Gdy nasza aplikacja potrzebuje potrzebuje tranzystora MOSFET o napięciu pracy większym niż 50 V lub też rezystancji kanału poniżej kilku miliomów musimy posłużyć się rozwiązaniem dyskretnym, gdyż nie istnieją scalone przełączniki tego rodzaju. W takiej sytuacji zaprojektować musimy nie tylko sam układ oparty o tranzystor FET, ale także odpowiedni sterownik, jego bramki.
Tranzystor MOSFET nie jest prostym urządzeniem półprzewodnikowym, które włącza i wyłącza się natychmiast. Istnieją pewne pasożytnicze wartości w układzie, jak pokazano poniżej, które powodują, że do sterowania tranzystorem MOSFET czy modułem IGBT potrzebny jest dedykowany specjalny sterownik jego bramki.
Dodatkowo pamiętać trzeba, że pasożytnicze wartości są ze sobą związane. Na przykład im niższy opór kanału - RDson, tym wyższa pojemność bramki. Dla interesujących nas tranzystorów pojemność ta wynosić może nawet kilka tysięcy pikofaradów.
Podczas załączania tranzystora MOSFET naładować trzeba jego bramkę. Zależnie od jej pojemności używa się driverów o różnej wydajności prądowej; wynosi ona zazwyczaj 500 mA, 1 A, 2 A lub 4 A. Najpopularniejsze są sterowniki bramki z prądem wynoszącym 2 A lub 4 A. Dodatkowo, aby precyzyjnie ustalić płynący prąd do bramki, pomiędzy sterownik a bramkę tranzystora wstawia się opornik. Wpływa on na rozpraszanie ciepła w układzie oraz na zjawiska związane z zakłóceniami elektromagnetycznymi w systemie. Dlatego też dobór wartości rezystancji tego elementu jest niezwykle kluczowy, gdyż musi pogodzić dwa niezależne wymagania.
Często architekturą, w jakiej buduje się driver, jest półmostek, jednakże jego wykorzystanie wiąże się z dwoma podstawowymi problemami - napięciem poniżej poziomu masy, jakie pojawić się może na wyjściu tranzystora MOSFET oraz tzw. zjawiskiem wyindukowanego załączenia się tranzystora. Dodatkowo, driver taki musi brać pod uwagę nie tylko wartości pasożytnicze samego elementu, ale także te, które pojawiają się na PCB, takie jak indukcyjności L1, L2, L3 i L4, pokazane na poniższym schemacie. Indukcyjności te związane są z ścieżkami na płytce drukowanej, jakimi podłączony do reszty urządzenia jest tranzystor MOSFET.
Zjawisko wyindukowanego załączenia się
Gdy tranzystor MOSFET jest w stanie wyłączonym, tj, gdy nie przewodzi, istnieje ryzyko, że zostanie on załączony, gdy jego 'współtowarzysz' z półmostka zostanie załączony. Dziać się tak może na skutek tzw. pasożytniczej pojemności Millera. Prąd podawany na bramkę tranzystora na skutek pasożytniczej pojemności Millera powoduje niepożądany wzrost napięcia na tej bramce. Wartość tego napięcia, zależna jest od pojemności CGS, stosunku tej pojemności do pojemności CGD, wartości różniczki napięcia wyjściowego po czasie ($$\frac {\delta V_{OUT}} {\delta t}$$) oraz rezystancji pomiędzy źródłem a bramką wyłączonego tranzystora. Zjawisko to zilustrowano na poniższym schemacie:
Aby zminimalizować ryzyko wystąpienia takiego zjawiska, należy wykonać trzy zabiegi, podczas projektowania układu:
* Zredukować rezystancję ścieżki pomiędzy bramką a źródłem, co spowoduje zmniejszenie spadku napięcia na bramce.
* Zmniejszyć pochodną napięcia wyjściowego po czasie, co można osiągnąć zwiększając rezystancję opornika w bramce tranzystora, co spowolni ładowanie się bramki tranzystora, ale niestety związane jest z tym, że tranzystor wolniej będzie się przełączał, a jednym z tego efektów jest zwiększenie strat podczas przełączania układu.
