Maximaliseer de efficiëntie van de besturing van voedingsapparaten met de juiste gate-driver vermogensconvertor

Van stroomvoorzieningen en motoraandrijvingen tot laadstations en talloze andere toepassingen, schakelende vermogenshalfgeleiders zoals MOSFET's van silicium (Si), siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), alsook bipolaire transistoren met geïsoleerde poort (IGBT's), zijn de sleutel tot efficiënte ontwerpen van vermogenssystemen. Om de maximale prestaties van het voedingsapparaat te bereiken, is echter een geschikte poortdriver nodig.

Zoals de naam al aangeeft, bestaat de rol van dit onderdeel erin de poort van het voedingsapparaat aan te drijven en het zo snel en scherp in de geleidingsmodus te brengen of uit de geleidingsmodus te halen. Dit vereist dat de driver in staat is voldoende stroom te leveren/onttrekken ondanks interne apparaat- en zwerf(parasitaire) capaciteit, inductantie en andere problemen bij de belasting (gate). Bijgevolg is de levering van een gatedriver van de juiste afmetingen en met de juiste sleutelkenmerken van cruciaal belang om het volledige potentieel en de efficiëntie van het vermogenstoestel te realiseren. Om het maximale uit de gatedriver te halen, moet de ontwerper echter speciale aandacht besteden aan de gelijkstroomvoeding van de driver, die onafhankelijk is van de DC-rail van de power-device. Deze voorziening is vergelijkbaar met een conventionele voorziening, maar met enkele belangrijke verschillen. Het kan een unipolaire voeding zijn, maar in veel gevallen gaat het om een niet-symmetrische bipolaire voeding, samen met andere functionele en structurele verschillen. Ontwerpers moeten ook aandacht besteden aan de vormfactor in termen van printplaatafmetingen en low-profile vereisten, en aan de compatibiliteit met de beoogde assemblage- en fabricageprocessen van een ontwerp.

In dit artikel wordt ingegaan op voedingen voor gate-drivers, waarbij als voorbeeld de surface mount device (SMD) DC/DC-voedingen uit de Murata Power Solutions MGJ2-serie van 2-watt gatedrive DC/DC-convertors worden gebruikt.

Begin met schakelapparatuur

Een goed begrip van de rol en de gewenste eigenschappen van de gatedriver DC/DC-convertor begint bij de schakelapparatuur. Voor een MOSFET als schakelapparaat wordt het gate-source pad gebruikt om de uit- of inschakeltoestand van het apparaat te regelen (IGBT's zijn vergelijkbaar). Wanneer de gatesource-spanning lager is dan de drempelspanning (V_GS < V_TH), bevindt de MOSFET zich in zijn uitschakelgebied, vloeit er geen drainstroom, I_D = 0 ampère (A), en verschijnt de MOSFET als een "open schakelaar" (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: In de uitgeschakelde modus ziet het drain-source pad van de MOSFET eruit als een open schakelaar. (Bron afbeelding: Quora)

Omgekeerd, wanneer de gate-source spanning veel hoger is dan de drempelspanning (V_GS > V_TH), bevindt de MOSFET zich in zijn verzadigingsgebied, vloeit de maximale drainstroom (I_D = V_DD /R_L), en verschijnt de MOSFET als een "gesloten schakelaar" met lage weerstand (Afbeelding 2). Voor de ideale MOSFET zou de drain-source spanning nul zijn (V_DS = 0 volt), maar in de praktijk ligt V_DS gewoonlijk rond 0,2 volt als gevolg van de interne aan-weerstand R_DS(on), die gewoonlijk minder dan 0,1 Ohm (Ω) bedraagt en zelfs enkele tientallen milliogrammen kan bedragen.

