Slik kan du velge og komme i gang med drivere for effekthalvledere

Alle frittstående (diskrete) vekslende effekthalvledere (discrete switching power device) trenger en driver, enten enheten er en diskret MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor), Sic-MOSFET (SiC – silisium carbide), IGBT (insulated gate bipolar transistor – bipolare transistorer med isolert gate) eller en modul. Driveren er grensesnittkomponenten eller «broen» mellom den lavspente lavstrømsutgangen til systemprosessoren som er virksom i et kontrollert, godartet scenario, og den tøffe og utfordrende verdenen til vekslingsenheten med sine strenge krav til strøm, spenning og timing.

Det å velge riktig driver for vekslingsenheten er utfordrende for konstruktører, på grunn av effekthalvlederens særegenheter og uunngåelige parasittstrømmer i kretsen og layouten. Dette krever nøye vurdering av parametrene til vekslingstypen (silisium (Si) eller silisiumkarbid (SiC)) og konstruksjonen. Produsenter av effekthalvledere foreslår ofte, og tilbyr til og med, egnede drivere, men noen driverrelaterte faktorer må justeres i henhold til konstruksjonens spesifikasjoner.

Selv om det finnes en grunnleggende logisk prosedyre å følge i de fleste tilfeller for å gjøre dette, fastsettes noen av innstillingene, for eksempel verdien til gate-driver-motstanden, av en iterativ analyse, som også må verifiseres ved hjelp av praktisk testing og evaluering. Disse trinnene kan gjøre en allerede kompleks prosess mer omfattende og forsinke en konstruksjon uten noen tydelig veiledning.

Denne artikkelen tar kort for seg rollen til gate-driveren. Den gir deretter en veiledning til valg av driver og trinnene som trengs for å sikre kompatibilitet med den valgte strømvekslingsenheten. Den introduserer eksemplariske enheter med lavere og høyere effekt fra Infineon Technologies AG for å illustrere hovedpunktene, sammen med tilknyttede evalueringskort og sett.

Rollen til gate-driveren

Enkelt forklart er en gate-driver en effektforsterker som tar en inngang med lavt effektnivå fra en styrings-IC (vanligvis en prosessor) og produserer den egnede høystrøms gate-driveren for den nødvendige spenningen for å slå av og på effekthalvlederen. Bak den enkle definisjonen finner vi en kompleks verden av spenning, strøm, svinghastigheter, parasittstrømmer, transienter og beskyttelse, med mer. Driveren må samsvare systemets behov og fast drive effekthalvlederen, uten oversvingninger (overshooting) eller dempede svingninger (ringing), selv om parasittstrømmer og transienter blir stadig mer utfordrende etter hvert som vekslingshastigheten øker.

Drivere kan brukes i forskjellige konfigurasjoner. Blant de vanligste er den enkle lavside-driveren, den enkle høyside-driveren og den doble høyside/lavside-driveren.

I det første tilfellet er effekthalvlederen (veksleren) koblet mellom lasten og jord, mens lasten er mellom forsyningsskinnen og veksleren (figur 1). (Vær oppmerksom på at denne jordingen bør kalles «felles» (common) ettersom det ikke er noen faktisk jord, men i stedet et felles kretspunkt som definerer 0 volt-punktet).

Figur 1: I lavsidekonfigurasjonen plasseres driveren og veksleren mellom lastens og kretsens jord/felles. (Bildekilde: Infineon Technologies AG)

I den komplementære høysidesammenstillingen er bryteren direktekoblet til strømskinnen, mens lasten er mellom veksleren og jord/felles (figur 2).

Figur 2: Høysidekonfigurasjonen vipper plasseringen til veksleren i forhold til lasten og strømskinnen. (Bildekilde: Infineon Technologies AG)

En annen mye brukt topologi er høyside-/lavsideparingen som brukes til å drive to vekslere som er sammenkoblet i en brosammenstilling (figur 3).

Figur 3: I den kombinerte høy-/lavsideparingen drives to vekslere vekselvis, med lasten mellom dem. (Bildekilde: Infineon Technologies AG)

Rollen til isolasjon

Høy/lav-sammenstillingen krever at to kretsfunksjoner legges til, som vist på figur 4:

Figur 4: Høy-/lavside-sammenstillingen krever også en jordingsfri strømforsyning for høysiden og en nivåskifter for styresignalet. (Bildekilde: Talema Group)

Den øvre (høysiden) driveren og vekslingsenheten er «jordingsfri» uten noen jordreferanse, noe som fører til et annet krav i mange gate-driver/strømveksler-sammenstillinger: Behovet for galvanisk (ohmsk) isolasjon mellom driverfunksjonen og den drevne veksleren.