* Zmiana wykorzystanego tranzystora MOSFET na element z mniejszym stosunkiem pojemności CGD do CGS.
Napięcie poniżej masy na wyjściu układu
Gdy część mostka H po stronie wysokiego napięcia jest wyłączona, prąd płynie przez pozostałą część (patrz schemat poniżej). Podczas przejścia przez diodę w tranzystorze przepływa prąd przez kilka nanosekund. Z uwagi na istnienie pasożytniczych induktancji, wygenerowana zostaje szpilka ujemnego napięcia. Najlepszą strategią na uniknięcie powstania tej szpilki lub zmniejszenia jej amplitudy jest zmniejszenie prędkości opadania prądu, tj różniczki $$ \frac {\delta i} {\delta t}$$ poprzez spowolnienie wyłączania tranzystora MOSFET po stronie 'wysokiej' mostka. Dodatkowo, niezwykle istotne jest odpowiednie zaprojektowanie płytki drukowanej, mające na celu zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej u układzie. Co należy zapewnić:
* Induktancja i rezystancja ścieżki są wprost proporcjonalne do długości ścieżki i odwrotnie proporcjonalne do jej szerokości. Oznacza to, że należy stosować krótkie i szerokie ścieżki pomiędzy driverami bramek i samymi bramkami tranzystorów. Drivery muszą być umieszczone możliwie blisko do siebie i do tranzystorów, dzięki czemu indukcyjność tej części układu zostanie zmniejszona.
* Zastosować należy bezindukcyjne rezystory w układzie.
Zastosowanie tych dwóch prostych sztuczek zazwyczaj pozwala na zmniejszenie amplitudy ujemnego napięcia podczas przełączania. Jednakże, jeśli okaże się to niewystarczające, rozwiązaniem może być zastosowanie aktywnych komponentów, tłumiących te niepożądane impulsy, na przykład szybkich diod na wysokie napięcie, które włącza się do układu pomiędzy masę, a wyjście z mostka.
Wykorzystując powyższe proste porady z łatwością można zaprojektować sterownik bramki tranzystora MOSFET lub modułu IGBT, który spełni nasze wymagania.
Źródło: https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/gate-driver-tips-and-tricks
Tranzystor MOSFET nie jest prostym urządzeniem półprzewodnikowym, które włącza i wyłącza się natychmiast. Istnieją pewne pasożytnicze wartości w układzie, jak pokazano poniżej, które powodują, że do sterowania tranzystorem MOSFET czy modułem IGBT potrzebny jest dedykowany specjalny sterownik jego bramki.
Dodatkowo pamiętać trzeba, że pasożytnicze wartości są ze sobą związane. Na przykład im niższy opór kanału - RDson, tym wyższa pojemność bramki. Dla interesujących nas tranzystorów pojemność ta wynosić może nawet kilka tysięcy pikofaradów.
Podczas załączania tranzystora MOSFET naładować trzeba jego bramkę. Zależnie od jej pojemności używa się driverów o różnej wydajności prądowej; wynosi ona zazwyczaj 500 mA, 1 A, 2 A lub 4 A. Najpopularniejsze są sterowniki bramki z prądem wynoszącym 2 A lub 4 A. Dodatkowo, aby precyzyjnie ustalić płynący prąd do bramki, pomiędzy sterownik a bramkę tranzystora wstawia się opornik. Wpływa on na rozpraszanie ciepła w układzie oraz na zjawiska związane z zakłóceniami elektromagnetycznymi w systemie. Dlatego też dobór wartości rezystancji tego elementu jest niezwykle kluczowy, gdyż musi pogodzić dwa niezależne wymagania.
Często architekturą, w jakiej buduje się driver, jest półmostek, jednakże jego wykorzystanie wiąże się z dwoma podstawowymi problemami - napięciem poniżej poziomu masy, jakie pojawić się może na wyjściu tranzystora MOSFET oraz tzw. zjawiskiem wyindukowanego załączenia się tranzystora. Dodatkowo, driver taki musi brać pod uwagę nie tylko wartości pasożytnicze samego elementu, ale także te, które pojawiają się na PCB, takie jak indukcyjności L1, L2, L3 i L4, pokazane na poniższym schemacie. Indukcyjności te związane są z ścieżkami na płytce drukowanej, jakimi podłączony do reszty urządzenia jest tranzystor MOSFET.
