ+ выше потенциала VВХ– на 1,8 В, эта разница трактуется как сигнал логического включения. Разность не более 1,5 В интерпретируется как сигнал выключения.
Одноканальные ИС драйверов 1EDN7550B и 1EDN8550B нижнего плеча, входящие в семейство EiceDRIVERот компании Infineon, позволяют решить проблемы статического изменения земляного потенциала вплоть до уровней ±70 В. Если земляной потенциал изменяется в переходном процессе, что обычно случается под влиянием наведенного шума при коммутации ключей, эти ИС драйвера затвора устойчиво работают в диапазоне ±150 ВПИК. Компоненты 1EDN7550B и 1EDN8550B позволяют использовать одноканальную ИС драйвера затвора нижнего плеча для управления силовым ключом со схемой Кельвина, например CoolMOS P7, C7 или G7 в повышающих 2,5-кВт схемах ККМ. Необходимость в развязывании заземляющего контура от гальванически изолированной ИС драйвера затвора отсутствует.
В таблице приведены некоторые параметры ИС драйверов 1EDN7550B и 1EDN8550B семейства EiceDRIVER.
Поскольку функционирование этих ИС драйвера затвора основано на определении разности напряжений между двумя входами, рядом с контактами двух входов ИС драйвера затвора установлены два синфазных резистора RСИНФ1 и RСИНФ2 (см. рис. 3–4). В этой топологии проводники дифференциальной пары должны быть выполнены идентично; при этом минимизируется влияние паразитных параметров.
Поскольку выходные контакты и вывод VDD распложены, как и в большинстве широко применяемых одноканальных ИС драйвера затвора нижнего плеча (см. рис. 5), при замене имеющихся компонентов микросхемами 1EDN7550 или 1EDN8550 придется модифицировать только топологию печатной платы, связанную с входными сигналами. Небольшой 6-выводной корпус SOT-23 ИС 1EDN7550B и 1EDN8550B серии EiceDRIVER позволяет увеличить плотность мощности по сравнению с использованием гальванически изолированных ИС драйверов затвора.
Кроме того, этот корпус позволяет устанавливать ИС драйверов затвора оптимальным способом в зависимости от подключения затвора ключа. Какими бы сложными ни были технические или конструктивные задачи проектирования систем с импульсными источниками питания, комбинация высокого качества и надежности ИС драйвера затвора нижнего плеча с дифференциальными управляющими входами позволяет быстрее вывести изделия на рынок, повысить плотность мощности, эффективность и устойчивость систем при меньшей стоимости по сравнению с традиционными решениями [1].
Ссылки
1. www.infineon.com/TDI.
Таблица. Параметры ИС драйверов 1EDN7550B и 1EDN8550B семейства EiceDRIVER
Тип |
Устойчивость к изменению земляного потенциала |
UVLO |
Корпус |
|
динамическая |
статическая |
|||
1EDN7550B |
±150 В |
±70 В |
4 В |
6-выв. SOT-23 |
1EDN7550B |
±150 В |
±70 В |
8 В |
6-выв. SOT-23 |
Рис. 1. Пример коммутационного шума
+35 V – 35 В
-50 V — –50 В
typically 60 MHz to 120 MHz – как правило, в диапазоне 60–120 МГц
Рис. 2. У стандартной ИС драйвера затвора нижнего плеча уровни входных сигналов измеряются относительно земляного потенциала драйвера
ONifVIN_Hmin 2.0V – ВКЛ, если VВХ_ВЕРХмин = 2,0 В
OFFifVIN_Hmax 0.8V – ВЫКЛ, если VВХ_НИЖмакс = 0,8 В
Рис. 3. Драйвер 1EDN7550 ключа CoolMOSSuperJunction на однослойной печатной плате
PWM Controller – ШИМ-контроллер
ParasiticGNDinductance – Паразитная индуктивность земляного проводника
Parasiticsourceinductance – Паразитная индуктивность истока
OUTsource – Выход для вытекающего тока
OUTsink – Выход для втекающего тока
RCM1 – RСИНФ1
RCM2 – RСИНФ2
Рис. 4. Драйвер 1EDN8550 ключа CoolMOS с истоком, подключенным по схеме Кельвина, в повышающей схеме ККМ
PFCcontroller – Контроллер ККМ
OUTsource – Выход для вытекающего тока
OUTsink – Выход для втекающего тока
or – или
Kelvin-Sourcecontact – Слаботочный вывод истока (вывод Кельвина)
Parasiticsourceinductance – Паразитная индуктивность истока
RBIAS – RСМЕЩ
CBIAS – CСМЕЩ
RCURRENTSENSE – RИЗМ ТОКА
RCM1 – RСИНФ1
RCM2 – RСИНФ2
Рис. 5. Разводка выводов ИС драйверов 1EDN7550B и 1EDN8550B семейства EiceDRIVER