Hoe drivers selecteren en ermee aan de slag gaan

Elk discreet schakelend voedingsapparaat heeft een driver nodig, of dat apparaat nu een discrete silicium metaaloxide silicium veldeffecttransistor (MOSFET), siliciumcarbide (SiC) MOSFET, geïsoleerde gate bipolaire transistor (IGBT) of een module is. De driver is de interfacecomponent of "brug" tussen de laagspannings-, laagstroomuitgang van de systeemprocessor die werkt in een gecontroleerd, goedaardig scenario en de ruige wereld van het schakelapparaat met zijn strikte vereisten voor stroom, spanning en timing.

Het selecteren van de juiste driver voor het schakelende apparaat is een uitdaging voor ontwerpers vanwege de eigenaardigheden van het voedingsapparaat en de onvermijdelijke parasieten in het circuit en de lay-out. Dit vereist een zorgvuldige afweging van de parameters van het type schakelaar (silicium (Si) of siliciumcarbide (SiC)) en de toepassing. Fabrikanten van voedingsapparaten stellen vaak geschikte stuurprogramma's voor en bieden deze zelfs aan, maar sommige driver-gerelateerde factoren moeten worden aangepast aan de specifieke kenmerken van de toepassing.

Hoewel er in de meeste gevallen een logische basisprocedure is om dit te doen, worden sommige instellingen, zoals de waarde van de gatedrive-weerstand, bepaald door een iteratieve analyse en moeten ze ook worden geverifieerd door praktische tests en evaluaties. Deze stappen kunnen een toch al complex proces nog ingewikkelder maken en een ontwerp vertragen zonder duidelijke richtlijnen.

Dit artikel bespreekt kort de rol van de gatedriver. Daarna volgt een handleiding voor het kiezen van een driver en de stappen die nodig zijn om compatibiliteit met het gekozen vermogenschakelapparaat te garanderen. Ter illustratie van de belangrijkste punten worden voorbeeldapparaten met lager en hoger vermogen van Infineon Technologies AG geïntroduceerd, samen met bijbehorende evaluatieborden en kits.

De rol van de gatedriver

Eenvoudig gezegd is een gatedriver een vermogensversterker die een laag-level, laag-vermogen ingang van een controller-IC (meestal een processor) accepteert en de juiste hoge-stroom gatedrive produceert bij de benodigde spanning om het voedingsapparaat aan en uit te zetten. Achter die eenvoudige definitie gaat een complexe wereld schuil van spanning, stroom, slewrates, parasieten, transiënten en beveiliging, naast andere zaken. De driver moet voldoen aan de systeembehoeften en de vermogensschakelaar scherp aansturen, zonder doorschieten of rinkelen, zelfs als parasieten en transiënten een steeds grotere uitdaging vormen naarmate de schakelsnelheden toenemen.

Drivers kunnen in verschillende configuraties worden gebruikt. De meest voorkomende zijn de enkele driver aan de lage kant, de enkele driver aan de hoge kant en de dubbele driver aan de hoge en lage kant.

In het eerste geval is het voedingsapparaat (schakelaar) verbonden tussen de belasting en aarding, terwijl de belasting zich tussen de voedingsrail en de schakelaar bevindt (Afbeelding 1). (Merk op dat deze aarding beter een "common" kan worden genoemd, aangezien er geen echte aarding is, maar in plaats daarvan een gemeenschappelijk circuitpunt dat het 0 volt-punt definieert).

Afbeelding 1: In de low-side configuratie worden de driver en de schakelaar tussen de belasting en circuitaarde/common geplaatst. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

In de complementaire high-side opstelling is de schakelaar rechtstreeks verbonden met de voedingsrail, terwijl de belasting zich tussen de schakelaar en aarde/gemeenschappelijk bevindt (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Bij de high-side configuratie wordt de plaats van de schakelaar ten opzichte van de belasting en de voedingsrail omgedraaid. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Een andere veelgebruikte topologie is de high-side/low-side koppeling die wordt gebruikt om twee schakelaars aan te sturen die in een brugopstelling zijn aangesloten (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: In de gecombineerde high-side/low-side koppeling worden twee schakelaars afwisselend aangedreven, met de belasting ertussen. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Hoe zit het met isolatie?

