Ako bipolárne ovládať ovládač unipolárnej brány
Otázka: Potrebujete špeciálny budič brány na generovanie kladného a záporného napätia? Odpoveď: Nie, môžete ovládač unipolárnej brány prispôsobiť tak, aby jazdil bipolárne.
Ak sú pre napájací modul potrebné kladné a záporné hradlové pohony, návrhári obvodov nemusia hľadať ovládač hradla, ktorý konkrétne umožňuje bipolárnu prevádzku.
Daný trik možno použiť na vytvorenie bipolárnych napätí pomocou budiča unipolárnej brány.
Ak ovládate MOSFET a IGBT so stredným a vysokým výkonom, existuje riziko, že pri zapnutí dôjde k Millerovmu efektu, ak dôjde k veľkej zmene napätia na výkonovom module. V takom prípade je prúd vstrekovaný do brány silového komponentu cez kapacitu odtoku brány alebo kolektora brány.
Ak je tento prúdový prúd dostatočne veľký na to, aby sa zvýšilo hradlové napätie nad prahové napätie komponentu, môže dôjsť k parazitickému zapnutiu, čo môže viesť k nižšej účinnosti alebo poruche komponentu.
Millerov efekt popisuje zvýšenie vstupnej kapacity invertujúceho zosilňovača, ku ktorému dochádza v dôsledku efektívneho zosilnenia kapacity medzi vstupom a výstupom tohto zosilňovača. Účinok môže byť oslabený cestou s veľmi nízkou impedanciou od brány napájacieho zariadenia k zdroju alebo odtoku.
Ďalšou možnosťou je pohon brány so záporným napätím vo vzťahu k zdroju alebo odtoku. Cieľom techník zmiernenia Millerovho efektu zapnutia je udržať hradlové napätie pod požadovanou prahovou hodnotou, keď dôjde k rázovému prúdu v dôsledku Millerovej kapacity.
Záporné napätie pohonu brány
Niektoré napájacie zariadenia tiež potrebujú záporné napätie, aby sa mohli úplne vypnúť, čo si vyžaduje akési záporné napätie budiča, ktoré pochádza z budiča brány. Výrobcovia odporúčajú záporné napätie pohonu brány pre štandardné kremíkové MOSFETy, IGBT, SiC a GaN.
Existuje široká škála izolovaných ovládačov hradiel, ktoré fungujú na sekundárnej strane (strane, ktorá poháňa napájacie zariadenie) unipolárneho zdroja napájania. Patrí sem však podstatne menej ovládačov hradiel, ktoré výslovne umožňujú bipolárne riadenie.
Jedným zo spôsobov riešenia problému s neexistujúcimi komponentmi so záporným napätím pohonu brány je oddelenie ovládača brány od výkonovej zložky. Týmto spôsobom sa generuje záporné napätie budiča hradla vzhľadom na hradlo alebo odtok výkonovej zložky, ovládač hradla IC rozpoznáva iba unipolárne napájanie. Obrázok 1 zobrazuje príklady unipolárnych a bipolárnych foriem napätia budiča.
Schéma zapojenia s ideálnym zdrojom napätia je znázornená na obrázku 2. V tomto príklade je výkonová zložka napájaná vodičom IC s napätím, ktoré zodpovedá súčtu U1 a U2, zatiaľ čo brána MOSFET v stave ZAPNUTÉ s + U1 a v stave VYPNUTÉ s - U2, vzhľadom na zdrojový uzol MOSFET je riadený.
V tomto príklade sú obidva zdroje oddelené od samostatných kondenzátorov. Účinným oddelením ovládača hradla IC je sériové pripojenie kondenzátorov, ktorých celková kapacita je menšia ako hodnota každého jednotlivého kondenzátora.
Podľa potreby možno medzi UDD a GND vložiť ďalšie oddelenie. Pri tom je dôležité ponechať kondenzátory C1 a C2 ako kondenzátory, ktoré samostatne poskytujú cesty nízkej impedancie pre hradlový prúd počas zapínania a vypínania.
Izolované budiče brány s UVLO
Izolované ovládače brány majú často podpäťový zámok (UVLO), ktorý zabraňuje príliš slabému napájaniu výkonovej zložky, ak je ovládač brány poháňaný príliš nízkym napätím brány. Ak je poháňaný budič unipolárnej brány z obrázku 2, očakávaná činnosť UVLO zvyčajne súvisí so zemou ovládača brány.
Ako príklad si vezmeme prípad, keď U1 = 15 V a U2 = 9 V a podpäťový zámok ovládača brány je okolo 1 V, čo je bežné pri použití IGBT. Ak potom U1 poklesne o viac ako 4 V, UVLO by sa neaktivovalo, ale IGBT by sa počas doby zapnutia dostal pod 11 V a bol by teda nedotáčavý.