Isolasjon betyr at det ikke er noen elektrisk bane for strømflyten mellom de to sidene av isolasjonsbarrieren, men signalinformasjon må fortsatt bevege seg gjennom den. Denne isolasjonen kan oppnås ved å bruke optokoblere, transformatorer eller kondensatorer.

Elektrisk isolasjon mellom forskjellige funksjonelle kretser i et system hindrer en direkte ledningsbane mellom dem, slik at individuelle kretser kan ha forskjellige jordingspotensialer. Barrieren må tåle full skinnespenning (pluss en sikkerhetsmargin), som kan variere fra noen titalls til tusenvis av volt. De fleste isolatorer er utviklet for å oppfylle mandatene for flere tusen volt og høyere.

Selv om gate-drivere for høysiden kan kreve isolasjon for å sikre korrekt drift, avhengig av den spesifikke topologien, krever gate-driver-kretser for strøminvertere og -omformere ofte elektrisk isolasjon for sikkerhetsformål som ikke er relatert til jordingsstatusen deres. Isolasjon er pålagt av regulerings- og sikkerhetssertifiseringsorganer for å forhindre støtfarer ved å sikre at høy spenning bokstavelig talt ikke kan nå frem til en bruker. Den beskytter også lavspenningselektronikk mot skader på grunn av feil på høyspenningskretsen og menneskelige feil på styringssiden.

Mange konfigurasjoner av effekthalvledere krever en isolert gate-driver-krets. For eksempel finnes det høye og lave vekslere i effekthalvleder-topologier som halvbro, fullbro, spenningsreduksjon (buck), to-bryter fremover (two-switch forward) og aktiv klemme fremover (active clamp forward) fordi lavside-drivere ikke kan brukes til å drive den øvre effekthalvlederen direkte.

De øvre effekthalvlederne krever en isolert gate-driver og «jordingsfrie» signaler, fordi de har ikke noen forbindelse til jordpotensialet. Hvis de hadde det, ville de ha kortsluttet den komplementære driveren og strømveksleren. Som et resultat av dette kravet, og takket være teknologiske fremskritt, finnes det gate-drivere som også inkorporerer isolasjon, og dermed eliminerer behovet for separate isoleringsenheter. Dette forenkler i sin tur høyspenningslayouten, samtidig som det er lettere å oppfylle lovpålagte mandater.

Finjustering av forholdet mellom driver og vekslingsenhet

Gate-driver-IC-er må støtte de høye vekslingshastighetene til SiC MOSFET-er, som kan nå en svinghastighet på 50 kilovolt per mikrosekund (kV/µs) eller mer og kan veksle raskere enn 100 kilohertz (kHz). Si-enheter drives med en typisk spenning på 12 volt for å slå på og bruker 0 volt for å slå av.

I motsetning til Si-enheter, trenger SiC MOSFET-er vanligvis +15 til +20 volt for å slå seg på og –5 til 0 volt for å slå seg av. De kan derfor trenge en driver-IC med to innganger, én for innkoblingsspenningen og én for utkoblingsspenningen. SiC MOSFET-er utviser kun lav motstand når de drives av en anbefalt gate-kilde-spenning (V_gs) på 18 til 20 volt, som er betydelig høyere enn 10 til 15 volt-verdien til V_gs som trengs for å drive Si MOSFET-er eller IGBT-er.

En annen forskjell mellom Si og SiC, er at den omvendte gjenopprettingsladningen (Q_rr) til SiC-enhetens integrerte friløps-body-diode er ganske lav. De krever en gate-driver med høy strøm for å raskt forsyne hele den nødvendige gate-ladningen (Q_g).

Det er svært viktig å etablere det riktige forholdet mellom gate-driveren og vekslingsenhetens gate. Et viktig trinn her er å fastsette den optimale verdien til den eksterne gate-motstanden, betegnet som R_G,ext, mellom driveren og vekslingsenheten (figur 5). Det er også en intern gate-motstand i effekthalvlederen, betegnet som R_G,int, som er i serie med den eksterne motstanden, men brukeren har ingen kontroll over denne verdien, men den er likevel viktig.