De hoog/laag-regeling vereist de toevoeging van twee schakelfuncties, getoond in Afbeelding 4:

Afbeelding 4: De high-side/low-side opstelling vereist ook een zwevende voeding voor de high-side en een level shifter voor het stuursignaal. (Bron afbeelding: Talema Group)

De bovenste (high-side) driver en het schakelapparaat zijn "zwevend" zonder massareferentie, wat leidt tot een andere vereiste in veel gatedriver/vermogensschakelaar-configuraties: de noodzaak van galvanische (ohmse) isolatie tussen de driverfunctie en de aangedreven schakelaar.

Isolatie betekent dat er geen elektrisch pad is voor stroomstroming tussen de twee zijden van de isolatiebarrière, maar dat signaalinformatie er toch doorheen moet. Deze isolatie kan worden bereikt met optocouplers, transformatoren of condensatoren.

Elektrische isolatie tussen verschillende functionele circuits in een systeem voorkomt een direct geleidingspad tussen deze circuits, waardoor individuele circuits verschillende aardpotentialen kunnen hebben. De barrière moet bestand zijn tegen de volledige railspanning (plus een veiligheidsmarge), die kan variëren van tientallen tot duizenden volt. Door het ontwerp voldoen de meeste isolatoren gemakkelijk aan het mandaat van meer dan duizend volt.

Terwijl high-side gatedrivers isolatie nodig kunnen hebben om een correcte werking te garanderen, afhankelijk van de specifieke topologie, vereisen gatedrive-circuits voor vermogensinverters en -convertors vaak elektrische isolatie voor veiligheidsdoeleinden die niets te maken hebben met hun "massa"-status. Isolatie wordt voorgeschreven door regelgevende en veiligheidscertificerende instanties om schokgevaren te voorkomen door ervoor te zorgen dat een hoge spanning een gebruiker letterlijk niet kan bereiken. Het beschermt ook de laagspanningselektronica tegen schade door fouten in het hoogspanningscircuit en menselijke fouten aan de besturingszijde.

Veel configuraties van voedingsapparaten vereisen een geïsoleerd gatedrive-circuit. Er zijn bijvoorbeeld hoge en lage schakelaars in topologieën van vermogensomzetters zoals halfbrug, volbrug, buck, twee-schakelaars forward en active clamp forward, omdat drivers aan de lage kant niet kunnen worden gebruikt om het bovenste voedingsapparaat rechtstreeks aan te sturen.

De bovenste voedingsapparaten hebben een geïsoleerde gatedriver en "zwevende" signalen nodig omdat ze geen verbinding hebben met het aardpotentiaal; als ze dat wel hadden, zouden ze hun complementaire driver en vermogensschakelaar kortsluiten. Als gevolg van deze vereiste, en dankzij de technologische vooruitgang, zijn er gatedrivers beschikbaar die ook isolatie bevatten, waardoor er geen aparte isolatieapparaten meer nodig zijn. Dit vereenvoudigt op zijn beurt de lay-out van hoogspanningsinstallaties en maakt het eenvoudiger om te voldoen aan de regelgeving.

De relatie tussen driver en schakelapparaat fijn afstellen

Gatedriver-IC's moeten de hoge schakelsnelheden van SiC MOSFET's ondersteunen, die een zwenksnelheid van 50 kilovolt per microseconde (kV/µs) of meer kunnen bereiken en sneller kunnen schakelen dan 100 kilohertz (kHz). Si-apparaten worden aangestuurd met een typische spanning van 12 volt om in te schakelen en gebruiken 0 volt om uit te schakelen.

In tegenstelling tot Si-apparaten hebben SiC MOSFET's meestal +15 tot +20 volt nodig om aan te gaan en -5 tot 0 volt om uit te gaan. Daarom hebben ze mogelijk een driver-IC nodig met twee ingangen, één voor de inschakelspanning en één voor de uitschakelspanning. SiC MOSFET's vertonen alleen een lage inschakelweerstand als ze worden aangedreven door een aanbevolen gatebronspanning (_Vgs) van 18 tot 20 volt, wat aanzienlijk hoger is dan de 10 tot 15 volt waarde van _Vgs die nodig is om Si MOSFET's of IGBT's aan te drijven.

Een ander verschil tussen Si en SiC is dat de omgekeerde herstellading (_Qrr) van de "freewheeling" intrinsieke lichaamsdiode van het SiC-apparaat vrij laag is. Ze vereisen een gatedriver met hoge stroom om snel de volledige vereiste poortlading (_Qg) te leveren.