V tomto príklade je možné generovať dva samostatné zdroje napätia s dvoma samostatnými izolovanými zdrojmi napájania, ale náklady sú vysoké. Ak sa použije konfigurácia flybacku, je možné odbočiť na rôzne vinutia, aby sa relatívne ľahko generovali rôzne napätia.
Ako zdroje napätia existujú aj izolované moduly, ktoré napájajú izolované napätie. Jeden pochádza z RECOM a ponúka izolované napájacie napätie +15 V a –9 V.
Budič brány musí byť navrhnutý pre taký veľký výkyv napätia. Dva ovládače brány, ktoré s týmito napätiami dobre fungujú, sú ovládače brány IGBT s technológiou iCoupler ADuM4135 a ADuM4136, ktoré ponúkajú rozsah napätia, ktorý umožňuje použitie až 30 V.
Oba komponenty majú na výstupnej strane vyhradený uzemňovací kolík, ktorý umožňuje, aby sa UVLO ovládača odkazovalo na kladnú úroveň napájania. ADuM4135 má tiež zabudovanú Millerovu svorku, ktorá tlmí Millerov efekt.
Predinštalované Zenerove diódy pre druhé napätie
Jednoduchým spôsobom, ako vytvoriť bipolárne napájanie iba s jedným napájacím napätím, je generovanie druhého napätia so skreslenou zenerovou diódou. Aj keď budiče brány generujú pri zapnutí a vypnutí výkonových komponentov vysoké prúdy, priemerný prúd požadovaný zdrojom energie je relatívne malý - pre väčšinu aplikácií často len niekoľko desiatok mA.
Zenerovu diódu je možné umiestniť tak, aby regulovala buď kladné alebo záporné napätie. Podľa toho sa dá zvoliť, ktorá úroveň musí mať vyššiu presnosť.
Príklad zobrazený na obrázku 3 je nakonfigurovaný tak, aby sa kladné napätie regulovalo presnejšie ako záporné. Jedným z dôvodov na presnú reguláciu kladného napätia môže byť to, že hradlo, ktoré sa má ovládať, má iba veľmi malú toleranciu, pokiaľ ide o napätie hradla, ako je to v prípade niektorých komponentov GaN.
Presná regulácia kladného napájania má tiež výhodu v tom, že UVLO ovládača hradla pracuje podľa očakávaní, pretože akékoľvek kolísanie U3 na Zenerovej dióde je zoslabené, kým U3 nie je príliš malá na dodanie Zenerovho napätia.
Ak sa na generovanie dvoch z jedného napájacieho napätia použije Zenerova dióda, je usporiadanie tiež jednoduchšie. Zenerova dióda a odpor nielenže efektívne nahradia úplne izolovaný zdroj napätia, ale pri použití unipolárneho izolovaného budiča brány je možné použiť komponent iba so šiestimi prípojkami - napríklad ADuM4120. To šetrí ešte viac miesta okolo integrovaného obvodu ovládača brány pozdĺž izolovaných oblastí so zvodovým prúdom.
Referenčný príklad s konfiguráciou bipolárnej Zenerovej diódy
Referenčný príklad polovičného mostíka s konfiguráciou bipolárnej zenerovej diódy bol zostrojený pomocou ADuM4121 od ADI a GS66508T od GaN Systems. Tento príklad poskytuje budiace napätie + 5 V a - 4 V pre napájanie komponentov.
Referenčný príklad je možné ľahko prispôsobiť napájaciemu napätiu +6 V a -3 V a rovnakému izolovanému napájaciemu zdroju 9 V s inou Zenerovou diódou. Dlhý mŕtvy čas sa používa na jednoznačné oddelenie rázového prúdu Miller od ostatných prechodných prechodov.
V praxi však ADuM4121 umožňuje podstatne kratšie mŕtve časy v rozmedzí niekoľkých 10 ns, čo je dôležitý parameter pre obvody GaN s vysokou účinnosťou.
Záver: Nie je komplikované vytvoriť záporné hradlové napätie brány, ktoré zmierni Millerov efekt pri zapnutí. Mnoho ovládačov hradiel, ktoré pracujú unipolárne, možno prevádzkovať aj tak, že riadia hradlo záporne iba s minimálnymi externými obvodmi. Aj keď si treba uvedomiť niekoľko dôsledkov, ako napríklad efektívne napätie UVLO, výhody takejto činnosti sú obrovské.
* * Ryan Schnell je aplikačný inžinier v Analog Devices vo Wilmingtone, USA.
Bipolárne napájacie zdroje pre testovacie a meracie systémy