Afbeelding 2: In verzadigingsmodus lijkt de MOSFET-drain-bronweg op een schakelaar met lage weerstand. (Bron afbeelding: Quora)

Hoewel schematische diagrammen doen vermoeden dat de spanning die op de gate wordt gezet de MOSFET in- en uitschakelt, is dat slechts een deel van het verhaal. Deze spanning drijft stroom in de MOSFET tot er voldoende geaccumuleerde lading is om hem in te schakelen. Afhankelijk van de grootte (stroomsterkte) en het type van de schakelende aandrijving, kan de hoeveelheid stroom die nodig is om snel in de volledig ingeschakelde toestand te komen slechts enkele milliampères (mA) tot enkele ampères (A) bedragen.

De functie van de gate-driver is om voldoende stroom naar de gate te sturen om de MOSFET snel en scherp in te schakelen, en om die stroom er omgekeerd weer uit te trekken om de MOSFET uit te schakelen. Meer formeel moet de poort worden aangedreven door een bron met lage impedantie die in staat is voldoende stroom te leveren en te leveren voor een snelle invoeging en onttrekking van de controlerende lading.

Als de MOSFET-gate eruit zou zien als een zuiver resistieve belasting, zou deze stroom relatief eenvoudig kunnen worden aan- en afgevoerd. Een MOSFET heeft echter interne capacitieve en inductieve parasitaire elementen, en er zijn ook parasitaire elementen van de verbindingen tussen de driver en het voedingsapparaat (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Dit model van een MOSFET toont de parasitaire capaciteit en inductie die de prestaties van de driver beïnvloeden. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Het resultaat is een ringing van het gatedrive-signaal rond de drempelspanning, waardoor het apparaat een of meer keren aan en uit gaat op zijn weg naar volledig aan of uit; dit is enigszins analoog aan de "switch bounce" van een mechanische schakelaar (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Ringing van de uitgang van de driver als gevolg van parasieten in de MOSFET-belasting kan leiden tot ringing en valse activering, vergelijkbaar met mechanische-switch bounce. (Bron afbeelding: Learn About Electronics)

De gevolgen variëren van onopgemerkt of slechts hinderlijk bij een terloopse toepassing zoals het aan- of uitschakelen van een lamp, tot waarschijnlijke schade in de op grote schaal gebruikte PWM-schakelingen (Pulse-width modulation) van voedingen, motoraandrijvingen en soortgelijke subsystemen. Het kan kortsluiting en zelfs permanente schade veroorzaken in de standaard half- en volbrug topologieën waar de belasting tussen een bovenste en onderste MOSFET paar is geplaatst als beide MOSFET's aan dezelfde kant van de brug gelijktijdig worden ingeschakeld, zelfs voor een ogenblik. Dit verschijnsel staat bekend als "shoot-through" (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: In tegenstelling tot de normale MOSFET-inschakeling van Q1 en Q4 (links), of Q2 en Q3 (rechts), zal, indien Q1 en Q2, of Q3 en Q4 van de brug gelijktijdig worden ingeschakeld als gevolg van driverproblemen of andere oorzaken, een onaanvaardbare en mogelijk schadelijke kortsluitingstoestand, shoot through genaamd, optreden tussen de voedingsrail en aarde. (Bron afbeelding: Quora)

Details gatedrive

Om stroom naar de gate te kunnen sturen, moet de spanning op de positieve rail hoog genoeg zijn om volledige verzadiging/versterking van de vermogensschakelaar te verzekeren, maar zonder het absolute maximumvoltage voor de gate te overschrijden. Hoewel deze spanningswaarde afhankelijk is van het specifieke type en model van het apparaat, zullen IGBT's en standaard MOSFETS over het algemeen volledig ingeschakeld zijn met een aandrijving van 15 volt, terwijl typische SiC MOSFETS dichter bij 20 volt nodig kunnen hebben voor een volledig ingeschakelde toestand.

De situatie met negatieve gatedrive-spanning is iets gecompliceerder. In principe is voor de off-state 0 volt op de gate voldoende. Een negatieve spanning, gewoonlijk tussen -5 en -10 volt, maakt echter een snelle schakeling mogelijk die wordt geregeld door een poortweerstand. Een passende negatieve drive zorgt ervoor dat de uit-spanning van de gate-emitter altijd nul of minder is.