Het vaststellen van de juiste relatie tussen de gatedriver en schakelapparaat is cruciaal. Een essentiële stap hier is het bepalen van de optimale waarde van de externe gateweerstand, aangeduid als R_G,ext, tussen de driver en het schakelapparaat (Afbeelding 5). Er is ook een interne gateweerstand in het voedingsapparaat, aangeduid als R_G,int, die in serie staat met de externe weerstand, maar de gebruiker heeft geen controle over deze waarde, hoewel deze nog steeds belangrijk is.

Afbeelding 5: Het is essentieel om de juiste waarde te bepalen voor de externe gateweerstand tussen de driver en het voedingsapparaat om de prestaties van het paar te optimaliseren. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Het bepalen van deze weerstandswaarde is een proces in vier stappen dat meestal iteratie inhoudt, omdat sommige aspecten van de prestaties van het paar na analyse en modellering "op de proefbank" moeten worden geëvalueerd. In het kort is de algemene procedure als volgt:

Stap 1: Bepaal de piekstroom (_Ig) op basis van waarden in de datasheet en selecteer een geschikte gatedriver.

Stap 2: Bereken de waarde van de externe gateweerstand (R_G,ext) op basis van de gatespanning van de toepassing.

Stap 3: Bereken de verwachte vermogensdissipatie (_PD) van de gatedriver-IC en de externe gateweerstand.

Stap 4: Valideer de berekeningen op de testbank om te bepalen of de driver krachtig genoeg is om de transistor aan te sturen en of de vermogensdissipatie binnen de toegestane limieten valt:

1. Controleer de afwezigheid van parasitaire inschakelgebeurtenissen die worden veroorzaakt door de dv/dt-transiënten onder de slechtst denkbare omstandigheden.
2. Meet de temperatuur van het gatedriver-IC tijdens stationair bedrijf.
3. Bereken het piekvermogen van de weerstand en controleer dit aan de hand van de waarde voor een enkele puls.

Deze metingen zullen bevestigen of de aannames en berekeningen resulteren in veilig schakelgedrag (geen oscillatie, juiste timing) van de SiC MOSFET. Zo niet, dan moet de ontwerper stap 1 tot en met 4 herhalen met een aangepaste waarde voor de externe gateweerstand.

Zoals bij bijna alle technische beslissingen zijn er afwegingen tussen meerdere prestatiefactoren bij het kiezen van een componentwaarde. Als er bijvoorbeeld oscillaties zijn, kan het veranderen van de waarde van de gateweerstand deze elimineren. Het verhogen van de waarde zal de zwenksnelheid van dv/dt verlagen, omdat de transistorsnelheid zal vertragen. Een lagere weerstandswaarde leidt tot sneller schakelen van het SiC-apparaat, wat leidt tot hogere dv/dt-transiënten.

Het bredere effect van het verhogen of verlagen van de waarde van de externe gateweerstand op kritieke prestatieoverwegingen van de gatedriver wordt getoond in Afbeelding 6.

Afbeelding 6: Het verhogen of verlagen van de waarde van de externe gateweerstand heeft invloed op veel prestatiekenmerken, dus ontwerpers moeten de afwegingen beoordelen. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Geen behoefte aan compromissen

Hoewel compromissen deel uitmaken van het systeemontwerp, kunnen de juiste componenten die compromissen aanzienlijk beperken. De EiceDRIVER-gatedriver-IC's van Infineon bieden bijvoorbeeld een hoge energie-efficiëntie, ongevoeligheid voor ruis en robuustheid. Verder zijn ze eenvoudig te gebruiken met functies zoals snelle kortsluitbeveiliging; desaturatiefoutdetectie en -beveiliging (DESAT); actieve Miller-clamp; slewrate-regeling; doorschietbeveiliging; fout-, uitschakel- en overstroombeveiliging; en I²C digitale configureerbaarheid.

De drivers zijn zeer geschikt voor zowel silicium als wide-bandgap voedingsapparaten. Ze variëren van niet-geïsoleerde low-side drivers met een lager vermogen en een lagere spanning tot geïsoleerde kilovolt/kilowatt (kV/kW) apparaten. Er zijn ook dubbele en meerkanaalsdrivers beschikbaar, wat in sommige situaties een goede optie is.

