Ovládač brány pre efektívne a priestorovo úsporné riešenie All-Electronics
Na prvý pohľad
Nová rodina ovládačov brán s polovičným mostom 2EDL od spoločnosti Infineon je súčasťou rodiny Eicedriver Compact. Koncept IC vodiča pre polovičné mostíky je primárne určený pre oblasť pohonnej techniky pre domáce spotrebiče, ale tiež pre spínanie napájacích zdrojov a počítačov. Sú vyvinuté pre dve najpopulárnejšie tranzistorové technológie, IGBT a MOSFET. Integrovaná bootstrap dióda má malý sériový odpor a umožňuje tak široký pracovný rozsah šírky impulzu. Strata výkonu bootstrapovej diódy je minimalizovaná. Špeciálne funkcie, ako je asymetrické vypnutie podpätia a aktívne vypnutie, najmä pre IGBT, pomáhajú dosiahnuť optimálny výsledok.
S monoliticky integrovanou, veľmi rýchlou funkciou bootstrapu určuje najnovšia generácia 2EDL ovládačov ľadu štandardy pre integrované obvody vodiča s výstupným prúdom viac ako 2 A. Integrované obvody ovládača brány 600 V v súčasnosti pozostávajú z dvoch skupín komponentov s rôznymi variantmi a výstupnými prúdmi 0,5 alebo 2,3 A pre aplikácie s IGBT aj MOSFET. Vďaka týmto ovládačom otvára spoločnosť Infineon aj nový segment komponentov, triedu Eicedriver Compact („C“) pre priemyselné a multimarketové aplikácie.
Integrované obvody ovládača polovičného mostíka 2EDL predstavujú novú triedu ovládačov hradiel s integrovanou funkciou bootstrap pre napájanie na vysokej strane. Na trhu je zatiaľ iba niekoľko súčastí tohto typu kvôli znateľnému zníženiu napätia bootstrapu pri nízkych pracovných cykloch. je potrebné riadiť prevodník energie, ako aj ďalšiu vysokú spotrebu energie integrovaného obvodu pri vysokých spínacích frekvenciách. Z tohto dôvodu sa predchádzajúce komponenty väčšinou obmedzovali na nízkoenergetické disky v spotrebiteľskej oblasti. Spravidla majú blokovacie napätie 600 V. Pre polovodičové integrované obvody, ktoré nemajú integrovanú bootstrapovú diódu, sa používajú napájacie zdroje nízkej úrovne spínaného režimu. Pretože tieto nemajú integrovanú funkciu bootstrap, majú tieto produkty o niečo lepší rozpočet na teplotu vďaka nižšej spotrebe energie v porovnaní s komponentmi s integrovanou funkciou bootstrap.
Integrovaná funkcia bootstrap však ponúka významné výhody: jednoduchšie usporiadanie, menšia plocha dosky a lacnejšie umiestnenie komponentov z hľadiska vzdialenosti výkonového tranzistora od brány. To zlepšuje elektromagnetickú kompatibilitu (EMC) a optimalizuje sa spínacie správanie, čo vedie k nižším spínacím stratám.
S týmto vedomím spoločnosť Infineon vyvinula nový koncept integrovaných obvodov ovládača brány s polovičným mostom, ktorý je predurčený pre požiadavky v oblasti spotrebnej elektroniky vrátane pohonov v domácich spotrebičoch, ako aj na napájanie a výpočtovú techniku. Integrované obvody vodičov s polovičným mostíkom z rodiny 2EDL podporujú najdôležitejšie trendy v aplikáciách s nízkym výkonom, ako je ľahké použitie a nižšie náklady na materiál, s komplexnou funkčnosťou súčasne.
Nový koncept integrovaných obvodov ovládača brány s polovičným mostom
Moduly s 0,5 A sú k dispozícii v kryte DSO8 alebo DSO14, zatiaľ čo verzie s 2,3 A sú k dispozícii v DSO14. Všetky kryty sú kompatibilné s RoHS a neobsahujú olovo ani halogény. Komponenty v kryte DSO8 ponúkajú vznášajúci sa vodič na vysokej strane so základnými funkciami. Napríklad 2EDL05I06BF je veľmi vhodný na spínanie napájacích zdrojov. Nemá funkciu mŕtveho času alebo blokovania, takže je možné súčasne aktivovať výstup na vysokej aj nízkej strane.
