Kapu meghajtó a hatékony és helytakarékos megoldásokhoz
Ránézésre
Az Infineon új 2EDL félhíd kapu-meghajtó családja az Eicedriver Compact család része. A félhidak meghajtó IC-koncepciója elsősorban a háztartási készülékek hajtástechnikájának területére szolgál, de a tápegységek és a számítógépek kapcsolására is. A két legnépszerűbb tranzisztortechnológiához, az IGBT-hez és a MOSFET-hez fejlesztették ki őket. Az integrált bootstrap dióda kis soros ellenállással rendelkezik, és így széles impulzusszélességet tesz lehetővé. A bootstrap dióda energiavesztesége minimálisra csökken. Különleges funkciók, például aszimmetrikus alulfeszültség-leállítás és aktív leállítás, különösen az IGBT-k esetében, segítenek az optimális eredmény elérésében.
A monolitikusan integrált, nagyon gyors bootstrap funkcióval a 2EDL jégvezérlők legújabb generációja 2 A-nál nagyobb kimeneti áramú vezető IC-k számára szab szabványokat. A 600 V-os kapu meghajtó IC-k jelenleg két komponenscsoportból állnak, különféle változatokkal és 0,5 vagy 2,3 A kimeneti áramokkal mind az IGBT, mind a MOSFET alkalmazásokhoz. Ezekkel a meghajtókkal az Infineon új alkatrész szegmenst, az Eicedriver Compact („C”) osztályt is megnyit az ipari és multimarket alkalmazásokhoz.
A 2EDL félhíd meghajtó IC-k a kapu meghajtók új osztályát képviselik, beépített bootstrap funkcióval a magas oldali ellátáshoz. Eddig csak néhány ilyen típusú alkatrész volt a piacon, mert a bootstrap feszültség észrevehetően csökkent alacsony terhelés esetén Az energiaátalakító áramát, valamint az IC további magas energiafogyasztását magas kapcsolási frekvenciákon kell kezelni. Emiatt a korábbi alkatrészek többnyire az alacsony fogyasztású meghajtókra korlátozódtak a fogyasztói területen. Ezek blokkolási feszültsége általában 600 V. Más félhíd IC-ket, amelyek nem rendelkeznek integrált bootstrap diódával, alacsony végű kapcsolt üzemmódú tápegységekhez használják. Mivel ezek nem rendelkeznek integrált bootstrap funkcióval, ezeknek a termékeknek valamivel jobb a hőmérséklet-költségkerete az alacsonyabb energiafogyasztás miatt, mint az integrált bootstrap funkcióval rendelkező alkatrészek miatt.
Az integrált bootstrap funkció azonban jelentős előnyökkel jár: egyszerűbb elrendezéssel, kevesebb táblafelülettel és olcsóbb alkatrészelhelyezéssel a teljesítménytranzisztor kapu csatlakozásától való távolság szempontjából. Ez javítja az elektromágneses összeférhetőséget (EMC) és optimalizálja a kapcsolási viselkedést, ami alacsonyabb kapcsolási veszteségekhez vezet.
Ezt szem előtt tartva az Infineon kifejlesztette a félhíd-kapu meghajtó IC-k új koncepcióját, amelyet előre meghatároztak a fogyasztói elektronika, ideértve a háztartási készülékek meghajtóit, valamint az áramellátás és a számítástechnika követelményeit is. A 2EDL család félhíd meghajtó IC-i egyszerre támogatják az alacsony fogyasztású alkalmazások legfontosabb trendjeit, például a könnyű kezelhetőséget és az alacsonyabb anyagköltségeket.
Új koncepció a félhíd kapu meghajtó IC-k számára
A 0,5 A-os modulok a DSO8 vagy DSO14 házban, míg a 2,3 A-os változatok a DSO14-ben kaphatók. Minden ház RoHS-kompatibilis, ólom- és halogénmentes. A DSO8 ház alkatrészei egy lebegő magas oldali meghajtót kínálnak, alapvető funkciókkal. A 2EDL05I06BF például nagyon alkalmas tápegységek kapcsolására. Nincs holtidő vagy reteszelő funkciója, így a felső és az alacsony oldali kimenet egyszerre aktiválható.
A DSO14 házban lévő, nagy, 2,3 A kimenő árammal rendelkező két modul a funkciók teljes skáláját kínálja. A funkciók közé tartozik egy engedélyezési funkció, a hibadiagnosztika és a kapuáram (különálló földelés) külön visszatérési útja, beleértve a túláramvédelmet is. Ezekkel a változatokkal minden olyan alkalmazás megoldható, amely magasabb integrációs és biztonsági követelményeket igényel.
