Hogyan lehet bipolárisan vezérelni az unipoláris kapu meghajtót
Kérdés: Szüksége van egy speciális kapu meghajtóra a pozitív és negatív feszültségek előállításához? Válasz: Nem, adaptálhat egy unipoláris kapu meghajtót bipoláris módon történő vezetésre.
Ha egy tápmodulhoz pozitív és negatív kapuhajtásokra van szükség, az áramköri tervezőknek nem kell olyan kapu meghajtót keresniük, amely kifejezetten lehetővé teszi a bipoláris működést.
Az alábbiakban ismertetett trükk segítségével bipoláris feszültségeket lehet létrehozni unipoláris kapu meghajtóval.
Ha közepes és nagy teljesítményű MOSFET-eket és IGBT-ket vezérel, fennáll annak a veszélye, hogy a bekapcsoláskor a Miller-effektus lép fel, ha a feszültségmodulon nagy a feszültségváltozás. Ebben az esetben az áramot az áramellátó egység kapujába injektálják a kapu-lefolyó vagy a kapu-kollektor kapacitásán keresztül.
Ha ez az áramellátás elég nagy ahhoz, hogy a kapu feszültségét az alkatrész küszöbfeszültsége fölé emelje, akkor parazita bekapcsolás léphet fel, ami alacsonyabb hatékonysághoz vagy az alkatrész meghibásodásához vezethet.
A Miller-effektus egy invertáló erősítő bemeneti kapacitásának növekedését írja le, amely az erősítő bemenete és kimenete közötti kapacitás tényleges erősítése miatt következik be. A hatást gyengítheti egy nagyon alacsony impedanciájú út az elektromos eszköz kapujától a forrásig vagy a lefolyóig.
Egy másik lehetőség a kapu negatív feszültséggel történő meghajtása a forráshoz vagy a lefolyóhoz képest. A bekapcsolási Miller-hatás mérséklési technikák célja, hogy a kapu feszültségét a kívánt küszöb alatt tartsa, amikor a Miller kapacitása miatt túlfeszültség áram jelentkezik.
Negatív kapuhajtó feszültségek
Egyes áramellátó készülékeknek negatív feszültségre van szükségük a teljes kikapcsoláshoz, amihez egyfajta negatív meghajtófeszültségre van szükség, amely a kapu meghajtójától származik. A gyártók negatív kapu meghajtó feszültséget ajánlanak a szabványos szilícium MOSFET, IGBT, SiC és GaN alkatrészekhez.
Az unipoláris tápegység szekunder oldalán (az áramellátó eszközt meghajtó oldalon) működő különálló kapu meghajtók széles skálája létezik. Ezek azonban lényegesen kevesebb kapu meghajtót tartalmaznak, amelyek kifejezetten lehetővé teszik a bipoláris vezérlést.
A negatív kapuhajtó-feszültségű, nem létező alkatrészekkel kapcsolatos probléma megoldásának egyik módja a kapu-meghajtó elválasztása a teljesítmény-komponenstől. Ily módon negatív kapu meghajtó feszültség keletkezik az energiaelem kapujához vagy leeresztéséhez képest, és a kapu meghajtó IC csak egypólusú tápegységet ismer fel. Az 1. ábra példákat mutat az unipoláris és bipoláris meghajtó feszültségformákra.
Az ideális feszültségforrással ellátott kapcsolási rajzot a 2. ábra mutatja. Ebben a példában a tápegységet a meghajtó IC feszültséggel látja el, amely megfelel az U1 és U2 összegének, míg a MOSFET kapuja ON állapotban + U1 és OFF állapotban - U2 a MOSFET forráscsomópontjához viszonyítva. ellenőrzik.
Ebben a példában mindkét forrás külön kondenzátorral van leválasztva. A kapu meghajtó IC hatékony leválasztása a kondenzátorok soros csatlakozása, amelyek teljes kapacitása kisebb, mint az egyes kondenzátorok értéke.
Szükség esetén további leválasztás illeszthető be az UDD és a GND közé. Ennek során fontos, hogy a C1 és C2 kondenzátorokat tartsuk kondenzátorként, amelyek külön biztosítják a kapuáram alacsony impedanciájú útjait a be- és kikapcsolás során.
Elszigetelt kapu meghajtók UVLO-val
A szigetelt kapu-meghajtóknak gyakran van alulfeszültség-zárjuk (UVLO), amely megakadályozza, hogy a tápegységet túlságosan gyengén hajtják, ha a kapu-meghajtót túl alacsony kapufeszültséggel hajtják. Ha a 2. ábrán látható unipoláris kapu meghajtót hajtjuk, az UVLO várható működése általában a kapu meghajtó földjéhez kapcsolódik.