Dit is van cruciaal belang omdat elke emitterinductie (L) (op punt "x" in figuur 6) tussen een schakelaar en de driverreferentie een tegengestelde gate-emitterspanning veroorzaakt wanneer de schakelaar uitschakelt. De inductantie mag dan klein zijn, maar zelfs een zeer kleine inductantie van 5 nanohenries (nH) (enkele millimeters draadverbinding) zal 5 volt produceren bij een di/dt zwenksnelheid van 1000 A per microseconde (A/μs).

Afbeelding 6: Zelfs een kleine emitterinductie op punt 'x' tussen een schakelaar en de driverreferentie als gevolg van lay-outoverwegingen kan een tegengestelde gate-emitterspanning opwekken wanneer de schakelaar uitschakelt, waardoor aan/uit "jitter" ontstaat. (Bron afbeelding: Murata Power Solutions)

Een negatieve gate-drive spanning helpt ook om het effect van collector/drain-to-gate Miller-effect capaciteit C_m, die stroom injecteert in de gate-drive circuit tijdens apparaat turn-off, te overwinnen. Wanneer het toestel wordt uitgeschakeld, stijgt de collector-gate spanning en vloeit een stroom met de waarde C_m × dV_ce/dt door de Miller-capaciteit, in de gate-naar-emitter/bron-capaciteit C_ge, en door de gate-weerstand naar de driver-kring. De resulterende spanning V_ge op de gate kan voldoende zijn om het toestel weer aan te zetten, wat kan leiden tot doorschieten en schade (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het gebruik van een negatieve gatedrive-spanning kan de tekortkomingen ondervangen die ontstaan door de aanwezigheid van de Miller-effect-capaciteit in een MOSFET of IGBT. (Bron afbeelding: Murata Power Solutions)

Door de gate negatief te sturen, wordt dit effect echter geminimaliseerd. Om deze reden zijn voor een effectief driver-ontwerp zowel positieve als negatieve spanningssporen nodig voor de gate-drive functie. Maar in tegenstelling tot de meeste bipolaire DC/DC-convertors die symmetrische uitgangen hebben (zoals +5 V en -5 V), zijn de voedingsrails voor de gatedriver gewoonlijk asymmetrisch met een positieve spanning die groter is dan de negatieve spanning.

Dimensionering van het vermogen van de convertor

Een kritische factor is hoeveel stroom de gatedriver-convertor moet leveren, en dus zijn vermogen. De basisberekening is vrij eenvoudig. In elke schakelcyclus moet de gate worden opgeladen en ontladen via de gateweerstand R_g. Het gegevensblad van het apparaat bevat een curve voor de gate charge Q_g-waarde, waarbij Q_g de hoeveelheid lading is die in de gate-elektrode moet worden geïnjecteerd om de MOSFET bij specifieke poortspanningen in te schakelen (aan te drijven). Het vermogen dat door de DC/DC-convertor moet worden geleverd, wordt afgeleid met de formule

Waarbij Q_g de gatespanning is voor een gekozen spanningszwaai van de gate (van positief naar negatief), met waarde V_s en bij frequentie F. Dit vermogen wordt gedissipeerd in de interne gateweerstand (R_int) van de inrichting en de externe serieweerstand, R_g. De meeste gatedrivers hebben een voeding van minder dan één tot twee watt nodig.

Een andere overweging is de piekstroom (I_pk) die nodig is om de gate op te laden en te ontladen. Dit is een functie van V_s, R_int, en R_g. Het wordt berekend met de formule:

In veel gevallen is deze piekstroom meer dan de DC/DC-convertor kan leveren. In plaats van over te schakelen op een grotere, duurdere voeding (die werkt bij een lage duty cycle), leveren de meeste ontwerpen de stroom in plaats daarvan met "bulk"-condensators op de voedingsrails van de driver, die door de convertor worden opgeladen tijdens de laagstroomgedeelten van de cyclus.

Basisberekeningen bepalen hoe groot deze bulkcondensators moeten zijn. Het is echter ook belangrijk dat zij een lage equivalente serieweerstand (ESR) en inductie (ESL) hebben, zodat de door hen geleverde transiënte stroom niet wordt belemmerd.