Zjawisko wyindukowanego załączenia się
Gdy tranzystor MOSFET jest w stanie wyłączonym, tj, gdy nie przewodzi, istnieje ryzyko, że zostanie on załączony, gdy jego 'współtowarzysz' z półmostka zostanie załączony. Dziać się tak może na skutek tzw. pasożytniczej pojemności Millera. Prąd podawany na bramkę tranzystora na skutek pasożytniczej pojemności Millera powoduje niepożądany wzrost napięcia na tej bramce. Wartość tego napięcia, zależna jest od pojemności CGS, stosunku tej pojemności do pojemności CGD, wartości różniczki napięcia wyjściowego po czasie ($$\frac {\delta V_{OUT}} {\delta t}$$) oraz rezystancji pomiędzy źródłem a bramką wyłączonego tranzystora. Zjawisko to zilustrowano na poniższym schemacie:
Aby zminimalizować ryzyko wystąpienia takiego zjawiska, należy wykonać trzy zabiegi, podczas projektowania układu:
* Zredukować rezystancję ścieżki pomiędzy bramką a źródłem, co spowoduje zmniejszenie spadku napięcia na bramce.
* Zmniejszyć pochodną napięcia wyjściowego po czasie, co można osiągnąć zwiększając rezystancję opornika w bramce tranzystora, co spowolni ładowanie się bramki tranzystora, ale niestety związane jest z tym, że tranzystor wolniej będzie się przełączał, a jednym z tego efektów jest zwiększenie strat podczas przełączania układu.
* Zmiana wykorzystanego tranzystora MOSFET na element z mniejszym stosunkiem pojemności CGD do CGS.
Napięcie poniżej masy na wyjściu układu
Gdy część mostka H po stronie wysokiego napięcia jest wyłączona, prąd płynie przez pozostałą część (patrz schemat poniżej). Podczas przejścia przez diodę w tranzystorze przepływa prąd przez kilka nanosekund. Z uwagi na istnienie pasożytniczych induktancji, wygenerowana zostaje szpilka ujemnego napięcia. Najlepszą strategią na uniknięcie powstania tej szpilki lub zmniejszenia jej amplitudy jest zmniejszenie prędkości opadania prądu, tj różniczki $$ \frac {\delta i} {\delta t}$$ poprzez spowolnienie wyłączania tranzystora MOSFET po stronie 'wysokiej' mostka. Dodatkowo, niezwykle istotne jest odpowiednie zaprojektowanie płytki drukowanej, mające na celu zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej u układzie. Co należy zapewnić:
* Induktancja i rezystancja ścieżki są wprost proporcjonalne do długości ścieżki i odwrotnie proporcjonalne do jej szerokości. Oznacza to, że należy stosować krótkie i szerokie ścieżki pomiędzy driverami bramek i samymi bramkami tranzystorów. Drivery muszą być umieszczone możliwie blisko do siebie i do tranzystorów, dzięki czemu indukcyjność tej części układu zostanie zmniejszona.
* Zastosować należy bezindukcyjne rezystory w układzie.
Zastosowanie tych dwóch prostych sztuczek zazwyczaj pozwala na zmniejszenie amplitudy ujemnego napięcia podczas przełączania. Jednakże, jeśli okaże się to niewystarczające, rozwiązaniem może być zastosowanie aktywnych komponentów, tłumiących te niepożądane impulsy, na przykład szybkich diod na wysokie napięcie, które włącza się do układu pomiędzy masę, a wyjście z mostka.
Wykorzystując powyższe proste porady z łatwością można zaprojektować sterownik bramki tranzystora MOSFET lub modułu IGBT, który spełni nasze wymagania.
Źródło: https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/gate-driver-tips-and-tricks
Cool? Ranking DIY