Példaként egy olyan esetet veszünk, ahol U1 = 15 V és U2 = 9 V, és a kapu meghajtó alulfeszültség zárja 1 V körül van, ami gyakori IGBT-k használata esetén. Ha az U1 ekkor 4 V-nál nagyobb mértékben csökken, az UVLO nem aktiválódik, de az IGBT az ON idő alatt 11 V alá hajt, és így alulkormányozva.
Ebben a példában két külön feszültségforrást lehet előállítani két különálló tápegységgel, de ennek költsége magas. Flyback konfiguráció használata esetén különböző tekercseket lehet megcsapolni annak érdekében, hogy a különböző feszültségeket viszonylag könnyen előállítsák.
Vannak olyan izolált modulok is, mint feszültségforrások, amelyek izolált feszültséget szolgáltatnak. Az egyik a RECOM-ból származik, és +15 V és –9 V izolált tápfeszültséget kínál.
A kapu meghajtót ilyen nagy feszültségingatásra kell megtervezni. Két kapu meghajtó, amely jól működik ezekkel a feszültségekkel, az IGBT kapu meghajtók az iCoupler technológiával, az ADuM4135 és az ADuM4136, amelyek feszültségtartományt kínálnak, amely lehetővé teszi a 30 V-ig történő felhasználást.
Mindkét alkatrésznek van egy külön földelt csapja a kimeneti oldalon, amely lehetővé teszi a meghajtó UVLO-jának a pozitív tápszintre való hivatkozását. Az ADuM4135 tartalmaz egy beépített Miller bilincset is, amely csillapítja a Miller-hatást.
Előre feltöltött Zener diódák a második feszültséghez
Egyszerű tápfeszültségű bipoláris táp létrehozásának egyszerű módja egy második feszültség előállítása előfeszített zener diódával. Bár a kapu meghajtók nagy áramot generálnak, amikor a tápegységeket be- és kikapcsolják, a tápegység által igényelt átlagos áram viszonylag kicsi - a legtöbb alkalmazáshoz gyakran csak néhány tíz mA.
A zener dióda elhelyezhető úgy, hogy szabályozza a pozitív vagy a negatív feszültséget. Ettől függően kiválasztható, hogy melyik szintnek legyen nagyobb pontosságú.
A 3. ábrán látható példa úgy van kialakítva, hogy a pozitív feszültséget pontosabban szabályozzák, mint a negatívat. A pozitív feszültség pontos szabályozásának egyik oka az lehet, hogy a vezérlendő kapu csak nagyon alacsony tűréssel rendelkezik a kapu feszültségével kapcsolatban, mint néhány GaN komponens esetében.
A pozitív ellátás pontos szabályozásának az az előnye is, hogy a kapu meghajtójának UVLO-ja a várt módon működik, mivel az U3 minden ingadozása a Zener diódánál csillapodik, amíg az U3 túl kicsi a Zener feszültség leadásához.
Ha egy Zener diódát használnak kettő előállításához egyetlen tápfeszültségből, akkor az elrendezés is egyszerűbb. A Zener dióda és az ellenállás nemcsak hatékonyan helyettesíti a teljesen elszigetelt feszültségforrást, de egypólusú, elszigetelt kapu meghajtó használata esetén csak hat csatlakozású alkatrész használható - például az ADuM4120. Ez még több helyet takarít meg a kapu meghajtó IC körül az elszigetelt szivárgási áramterületek mentén.
Referencia példa bipoláris Zener dióda konfigurációval
A bipoláris zener dióda konfigurációjú félhíd referenciapéldája az ADI ADuM4121 és a GaN Systems GS66508T segítségével készült. Ez a példa + 5 V és - 4 V meghajtó feszültséget szolgáltat az alkatrészellátáshoz.
A referenciapélda könnyen adaptálható +6 V és -3 V hajtásfeszültséghez és ugyanahhoz az elkülönített 9 V tápegységhez különböző Zener diódával. Hosszú holtidőt használunk arra, hogy egyértelműen elkülönítsük a Miller áramerősségét az egyéb kikapcsolási tranziensektől.
A gyakorlatban azonban az ADuM4121 lényegesen rövidebb holtidőket tesz lehetővé néhány 10 ns tartományban, ami fontos paraméter a nagy hatékonyságú GaN áramkörök számára.
Következtetés: Nem bonyolult olyan negatív kapu-meghajtó feszültséget létrehozni, amely enyhíti a Miller-hatást bekapcsoláskor. Sok unipolárisan működő kapu-meghajtó úgy is működtethető, hogy a kapu negatívját csak minimális külső áramkörökkel hajtja. Noha vannak olyan következmények, amelyekkel tisztában kell lenni, például az effektív UVLO feszültség, az ilyen műveletek óriási előnyökkel járnak.
* * Ryan Schnell az Egyesült Államok Wilmingtonban található Analog Devices alkalmazásmérnöke.
Bipoláris tápegységek vizsgálati és mérőrendszerekhez