Integrált bootstrap dióda
Az integrált bootstrap funkció általában nagyfeszültségű MOSFET struktúrák segítségével valósul meg, amint azt az 1. ábra bal oldalon mutatja, és megfelelnek az 1. ábra TBS-jének. Ezeket a MOSFET struktúrákat fázisban kapcsolják be és ki a T2 alacsony oldali tranzisztorral. Ez kritikus pont, mivel sem a teljesítménytranzisztor késleltetési ideje, sem a motor teljesítménytényezője nem ismert a meghajtó IC számára. A bootstrap FET aktiválásakor ezért ezt figyelembe kell venni további bootstrap késésekkel. Ezek a késések csökkentik a rendszerindításhoz rendelkezésre álló időt, így a rendszerindítási feszültség tovább csökken.
1. ábra: Bootstrap áramkör egy fél hídhoz: bal oldalon egy hagyományos FET mint bootstrap kapcsoló, jobb oldalon pedig egy nagy teljesítményű, ultragyors bootstrap dióda és a 2EDL család rendelkezésre álló házai. Infineon
Egy másik korlátozás a MOSFET indításakor történő használatakor a MOSFET hőmérsékletfüggése. Jellemzően a MOSFET-ek ellenállása megduplázódik, ha a csatlakozási hőmérséklet 100 ° C-kal nő. Ez azt jelenti, hogy a bemutatott helyzet ismét romlik. A nagyobb ellenállású RDS (be) a meghajtó IC nagyobb energiafogyasztásához vezet, és korlátozza a biztonságos működési tartományt (SOA) a kapcsolási frekvencia és a kapu töltése tekintetében. Ennek megfelelője a bootstrap dióda RLim sínellenállása, amelyet sorozatellenállásként mutatunk be. Amint az a 2. ábrán látható, az integrált bootstrap dióda jobb, mint a hagyományos bootstrap funkciók, amint a dióda előremenő jellemzője magasabb, mint a MOSFET. Ez a helyzet 5-10 mA előremenő áram esetén magas hőmérsékleten.
2. ábra: Az RLim sínellenállással rendelkező bootstrap dióda és a MOSFET előremenő jellemzőinek összehasonlítása Rds (be) = 100 Ω (fekete Tj = 25 ° C, szaggatott: Tj = 125 ° C) és Rds (be) = 200 Ω (narancssárga) (Tj = 25 ° C, szaggatott: Tj = 125 ° C). Infineon
A kimeneti jellemzők hatásai a bootstrap kondenzátor névleges feszültségcsökkenésének összehasonlításával a munkaciklussal hasonlíthatók össze. A félhíd konfigurációt úgy választják meg, hogy reprezentálja a kapcsolt üzemmódú tápegység topológiáját. Az alacsony oldali tranzisztor vagy dióda alacsony impulzustényező tényezője a CBS bootstrap kondenzátor hiányos újratöltéséhez vezet (lásd 1. ábra). Ennek eredményeként a vBS rendszerindító feszültség addig csökken, amíg új állandósult állapotot nem érnek el a meghajtó IC tápfeszültsége tekintetében. A 3. ábra mutatja az fp = 20 kHz kapcsolási frekvencia és a CBS = 22 µF bootstrap kondenzátor működési körülményeit.
3. ábra: A bootstrap-kondenzátor feszültségesésének kiszámítása a lecsökkentő szabályozó működési ciklusához viszonyítva az előremenő ellenállás (RDS (be) vagy RLim) függvényében, Tj = 25 ° C elágazási hőmérsékleten Infineon
A 3. ábra bal oldala a Tj = 25 ° C csatlakozási hőmérsékleten és a jobb oldalon a Tj = 125 ° C hőmérsékleti viszonyokat mutatja. A 2EDL Eicedriver javasolt meghajtókoncepciója RLim boot ellenállási ellenállást kínál 30 Ω Tj = 25 ° C csatlakozási hőmérsékleten. Más fogalmak itt 125 vagy akár 200 Ω. Az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy az RLim bootstrap ellenállás 100 ° C-on is megduplázódik. Meg kell jegyezni, hogy a bootstrap kondenzátor nincs hatással a 3. ábrán látható diagramokra. Csak az egyik torzítási pontról a másikra való átmeneti fázist érinti.