Dva moduly s vysokým výstupným prúdom 2,3 A v kryte DSO14 ponúkajú celú škálu funkcií. Medzi funkcie patrí funkcia odblokovania, diagnostika porúch a samostatná spätná cesta pre prúd brány (napájacia zem) vrátane nadprúdovej ochrany. S týmito variantmi je možné adresovať všetky aplikácie, ktoré vyžadujú väčšie požiadavky na integráciu a bezpečnosť.
Integrovaná bootstrap dióda
Integrovaná funkcia bootstrap sa zvyčajne implementuje pomocou vysokonapäťových štruktúr MOSFET, ako je to znázornené na obrázku 1 vľavo, čo zodpovedá TBS na obrázku 1. Tieto štruktúry MOSFET sa zapínajú a vypínajú vo fáze s nízkofrekvenčným tranzistorom T2. Toto je kritický bod, pretože IC vodiča nebude vedieť o časoch oneskorenia výkonového tranzistora ani o účinníku motora. Aktivácia bootstrap FET to musí brať do úvahy s ďalšími oneskoreniami bootstrapu. Tieto oneskorenia skracujú čas dostupný pre bootstrapping, takže sa bootstrapové napätie ďalej znižuje.
Obrázok 1: Obvod bootstrapu pre polovičný mostík: vľavo konvenčný FET ako prepínač bootstrapu a vpravo s vysoko výkonnou ultrarýchlou diódou bootstrap a dostupnými krytmi rodiny 2EDL. Infineon
Ďalším obmedzením pri použití MOSFETu na bootstrapping je teplotná závislosť MOSFETu. Typicky sa odpor MOSFETov proti zapnutiu zdvojnásobí, keď sa teplota spoja zvýši o 100 ° C. To znamená, že uvedená situácia sa opäť zhoršuje. Vyšší odpor RDS (zapnutý) vedie tiež k vyššej spotrebe energie IC vodiča a obmedzuje bezpečný prevádzkový rozsah (SOA), pokiaľ ide o spínaciu frekvenciu a nabíjanie hradla. Ekvivalentom k tomu je odpor koľajnice RLim diódy bootstrap, ktorý sa zobrazuje ako sériový odpor. Ako je vidieť na obrázku 2, integrovaná bootstrapová dióda je lepšia ako bežné funkcie bootstrapu, akonáhle je predná charakteristika diódy vyššia ako charakteristika MOSFET. To je prípad dopredného prúdu približne 5 až 10 mA pri zvýšených teplotách.
Obrázok 2: Porovnanie dopredných charakteristík bootstrapovej diódy s odporom koľajnice RLim a MOSFET s Rds (zapnuté) = 100 Ω (čierne Tj = 25 ° C, prerušované: Tj = 125 ° C) a Rds (zapnuté) = 200 Ω (oranžové, Tj = 25 ° C, prerušované: Tj = 125 ° C). Infineon
Účinky výstupných charakteristík možno pozorovať porovnaním zníženia nominálneho napätia napätia kondenzátora bootstrap s pracovným cyklom. Konfigurácia polovičného mostíka je zvolená tak, aby predstavovala spínanú topológiu napájacieho zdroja. Nízky činiteľ impulzného výkonu v tranzistore alebo dióde nízkej strany vedie k tomu, že bootstrapový kondenzátor CBS nie je úplne nabitý (pozri obrázok 1). Výsledkom je, že bootstrapové napätie vBS klesá, kým sa nedosiahne nový ustálený stav, pokiaľ ide o napájacie napätie budiča IC. Obrázok 3 zobrazuje prevádzkové podmienky pre spínaciu frekvenciu fp = 20 kHz a bootstrapový kondenzátor s CBS = 22 µF.
Obrázok 3: Výpočet poklesu napätia na kondenzátore bootstrap versus pracovný cyklus pre redukčný regulátor ako funkcia odporu v zapnutom stave (RDS (zapnutý) alebo RLim), zobrazený pri spojovacej teplote Tj = 25 ° C. Infineon
Ľavá časť obrázku 3 zobrazuje podmienky pri spojovacej teplote Tj = 25 ° C a na pravej strane pre Tj = 125 ° C. Navrhovaná koncepcia ovládača 2EDL Eicedriver ponúka odpor bootstrapu RLim 30 Ω pri spojovacej teplote Tj = 25 ° C. Ostatné koncepty sú tu pri 125 alebo dokonca 200 Ω. Z dôvodu zjednodušenia sa predpokladá, že bootstrapový odpor RLim sa tiež zdvojnásobuje každých 100 ° C. Je potrebné poznamenať, že bootstrapový kondenzátor nemá žiadny vplyv na diagramy zobrazené na obrázku 3. Ovplyvňuje to iba prechodovú fázu z jedného predpätého bodu do druhého.