Andere overwegingen voor gatedriver-convertor

Gatedriver DC/DC-convertors hebben andere unieke problemen. Onder hen zijn:

- Regeling: De belasting van de DC/DC-convertor ligt dicht bij nul wanneer het apparaat niet schakelt. De meeste conventionele convertors hebben echter te allen tijde een minimale belasting nodig; anders kan hun uitgangsspanning dramatisch oplopen, mogelijk tot aan het niveau van de gate breakdown.

Wat er gebeurt is dat deze hoge spanning wordt opgeslagen op de bulkcondensators, zodat wanneer het apparaat begint te schakelen, het een overspanning van de gate kan zien totdat het niveau van de converter onder normale belasting daalt. Daarom moet een DC/DC-convertor met geklemde uitgangsspanningen of zeer lage minimumbelastingsvereisten worden gebruikt.

- Opstarten en uitschakelen: Het is belangrijk dat IGBT's en MOSFET's niet actief worden aangedreven door de PWM-regelsignalen totdat de spanningsrails van het aandrijfcircuit op hun aangewezen waarden zijn. Wanneer de gatedrive convertors echter worden in- of uitgeschakeld, kan er een voorbijgaande toestand ontstaan waarin de apparaten worden ingeschakeld, zelfs wanneer het PWM-signaal inactief is, hetgeen kan leiden tot doorschieten en schade. Daarom moeten de uitgangen van de DC/DC-convertor zich bij het aan- en uitschakelen goed gedragen met monotone stijging en daling (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Het is van cruciaal belang dat de uitgangen van de DC/DC-convertor zich tijdens de in- en uitschakelsequenties goed gedragen en geen spanningstransiënten vertonen. (Bron afbeelding: Murata Power Solutions)

- Isolatie- en koppelcapaciteit: Bij hoog vermogen gebruiken vermogensomvormers of convertors gewoonlijk een brugconfiguratie om netfrequent wisselstroom op te wekken of om bidirectionele PWM-aandrijving te leveren voor motoren, transformatoren of andere belastingen. Voor de veiligheid van de gebruiker en om aan de wettelijke voorschriften te voldoen, moeten het gate-drive PWM-signaal en de bijbehorende stroomrails van de high-side schakelaars galvanisch van massa geïsoleerd zijn, zonder een ohmse weg tussen beide. Voorts moet de isolatiebarrière robuust zijn en mag zij geen significante degradatie vertonen ten gevolge van herhaalde gedeeltelijke ontladingen tijdens de levensduur van het ontwerp.

Bovendien zijn er problemen als gevolg van capacitieve koppeling over de isolatiebarrière; dit is analoog aan lekstroom tussen de primaire en secundaire wikkelingen van een volledig geïsoleerde AC-lijntransformator. Dit leidt tot de eis dat het drivecircuit en de bijbehorende stroomrails immuun moeten zijn voor de hoge dV/dt van het schakelknooppunt en een zeer lage koppelcapaciteit moeten hebben.

Het mechanisme van dit probleem is te wijten aan de zeer snelle schakelkanten, typisch 10 kilovolts per microseconde (kV/μs), en zelfs zo hoog als 100 kV/μs voor de nieuwste GaN-apparaten. Deze snel slingerende dV/dt veroorzaakt een voorbijgaande stroom door de capaciteit van de scheidingsbarrière van de DC/DC-omzetter.

Aangezien stroom I = C x (dV/dt), resulteert zelfs een kleine barrièrecapaciteit van slechts 20 picofarads (pF) bij een schakeling van 10 kV/μs in een stroom van 200 mA. Deze stroom vindt een onbestemde retourroute door de regelaarschakeling terug naar de brug, waardoor spanningspieken ontstaan over aansluitweerstanden en inducties, die de werking van de regelaar en de gelijkmatige DC/DC-convertor kunnen verstoren. Een lage koppelingscapaciteit is dus zeer wenselijk.