3. ábra: A bootstrap kondenzátor feszültségesésének (stabil állapot) kiszámítása a buck konverter munkaciklusához viszonyítva az on-state ellenállás (RDS (be) vagy RLim) függvényében, Tj = 125 ° C-on. Infineon
Ezzel szemben a 2EDL jéghajtómű alacsony ellenállásának hatása jelentős. Nyilvánvaló, hogy az új vezetőkoncepció sokkal stabilabb magas csatlakozási hőmérsékleten, összehasonlítva a szokásos alkatrészekkel. A használható munkaciklus akár egy százalékkal is lecsökkenhet az új 2EDL meghajtókkal anélkül, hogy aktiválnák a feszültség alatti kikapcsolást.
Más járművezetők nem engedélyeznek négy százaléknál kisebb (RBS = 125 Ω) vagy hét százalékos (RBS = 200 Ω) alacsonyabb ciklusokat. Ez azt jelenti, hogy azok az alkalmazások, amelyek nagyon kis igénybevétel mellett igényelnek működést, nem használhatják ezeket az illesztőprogramokat. Ezek az alkalmazások magukban foglalják a nagy terhelés alatt álló, kapcsolható kapcsolású üzemmódú tápegységeket vagy a meghajtórendszereket, amelyek terepi irányítással működnek, nagy forgatónyomatékkal, alacsony fordulatszám mellett. Ezekben a példákban a vezérlés állandósult vagy kvázi állandó állapotú működésbe lép a kritikus impulzus-tényező területén.
Aszimmetrikus feszültségcsökkenés
A 2EDL jégvezérlő család szintén támogatja a speciális funkciókkal rendelkező IGBT-k működését. A piacon elérhető egyéb meghajtó IC-k csak a MOSFET-eket támogatják, például az UVLO (Under Voltage Lockout) funkcióval. A MOSFET-ek kapu küszöbfeszültsége (többnyire 3 V) lehetővé teszi az IGBT-khez (4,6–5 V) képest alacsonyabb kapufeszültségekkel való működést, ami az UVLO feszültségekben is megmutatkozik. Másrészt veszélyes az IGBT-k működtetése olyan meghajtó IC-kkel, amelyek UVLO-határértékeket kínálnak a MOSFET-ek számára. Ezek a határok olyan alacsonyak, hogy az IGBT részben vagy teljesen telítettségbe kerülhet. Ez viszont nagy veszteségekhez vezet, és ebben a módban történő működés károsíthatja az IGBT-t. Ezért szükséges, hogy az IGBT-ket csak olyan illesztőprogramokkal ellenőrizzék, amelyek az IGBT-khez alkalmazkodó UVLO-határértékeket kínálnak.
Egy másik fontos szempont, hogy az UVLO határ kialakítása támogatja az integrált bootstrap diódákat. Ezek az előremenő feszültség viszonylag nagy csökkenését mutatják, ami segít csökkenteni a bootstrap feszültséget a VDD tápfeszültséghez képest (lásd még a 3. ábrát). A statikus bootstrap feszültség a következőkből adódik:
Itt a vCE az alacsony oldalsó tranzisztor T2 tranzisztor feszültségét ábrázolja félhíd konfigurációban, az 1. ábra szerint. A képlet azt mutatja, hogy a magas oldali kimenet (HO) alacsonyabb feszültséget generál, mert a VBS feszültséget az IC-re alkalmazzák A VB és VS kapcsolatokat a VDBS és a VCE értékek csökkentik. Előnyös azonban az UVLO aktiválása a magas oldali tápellátás VBS-hez egyidejűleg az alacsony oldali tápellátás VDD-vel, hogy elkerüljük a magas oldali kapu elégtelen ellátását. Az alacsony oldali UVLO ezért körülbelül 1 V-mal magasabb értéken vált ki, mint a magas oldali UVLO funkció. Ez lehetővé teszi a VCCUV leállítási határértékeinek eltolását az alacsony oldalon kissé magasabb értékekre. Ez egy aszimmetrikus UVLO megvalósításával érhető el, amely lehetővé teszi a küszöbfeszültség különböző értékeit a magas és az alacsony oldalon.
Ezenkívül az új meghajtó IC-k lehetővé teszik az UVLO események szűrését is. Ez megakadályozhatja, hogy rövid (1,5 µs nagyságrendű) feszültségesések UVLO eseményekké váljanak. Az új IC-k robusztusabbak a tápvezetékek zajával szemben.