Figur 5: Det er viktig å fastsette riktig verdi for den eksterne gate-motstanden mellom driveren og effekthalvlederen for å optimalisere ytelsen til paret. (Bildekilde: Infineon Technologies AG)

Fastsettelse av denne motstandsverdien er en firetrinns prosess som vanligvis involverer iterasjon, ettersom noen aspekter av parets ytelse må evalueres «på benken» etter analyse og modellering. For å oppsummere, er den generelle prosedyren følgende:

Trinn 1: Fastsett spisstrømmen (I_g) basert på verdier i databladet og velg en egnet gate-driver.

Trinn 2: Beregn verdien til den eksterne gate-motstanden (R_G,ext) basert på konstruksjonens gate-spenningssving.

Trinn 3: Beregn forventet effekttap (P_D) til gate-driver-IC-en og den eksterne gate-motstanden.

Trinn 4: Bekreft beregningene på benken for å fastsette om driveren er kraftig nok til å drive transistoren, og om effekttapet ligger innenfor tillatte grenser:

1. Bekreft fraværet av parasittiske aktiveringshendelser utløst av dv/dt-transientene under verst tenkelige forhold.
2. Mål temperaturen til gate-driver-IC-en under stabil drift.
3. Beregn spisseffekten til motstanden og kontroller den mot enkeltpulsklassifiseringen.

Disse målingene vil bekrefte om antagelsene og beregningene resulterer i sikker vekslingsadferd (ingen oscillasjon, riktig timing) i SiC MOSFET-en. Hvis ikke, må konstruktøren gjenta trinn 1 til 4 med en justert verdi for den eksterne gate-motstanden.

I likhet med nesten alle andre tekniske beslutninger, er det kompromisser mellom flere ytelsesfaktorer når en komponentverdi skal velges. For eksempel, hvis det er oscillasjoner, kan endring av verdien til gate-motstanden eliminere disse. Økning av verdien vil redusere svinghastigheten til dv/dt, mens transistorhastigheten vil avta. En lavere motstandsverdi vil føre til raskere veksling av SiC-enheten, noe som fører til høyere dv/dt-transienter.

Den bredere virkningen av å øke eller redusere verdien til den eksterne gate-motstanden for kritiske gate-driver-ytelseshensyn er vist i figur 6.

Figur 6: Økning eller reduksjon av verdien til den eksterne gate-motstanden påvirker mange ytelsesegenskaper, så konstruktører må vurdere fordelene og bakdelene. (Bildekilde: Infineon Technologies AG)

Du trenger ikke gjøre kompromisser

Selv om kompromiss er en del av systemkonstruksjon, kan de riktige komponentene gjøre dette kompromisset så lite som mulig. Infineons EiceDRIVER-gate-driver-IC-er gir for eksempel høy energieffektivitet, støyimmunitet og robusthet. De er også enkle å bruke med funksjoner som rask kortslutningsbeskyttelse, DESAT-feildeteksjon og -beskyttelse (DESAT – desaturation – metningsminsking), aktivt Miller-vern, styring av svinghastighet, kortslutningspulsbeskyttelse, feil-, avstengnings- og overstrømsbeskyttelse og I²C digital konfigurerbarhet.

Driverne er godt egnet for effekthalvledere av både silisium og med bred båndavstand. De spenner fra ikke-isolerte lavside-drivere med lavere effekt og lavere spenning, til isolerte kilovolt/kilowatt (kV/kW)-enheter. Drivere med to eller flere kanaler er også tilgjengelige, noe som er et godt alternativ i noen situasjoner.

En 25-volts lavside-gate-driver

Blant de ulike enhetene finnes 1ED44176N01FXUMA1, en 25-volts gate-driver i DS-O8-kapsling for lavsiden (figur 7). Denne lavspente effekt-MOSFET-en og ikke-inverterende IGBT-gate-driveren har proprietær låseimmun CMOS-teknologi som muliggjør den robuste monolittiske konstruksjonen. Den logiske inngangen er kompatibel med standard CMOS- eller LSTTL-utganger på 3,3; 5 og 15 V, og inkluderer Schmitt-utløste innganger for å minimere falske utløsninger, mens utgangsdriveren har et strømbuffertrinn. Den kan drive enheter på 50 ampere (A)/650 volt ved opptil 50 kHz, og er rettet mot vekselstrømsdrevne husholdningsapparater og infrastruktur, for eksempel varmepumper.