Er is nog een ander aspect aan de basisisolatie en bijbehorende isolatie van de DC/DC-convertor. De isolatiebarrière is ontworpen om de nominale spanning continu te weerstaan, maar omdat de spanning wordt geschakeld, kan de barrière na verloop van tijd mogelijk sneller verslechteren. Dit is te wijten aan elektrochemische en partiële ontladingseffecten in het barrièremateriaal die alleen zouden optreden als gevolg van een vaste gelijkspanning.

De DC/DC-convertor moet daarom robuust geïsoleerd zijn en royale kruip- en vrije minimumafstanden hebben. Indien de convertorbarrière ook deel uitmaakt van een veiligheidsisolatiesysteem, gelden de wettelijke voorschriften van de desbetreffende instanties voor het vereiste isolatieniveau (basis, aanvullend, versterkt), de bedrijfsspanning, de vervuilingsgraad, de overspanningscategorie en de hoogte.

Om deze redenen zijn alleen gate-drive DC/DC-convertors met een geschikt ontwerp en geschikte materialen erkend of in afwachting van erkenning volgens UL60950-1 voor verschillende basis- en versterkte beschermingsniveaus (en die over het algemeen gelijkwaardig zijn aan die in EN 62477-1:2012); er is ook een strengere erkenning volgens de medische norm ANSI/AAMI ES60601-1 met 1 × MOPP-vereisten (Means of Patient Protection) en 2 × MOOP-vereisten (Means of Operator Protection) van kracht of in afwachting van erkenning.

- Common-mode transient immuniteit: CMTI is een belangrijke gatedriver-parameter bij hogere schakelfrequenties waarbij de gate-driver een differentiële spanning heeft tussen twee afzonderlijke massareferenties, zoals het geval is bij geïsoleerde gatedrivers. CMTI wordt gedefinieerd als de maximaal toelaatbare stijgings- of dalingssnelheid van de common-mode spanning die tussen twee geïsoleerde circuits wordt aangelegd en wordt uitgedrukt in kV/µs of volt per nanoseconde (V/ns).

Een hoge CMTI betekent dat de twee zijden van een geïsoleerde opstelling - de zendzijde en de ontvangzijde - de specificaties van het gegevensblad overschrijden wanneer de isolatiebarrière wordt "geraakt" door een signaal met een zeer hoge stijg- (positief) of dalings- (negatief) slew rate. Het gegevensblad van de DC/DC-convertor moet een specificatiewaarde voor deze parameter bevatten, en ontwerpers moeten deze aanpassen aan de specifieke kenmerken van de bedrijfsfrequentie en -spanning van hun schakeling.

Voldoen aan de vereisten van de gatedriver DC/DC-converter

Murata is zich bewust van de vele uitdagende en vaak tegenstrijdige eisen die worden gesteld aan gate-drive DC/DC-omvormers en heeft daarom zijn MGJ2-serie van through-hole DC/DC-convertors uitgebreid met SMD DC/DC-units. Hun convertors zijn zeer geschikt voor de voeding van de high-side en low-side gatedrive-circuits van IGBT's en MOSFET's in ruimte- en gewichtbeperkte toepassingen wegens hun prestaties, compacte vormfactor en laag profiel (ongeveer 20 millimeter (mm) lang × 15 mm breed × 4 mm hoog), en compatibiliteit met SMD fabricageprocessen (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: Alle units van de Murata MGJ2-serie DC/DC-convertors zien er hetzelfde uit en hebben dezelfde afmetingen, maar ze zijn verkrijgbaar met verschillende ingangsspanningswaarden en bipolaire uitgangsspanningscombinaties. (Bron afbeelding: Murata Power Solutions)

De leden van deze familie van 2-watt convertors werken met nominale ingangen van 5, 12 en 15 volt, en bieden een keuze uit asymmetrische uitgangsspanningen (+15 volt/-5 volt, +15 volt/-9 volt, en +20 volt/-5 volt uitgangen) om optimale aandrijfniveaus te ondersteunen met de hoogste systeemefficiëntie en minimale elektromagnetische interferentie (EMI). De opbouwverpakking vergemakkelijkt de fysieke integratie met de gatedrivers en maakt een nauwere plaatsing mogelijk, waardoor de bedrading minder complex wordt en het oppikken van EMI of radiofrequentie-interferentie (RFI) tot een minimum wordt beperkt.