Een 25 volt low-side gatedriver

Uit de reeks apparaten is de 1ED44176N01FXUMA1 een 25 volt low-side gatedriver in een DS-O8-pakket (Afbeelding 7). Deze MOSFET en IGBT-driver met niet-inverterende gate voor laagspanning is uitgerust met gepatenteerde latch-immune CMOS-technologieën die een robuuste monolithische constructie mogelijk maken. De logische ingang is compatibel met standaard 3,3, 5 en 15 volt CMOS of LSTTL uitgangen en bevat Schmitt-getriggerde ingangen om valse signaaluitschakelingen te minimaliseren, terwijl de uitgangsdriver een stroombuffertrap heeft. Hij kan apparaten van 50 ampère (A)/650 volt tot 50 kHz aansturen en richt zich op huishoudelijke apparaten en infrastructuur met AC-lijnvoeding, zoals warmtepompen.

Afbeelding 7: De 1ED44176N01FXUMA1 is een miniatuur gatedriver in een DS-08-pakket voor toepassingen met een lagere spanning/vermogen en beschikt over eigen latch-immune CMOS-technologieën. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Een van de belangrijkste specificaties van de 1ED44176N01FXUMA1 is een typische kortsluitpulsstroom aan de uitgang (<10 µsec puls) van 0,8 A bij 0 volt, terwijl de kortsluitpulsstroom aan de uitgang 1,75 A bedraagt bij 15 volt. Kritische dynamische specificaties omvatten een inschakel- en uitschakeltijd van 50 nanoseconden (ns) (typisch)/95 ns (maximum), terwijl de inschakelstijgtijd 50/80 ns (typisch/maximum) is en de uitschakelstijgtijd 25/35 ns (typisch/maximum).

Het aansluiten van de 1ED44176N01F is relatief eenvoudig, met een pin voor de detectie van overstroombeveiliging (OCP) en een FAULT-statusuitgang (Afbeelding 8). Er is ook een speciale pin om de tijd voor het opheffen van fouten te programmeren. De EN/FLT-pin moet omhoog getrokken worden voor een normale werking, terwijl het omlaag trekken de driver uitschakelt. Interne schakelingen op de V_CC-pin bieden een onderspanningsbeveiliging die de uitgang laag houdt totdat de V_CC-voedingsspanning weer binnen het vereiste werkingsbereik is. Aparte logica- en voedingsaardings verbeteren de ongevoeligheid voor ruis.

Afbeelding 8: Met slechts acht pinnen is de 1ED44176N01F-gatedriver relatief eenvoudig aan te sluiten op de processor en het voedingsapparaat. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Hoewel relatief eenvoudig aan te sluiten, kunnen gebruikers van deze gatedriver en het bijbehorende voedingsapparaat hun voordeel doen met het EVAL1ED44176N01FTOBO1-evaluatiebord (Afbeelding 9). Met behulp van dit bord kunnen ontwerpers de stroomvoerende shuntweerstand (R_CS), het weerstands- en condensatorfilter (RC) voor OCP- en kortsluitbeveiliging en de foutopheffingscondensator selecteren en beoordelen.

Afbeelding 9: Met het EVAL1ED44176N01FTOBO1-evaluatiebord kunnen ontwerpers belangrijke werkingspunten van de gatedriver met een bijbehorend schakelapparaat instellen en meten. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

SiC MOSFET-gatedriver met hoge spanning

De 1EDI3031ASXUMA1, een geïsoleerde, enkelkanaals 12 A SiC MOSFET-gatedriver met een nominale spanning van 5700 V_RMS, heeft een veel hoger spanningsniveau dan de AC-line home appliance gatedriver en de bijbehorende voedingsapparaten (Afbeelding 10). Deze driver is een hoogspanningsapparaat ontworpen voor automotordrives van meer dan 5 kW, dat 400, 600 en 1200 volt SiC MOSFET's ondersteunt.

Afbeelding 10: De EDI3031AS is een geïsoleerde, enkelkanaals 12 A SiC MOSFET-gate ontworpen voor automotordrives van meer dan 5 kW. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Het apparaat maakt gebruik van de kernloze transformatortechnologie (CT) van Infineon om galvanische isolatie te implementeren (Afbeelding 11).

Afbeelding 11: Voor de galvanische scheiding wordt een bedrijfseigen kernloze transformator gebruikt, afgebeeld (links) en geconstrueerd (rechts). (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Deze technologie heeft verschillende kenmerken. Hij maakt grote spanningsschommelingen van ±2300 volt of meer mogelijk, biedt immuniteit tegen negatieve en positieve transiënten en heeft lage vermogensverliezen. Daarnaast heeft het een extreem robuuste signaaloverdracht die onafhankelijk is van common-mode ruis en ondersteunt common-mode transit immuniteit (CMTI) tot 300 volt/ns. Bovendien zorgt de strakke afstemming op de propagatievertraging voor tolerantie en robuustheid zonder variaties door veroudering, stroom en temperatuur.