Figur 7: 1ED44176N01FXUMA1 er en gate-driver i miniatyr i DS-08-kapsling, for konstruksjoner med lavere spenning/strøm som har proprietær låseimmun (latch-immune) CMOS-teknologi. (Bildekilde: Infineon Technologies AG)

Blant de viktigste spesifikasjonene til 1ED44176N01FXUMA1, er en typisk utgangsgivende (output-sourcing) pulsert kortslutningsstrøm (<10 µs puls) på 0,8 A ved 0 volt, mens den pulserte utgangsmottakende (output sinking) kortslutningsstrømmen er 1,75 A ved 15 volt. Kritiske dynamiske spesifikasjoner inkluderer en inn- og utkoblingstid på 50 nanosekunder (ns) (typisk)/95 ns (maksimum), mens inn- og utkoblings-stigetiden er 50/80 ns (typisk/maksimum) og utkoblings-falltiden er 25/35 ns (typisk/maksimum).

Det er relativt enkelt å koble til 1ED44176N01F, med en pinne for overstrømsbeskyttelse (OCP – overcurrent protection) og en feilstatusutgang (FAULT) (figur 8). Det er også en dedikert pinne for å programmere feilklareringstid. EN/FLT-pinnen må trekkes opp for å gi normal drift, mens det å trekke den lavt vil deaktivere driveren. Interne kretser på V_CC-pinnen gir underspenningssperre-beskyttelse som holder utgangen lav inntil V_CC-forsyningspenningen er tilbake innenfor det nødvendige driftsområdet. Separat jording for logikk og strøm forbedrer støyimmuniteten.

Figur 8: Med bare åtte pinner, er 1ED44176N01F-gate-driveren relativt enkel å koble til prosessoren og effekthalvlederen. (Bildekilder: Infineon Technologies AG)

Selv om den er relativt enkelt å koble til, kan brukere av denne gate-driveren og den tilknyttede effekthalvlederen dra nytte av EVAL1ED44176N01FTOBO1-evalueringskortet (Figur 9). Ved å bruke dette kortet kan konstruktører velge og vurdere den strømfølende shuntmotstanden (R_CS), motstands- og kondensatorfilteret (RC) for overstrøms- og kortslutningsbeskyttelse, samt kondensatoren for feilklareringstid.

Figur 9: EVAL1ED44176N01FTOBO1-evalueringskortet gjør det mulig for konstruktører å angi og måle viktige driftspunkter for gate-driveren med en tilknyttet vekslingsenhet. (Bildekilder: Infineon Technologies AG)

SiC MOSFET-gate-driver med høy spenning

Ved et mye høyere spenningsnivå enn vekselstrømstilkoblede husholdningsapparater og deres effekthalvledere, finnes 1EDI3031ASXUMA1, en isolert SiC MOSFET-gate-driver på 12 A med én kanal, som er klassifisert til 5700 V_RMS (figur 10). Denne driveren er en høyspenningsenhet konstruert for motordrivere i kjøretøy over 5 kW, som støtter SiC MOSFET-er på 400, 600 og 1200 V.

Figur 10: EDI3031AS er en isolert SiC MOSFET-gate på 12 A og med én kanal, som er konstruert for motordrivere i kjøretøy på over 5 kW. (Bildekilder: Infineon Technologies AG)

Enheten bruker Infineons kjerneløse transformatorteknologi (CT – coreless transformer) til å implementere galvanisk isolasjon (figur 11).

Figur 11: En proprietær kjerneløs transformator brukes til å gi galvanisk isolasjon, vist illustrert (venstre) og som konstruert (høyre). (Bildekilder: Infineon Technologies AG)

Denne teknologien har flere funksjoner. Den muliggjør store spenningssvingninger på ±2300 V eller mer, gir immunitet mot negative og positive transienter og har lave effekttap. I tillegg har den en ekstremt robust signaloverføring som er uavhengig av fellesmodusstøy, og den støtter fellesmodus-transittimmunitet (CMTI – common-mode transit immunity) på opptil 300 volt/ns. Dessuten vil den tette tilpasningen av forplantningsforsinkelsen gi toleranse og robusthet uten variasjoner på grunn av aldring, strøm og temperatur.

