Как да управлявате биполярно еднополюсен драйвер на порта
Въпрос: Имате ли нужда от специален драйвер за порта, за да генерирате положителни и отрицателни напрежения? Отговор: Не, можете да адаптирате еднополюсен драйвер за порта, за да шофирате по биполярен начин.
Ако за захранващ модул се изискват положителни и отрицателни задвижвания на порта, дизайнерите на вериги не трябва да търсят драйвер за порта, който специално позволява биполярно действие.
Човек може да използва трика, описан по-долу, за да създаде биполярни напрежения с униполярен драйвер за порта.
Ако контролирате MOSFET и IGBT със средна и висока мощност, съществува риск ефектът на Милър да се появи при включване, ако има голяма промяна на напрежението на захранващия модул. В този случай токът се инжектира в затвора на силовия компонент чрез капацитета на изпускателния канал или порталния колектор.
Ако това подаване на ток е достатъчно голямо, за да увеличи напрежението на порта над праговото напрежение на компонента, може да се случи паразитно включване, което може да доведе до по-ниска ефективност или отказ на компонента.
Ефектът на Милър описва увеличаването на входния капацитет на инвертиращ усилвател, което се дължи на ефективното усилване на капацитета между входа и изхода на този усилвател. Ефектът може да бъде отслабен от траектория с много нисък импеданс от портата на захранващото устройство към източника или канализацията.
Друга възможност е да задвижвате портата с отрицателно напрежение спрямо източника или канализацията. Целта на включването на техниките за смекчаване на ефекта на Милър е да се поддържа напрежението на вратата под желания праг, когато възникне скок на тока поради капацитета на Милър.
Отрицателни напрежения на задвижването на затвора
Някои захранващи устройства също се нуждаят от отрицателно напрежение, за да се изключат напълно, което изисква вид отрицателно напрежение на драйвера, което идва от драйвера на портата. Производителите препоръчват отрицателно напрежение на задвижващите порта за стандартни силициеви MOSFET, IGBT, SiC и GaN компоненти.
Има голямо разнообразие от изолирани драйвери на порта, които работят от вторичната страна (страната, която задвижва захранващото устройство) на еднополярно захранване. Те обаче включват значително по-малко драйвери на порта, които изрично позволяват биполярно управление.
Един от методите за решаване на проблема с несъществуващите компоненти с отрицателно напрежение на задвижването на затвора е разделянето на задвижващия механизъм на портата от захранващия компонент. По този начин се генерира отрицателно задвижващо напрежение на затвора спрямо затвора или изтичането на захранващия компонент, като IC задвижването на порта разпознава само еднополярно захранване. Фигура 1 показва примери за еднополярни и биполярни форми на напрежение на драйвера.
Електрическа схема с идеален източник на напрежение е показана на фигура 2. В този пример захранващият компонент се захранва от драйвера IC с напрежение, което съответства на сумата от U1 и U2, докато портата на MOSFET в състояние ON с + U1 и в състояние OFF с - U2, спрямо възловия възел на MOSFET се контролира.
В този пример и двата източника са разделени с отделни кондензатори. Ефективно отделяне за интегралната схема на драйвера на порта е последователното свързване на кондензатори, чийто общ капацитет е по-малък от стойността на всеки отделен кондензатор.
Ако е необходимо, може да се вмъкне допълнително отделяне между UDD и GND. По този начин е важно кондензаторите C1 и C2 да се запазят като кондензатори, които отделно осигуряват пътищата с нисък импеданс за тока на портата по време на включване и изключване.
Изолирани драйвери за порта с UVLO
Изолираните драйвери на портата често имат заключване под ниско напрежение (UVLO), което предотвратява задвижването на силовия компонент твърде слабо, ако драйверът на портата се задвижва с твърде ниско напрежение на портата. Ако еднополюсният драйвер на порта от Фигура 2 се задвижва, очакваната работа на UVLO обикновено е свързана със земята на драйвера на портата.