Obrázok 3: Výpočet poklesu napätia na bootstrapovom kondenzátore (ustálený stav) verzus pracovný cyklus pre prevodník buck ako funkcia odporu v zapnutom stave (RDS (zapnutý) alebo RLim), pri Tj = 125 ° C. Infineon
Naproti tomu je vplyv nízkeho odporu vodiča ľadu 2EDL značný. Je zrejmé, že nový koncept ovládača je v porovnaní so štandardnými komponentmi oveľa stabilnejší pri vysokých teplotách spoja. Použiteľný pracovný cyklus môže s novými ovládačmi 2EDL klesnúť až o jedno percento bez aktivácie podpäťového vypnutia.
Ostatní vodiči neumožňujú pracovné cykly nižšie ako štyri percentá (RBS = 125 Ω) alebo sedem percent (RBS = 200 Ω). To znamená, že aplikácie, ktoré vyžadujú prevádzku s veľmi malými pracovnými cyklami, nemôžu tieto ovládače používať. Medzi tieto aplikácie patria spínané zdroje napájania v režime prepínania s tvrdým prepínaním pri vysokom zaťažení alebo pohonné systémy, ktoré pracujú s riadením orientovaným na pole s vysokými krútiacimi momentmi pri nízkych otáčkach. V týchto príkladoch potom riadenie prechádza do ustáleného stavu alebo do kvázi ustáleného stavu v oblasti faktora kritického impulzného výkonu.
Asymetrické vypnutie podpätia
Rodina ovládačov ľadu 2EDL podporuje aj prevádzku s IGBT so špeciálnymi vlastnosťami. Ostatné integrované obvody ovládačov dostupné na trhu podporujú iba MOSFET, napríklad s funkciou UVLO (Under Voltage Lockout). Prahové napätie hradla MOSFETov (zvyčajne 3 V) umožňuje prevádzku s nižšími hradlovými napätiami ako IGBT (4,6 až 5 V), čo sa odráža aj na napätiach UVLO. Na druhej strane je nebezpečné prevádzkovať IGBT s integrovanými obvodmi vodiča, ktoré ponúkajú limity UVLO pre MOSFET. Tieto limity sú také nízke, že IGBT môže čiastočne alebo úplne nasýtiť. To zase vedie k veľkým stratám a prevádzka v tomto režime môže IGBT poškodiť. Je preto nevyhnutné, aby IGBT boli ovládané iba vodičmi, ktorí pre IGBT ponúkajú upravené limity UVLO.
Ďalším dôležitým aspektom je, že dizajn limitu UVLO podporuje integrované bootstrapové diódy. Tieto ukazujú relatívne vysoký pokles dopredného napätia, čo pomáha znižovať bootstrapové napätie v porovnaní s napájacím napätím VDD (pozri tiež obrázok 3). Statické napätie bootstrapu vyplýva z:
VCE predstavuje tranzistorové napätie T2 dolnej strany tranzistora v konfigurácii s polovičným mostíkom, ako je to znázornené na obrázku 1. Vzorec ukazuje, že výstup na vysokej strane (HO) generuje nižšie napätie, pretože na obvod I Spojenia VB a VS sa znižujú o hodnoty VDBS a VCE. Je však výhodné aktivovať UVLO pre napájanie VBS na vysokej strane súčasne s napájaním VDD na nízkej strane, aby sa zabránilo nedostatočnému napájaniu brány na vysokej strane. Nízka strana UVLO sa preto spúšťa pri hodnote približne o 1 V vyššej ako je funkcia vysokej UVLO. Toto tiež umožňuje posunutie limitných hodnôt vypnutia VCCUV na nízkej strane na mierne vyššie hodnoty. To sa dá dosiahnuť implementáciou asymetrického UVLO, ktoré umožňuje rôzne hodnoty prahových napätí na vysokej a nízkej strane.
Nové integrované obvody ovládača navyše umožňujú filtrovanie udalostí UVLO. To zabráni tomu, aby sa krátkodobé poklesy napätia (rádovo 1,5 µs) stali udalosťou UVLO. Nové integrované obvody sú odolnejšie proti šumu v napájacích vedeniach.