1EDI3031ASXUMA1-driveren støtter SiC MOSFET-er på opptil 1200 volt, med skinne-til-skinne-utgang med spisstrøm på 12 A og en typisk forplantningsforsinkelse på 60 ns. Den har en CMTI på opptil 150 V/ns ved 1000 volt, og den integrerte aktive Miller-klemmen på 10 A støtter enpolet veksling.

Denne bestemte driveren retter seg mot trekkraftinvertere for elektriske kjøretøy (EV), hybridelektriske kjøretøy (HEV) og hjelpeinvertere for begge. Derfor har den integrert flere sikkerhetsfunksjoner for å støtte ASIL B(D)-klassifiseringer, samt produktvalidering i henhold til AEC-Q100. Disse funksjonene inkluderer redundant DESAT og OCP, overvåkning av gate og utgangstrinn, kortslutningspulsbeskyttelse, overvåking av primær og sekundær forsyning og intern overvåking. Grunnisolasjonen på 8 kV oppfyller VDE V 0884-11:2017-01, og er UL 1577-godkjent.

På grunn av effektnivået og for å oppfylle kravene til bilindustrien, er 1EDI3031ASXUMA1-driveren mye mer enn en kraftig, men dum enhet. I tillegg til alle sikkerhetsfunksjonene, implementerer den en grafisk fremstilling over tilstand for å sikre riktig funksjonalitet (figur 12). De «påtrengende» diagnostiske funksjonene gjør det mulig å gå inn i en «sikker tilstand» i tilfelle systemfeil.

Figur 12: Sofistikasjonen og egenkontrollen av integriteten til 1EDI3031ASXUMA1-gate-driveren illustreres tydelig av den grafiske tilstandsfremstillingen for driftsmodusene. (Bildekilde: Infineon Technologies AG)

Konstruktører som arbeider med 1EDI3031ASXUMA1 kan komme raskt i gang med 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1-evalueringskortet for EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER-gate-driver-familien (figur 13).

Figur 13: 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1-evalueringskortet for EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER-gate-driver-familien gjør det mulig for konstruktører å vurdere denne høyeffektsdriveren med en tilknyttet effekthalvleder. (Bildekilder: Infineon Technologies AG)

Denne allsidige evalueringsplattformen har en halvbrokonfigurasjon, som vist på figur 14. Den gjør det mulig å montere enten HybridPACK DSC IGBT-modulen eller en frittstående (diskret) PG-TO247-3-effekthalvleder.

Figur 14: 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1-evalueringskortet implementerer en isolert halvbrosammenstilling, og kan brukes med moduler eller separate enheter. (Bildekilder: Infineon Technologies AG)

Det detaljerte databladet for dette evalueringskortet inkluderer den grafiske fremstillingen, materiallisten, informasjon om hvordan og hvor de ulike tilkoblingene skal festes, konfigurasjonsdetaljer, driftssekvenser og betegnelser for lysdiodeindikatorer og mye annet.

Konklusjon

Gate-drivere er det kritiske grensesnittet mellom en digital prosessorutgang med lavt effektnivå og de høye effektkravene til gaten på en effekthalvleder, for eksempel en Si eller SiC MOSFET. Korrekt tilpasning av driveren i henhold til egenskapene og kravene til effekthalvlederen er avgjørende for en vellykket, pålitelig vekslingskrets for strømsystemer som invertere, motordrivere og belysningsstyringer. Som vist, vil et bredt og dypt spekter av drivere, basert på flere avanserte og proprietære teknologier og støttet av evalueringskort og sett, hjelpe konstruktører med å sikre en optimal match.

Relatert innhold

1. Velg en gate-driver for din silisiumkarbid-MOSFET med noen få trinn
2. Alle vekslere trenger en driver
3. Valgveiledning 2022 for gate-driver-IC-en EiceDRIVER™ fra Infineon
4. Gate-driver-IC-er: EiceDRIVER™-gate-driver-IC-er for MOSFET-er, IGBT-er, SiC MOSFET-er og GaN HEMT-er
5. AN2018-03-driver for lavsiden med overstrømsbeskyttelse og feil/aktivering Teknisk beskrivelse av 1ED44176N01F