Като пример ще вземем случай, при който U1 = 15 V и U2 = 9 V и заключването под напрежение на драйвера на порта е около 1 V, което е често при използване на IGBT. Ако U1 след това падне с повече от 4 V, UVLO няма да се активира, но IGBT ще бъде задвижван под 11 V по време на включване и по този начин ще се подкачи.
В този пример могат да се генерират два отделни източника на напрежение с две отделни изолирани захранвания, но цената е висока. Ако се използва обратна конфигурация, различни намотки могат да бъдат използвани, за да се генерират различни напрежения относително лесно.
Има и изолирани модули като източници на напрежение, които захранват изолирано напрежение. Едната идва от RECOM и предлага изолирано захранващо напрежение от +15 V и –9 V.
Драйверът на порта трябва да бъде проектиран за такава голяма люлка на напрежението. Два драйвера за порта, които работят добре с тези напрежения, са драйверите за порта IGBT с iCoupler технология ADuM4135 и ADuM4136, които предлагат диапазон на напрежение, който позволява използването до 30 V.
И двата компонента имат специален заземителен щифт от страната на изхода, което позволява UVLO на драйвера да се отнесе към положителното ниво на захранване. ADuM4135 също има вградена скоба на Miller, която отслабва ефекта на Miller.
Предварително заредени ценерови диоди за второто напрежение
Един прост начин за създаване на биполярно захранване само с едно захранващо напрежение е генерирането на второ напрежение с пристрастен ценеров диод. Въпреки че драйверите на порта генерират високи токове при включване и изключване на захранващите компоненти, средният ток, необходим на захранването, е сравнително малък - често само няколко десетки mA за повечето приложения.
Ценеровият диод може да бъде поставен така, че да регулира или положителното, или отрицателното напрежение. В зависимост от това може да се избере кое ниво трябва да има по-висока точност.
Примерът, показан на фигура 3, е конфигуриран така, че положителното напрежение да се регулира по-точно от отрицателното. Една от причините за точното регулиране на положителното напрежение може да бъде, че портата, която трябва да се контролира, има само много нисък толеранс по отношение на напрежението на портата, какъвто е случаят с някои компоненти на GaN.
Точното регулиране на положителното захранване също има предимството, че UVLO на драйвера на порта работи както се очаква, тъй като всяко колебание в U3 на ценеровия диод се отслабва, докато U3 не е твърде малък, за да достави ценеровото напрежение.
Ако Zener диод се използва за генериране на два от едно захранващо напрежение, оформлението също е по-опростено. Зенеров диод и резистор не само ефективно заместват напълно изолиран източник на напрежение, но когато се използва еднополюсен изолиран драйвер на порта, може да се използва компонент само с шест връзки - като ADuM4120. Това спестява още повече място около интегралната схема на драйвера на портата по протежение на изолираните области на тока на утечка.
Референтен пример с конфигурация на биполярен ценеров диод
Референтен пример за половин мост с биполярна ценерови диодна конфигурация е изграден с помощта на ADuM4121 от ADI и GS66508T от GaN Systems. Този пример осигурява напрежение на драйвера от + 5 V и - 4 V за захранването на компонента.
Референтният пример може лесно да бъде адаптиран към задвижващо напрежение от +6 V и -3 V и същото изолирано захранване от 9 V с различен ценеров диод. Дългото мъртво време се използва за ясно отделяне на токовия импулс на Милър от останалите преходни процеси на изключване.
На практика обаче ADuM4121 позволява значително по-кратки мъртви времена в рамките на няколко 10 ns, което е важен параметър за GaN вериги с висока ефективност.
Заключение: Няма нищо сложно в създаването на отрицателно напрежение на задвижването на портата, което да смекчи ефекта на Милър, когато е включен. Много драйвери на порта, които работят еднополярно, също могат да бъдат експлоатирани по такъв начин, че да задвижват отрицателна порта само с минимални външни схеми. Въпреки че има някои последици, които трябва да знаете, като ефективното UVLO напрежение, ползите от такава работа са огромни.
* * Райън Шнел е инженер по приложения в Analog Devices в Уилмингтън, САЩ.
Биполярни захранвания за системи за изпитване и измерване