De MGJ2-serie is gespecificeerd voor de hoge isolatie- en dV/dt-vereisten die worden gesteld aan brugschakelingen die worden gebruikt in motoraandrijvingen en frequentieregelaars, en de industriële temperatuurklasse en constructie zorgen voor een lange levensduur en betrouwbaarheid. Andere belangrijke kenmerken zijn:

• Versterkte isolatie volgens UL62368 erkenning (in afwachting)
• ANSI/AAMI ES60601-1 erkenning (in afwachting)
• 5,7 kV gelijkstroom isolatietestspanning (per "hi pot" test)
• Ultra-laag isolatievermogen
• Werking tot +105 °C (met derating)
• Bescherming tegen kortsluiting
• Gekenmerkte common-mode transient immuniteit (CMTI) >200 kV/µs
• Continue barrière-weerstandsspanning van 2,5 kV
• Gekenmerkte prestaties bij gedeeltelijke ontlading

Twee units laten het prestatiebereik van de MGJ2-serie zien:

-De MGJ2D152005MPC-R7 heeft een nominale ingangsspanning van 15 volt (13,5 tot 16,5 volt) en levert zeer asymmetrische uitgangssignalen van +20 volt en -5,0 volt bij elk maximaal 80 mA. De belangrijkste specificaties zijn 9% en 8% belastingsregeling (maximum) voor de twee uitgangen (respectievelijk), rimpel en ruis onder 20/45 mV (typisch/maximum), efficiëntie van 71/76% (minimum/typisch), isolatiecapaciteit van slechts 3 pF, en gemiddelde tijd tot storing (MTTF) van ongeveer 1100 kilo-uur (kHrs) (bepaald met MIL-HDBK-217 FN2) en 43.500 kHrs (volgens Telecordia SR-332 rekenmodellen).

-De MGJ2D121509MPC-R7 werkt op een nominale 12-volt ingang (10,8 volt tot 13,2 volt) en levert asymmetrische uitgangen van +15 volt en -9,0 volt, eveneens bij maximaal 80 mA. Andere belangrijke specificaties zijn 8%/13% belastingsregeling (typisch/maximum) voor de +15 volt uitgang en 7%/12% belastingsregeling (typisch/maximum) voor de -9,0 volt uitgang, rimpel en ruis onder 20/45 mV (typisch/maximum), efficiëntie van 72/77% (minimum/typisch), isolatiecapaciteit van 3 pF, en MTTF van ongeveer 1550 kHrs (met MIL-HDBK-217 FN2) en 47.800 kHrs (Telecordia-modellen).

Naast de verwachte lijsten en grafieken met de statische en dynamische prestaties, vermeldt het gemeenschappelijke gegevensblad voor de leden van deze serie de vele industriële normen en regelgevende mandaten waaraan deze converters voldoen, samen met uitvoerige details van de bijbehorende testvoorwaarden die zijn gebruikt om deze factoren te bepalen. Dit biedt een hoger niveau van vertrouwen en versnelt de productcertificering in toepassingen met strikte conformiteitseisen.

Conclusie

Het selecteren van de juiste MOSFET of IGBT voor een schakelend vermogensontwerp is één stap in het ontwerpproces. Er is ook de bijbehorende gatedriver die het schakelapparaat bestuurt en het snel en kraakhelder tussen aan- en uitstand schakelt. Op zijn beurt heeft de driver een geschikte DC/DC-convertor nodig om zijn werkvermogen te leveren. Zoals blijkt, biedt Murata's MGJ2-serie van 2-watt DC/DC-convertors voor opbouwmontage de vereiste elektrische prestaties en voldoet deze tevens aan de vele gecompliceerde veiligheids- en regelgevingsvoorschriften die voor deze functie vereist zijn.