De 1EDI3031ASXUMA1 driver ondersteunt SiC MOSFET's tot 1200 volt, met rail-to-rail-uitgang met 12 A piekstroom en een typische propagatievertraging van 60 ns. Hij heeft een CMTI tot 150 V/ns bij 1000 volt en zijn 10 A geïntegreerde actieve Miller-clamp ondersteunt unipolair schakelen.

Deze specifieke driver richt zich op tractieomvormers voor elektrische voertuigen (EV's), hybride EV's (HEV's) en hulpinverters voor beide. Om deze reden zijn er verschillende veiligheidsfuncties geïntegreerd die ASIL B(D)-classificaties ondersteunen, evenals productvalidatie volgens AEC-Q100. Deze functies omvatten redundante DESAT en OCP; gate- en eindtrapbewaking; doorschietbeveiliging; primaire en secundaire voedingsbewaking; en interne supervisie. De 8 kV basisisolatie voldoet aan VDE V 0884-11:2017-01 en is UL 1577 erkend.

Vanwege het vermogensniveau en om te voldoen aan de eisen van de auto-industrie, is de 1EDI3031ASXUMA1-driver veel meer dan een krachtig maar "dom" apparaat. Naast alle veiligheidsfuncties implementeert het een toestandsdiagram om de juiste functionaliteit te garanderen (Afbeelding 12). De "indringende" diagnosefuncties bieden de mogelijkheid om naar een "veilige staat" te gaan in geval van een systeemstoring.

Afbeelding 12: De verfijning en zelfcontrole voor de integriteit van de 1EDI3031ASXUMA1-gatedriver worden duidelijk geïllustreerd door het toestandsdiagram van zijn bedrijfsmodi. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Ontwerpers die werken met de 1EDI3031ASXUMA1 kunnen snel aan de slag met het 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1-evaluatiebord voor de EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER-gatedriverfamilie (Afbeelding 13).

Afbeelding 13: Het 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1-evaluatiebord voor de EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER-gatedriverfamilie stelt ontwerpers in staat om deze high-power driver met een bijbehorend voedingsapparaat te beoordelen. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

Dit veelzijdige evaluatieplatform heeft een halfbrugconfiguratie, getoond in Afbeelding 14. Hiermee kan de HybridPACK DSC IGBT-module of een afzonderlijk PG-TO247-3-voedingsapparaat worden gemonteerd.

Afbeelding 14: Het 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1-evaluatiebord implementeert een geïsoleerde halfbrugopstelling en kan worden gebruikt met modules of discrete apparaten. (Bron afbeelding: Infineon Technologies AG)

De gedetailleerde datasheet voor deze evaluatiekaart bevat onder andere het schema, de stuklijst, details over hoe en waar de verschillende aansluitingen moeten worden gemaakt, configuratiedetails, bedieningsvolgordes en LED-indicatoropschrijvingen.

Conclusie

Gatedrivers zijn de kritische interface tussen een laag-niveau, laag-vermogen digitale processoruitgang en de hoog-niveau, hoog-vermogen, hoge-stroomvereisten van de gate van een voedingsapparaat zoals een Si of SiC MOSFET. Het goed afstemmen van de driver op de kenmerken en vereisten van het voedingsapparaat is cruciaal voor een succesvol, betrouwbaar schakelcircuit voor voedingssystemen zoals omvormers, motoraandrijvingen en verlichtingsregelaars. Zoals te zien is, helpt een breed en diep assortiment drivers, gebaseerd op meerdere geavanceerde en gepatenteerde technologieën en ondersteund door evaluatiekaarten en kits, ontwerpers om een optimale match te garanderen.

Gerelateerde inhoud

1. Kies in een paar stappen een gatedriver voor uw siliciumcarbide MOSFET
2. Elke schakelaar heeft een driver nodig
3. Infineon EiceDRIVER™-gatedriver-IC's selectiegids 2022
4. Gatedriver-IC's: EiceDRIVER™-gatedriver-IC's voor MOSFET's, IGBT's, SiC MOSFET's en GaN HEMT's.
5. AN2018-03 low-side driver met overstroombeveiliging en fout/vrijgave 1ED44176N01F technische beschrijving