Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Licencja Pulsonix
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: jak unipolarnym driverem sterować bipolarnie

ghost666 16 Maj 2019 13:33 1011 2
  • Rzadko zadawane pytania: jak unipolarnym driverem sterować bipolarnie
    Pytanie: Czy konieczne jest wykorzystanie wyspecjalizowanego sterownika bramki, by móc sterować ją dodatnim i ujemnym napięciem?

    Odpowiedź: Okazuje się, że nie! Można zaadaptować klasyczny, unipolarny sterownik, by na wyjściu otrzymać napięcie bipolarne - tak ujemne, jak i dodatnie. Wystarczy w odpowiedni sposób go skonfigurować. W poniższym artykule przedstawiony zostanie przykład tego rodzaju aplikacji.

    Jeśli w danej aplikacji konieczny jest sterownik, generujący na swoim wyjściu napięcie zarówno dodatnie, jak i ujemne, niekoniecznie trzeba szukać wyspecjalizowanego, bipolarnego drivera. W wielu aplikacjach opisana poniżej sztuczka sprawdzi się w zupełności.

    Przy sterowaniu średniej i wysokiej mocy tranzystorów MOSFET czy też modułów IGBT istnieje ryzyko załączenia się tranzystora na skutek tzw. efektu Millera. Nastąpić to może na skutek szybkiego przełączania napięcia na elemencie. W takiej sytuacji, poprzez pojemność kolektor-bramka lub dren-kolektor do bramki wstrzyknięte może być na tyle dużo prądu, że napięcie na bramce przekroczy próg załączenia tranzystora i nastąpi tzw. pasożytnicze włączenie. Tego rodzaju zjawisko jest niekorzystne dla wydajności układu, a może skończyć się nawet katastrofalną awarią, np. zwarciem układu przy pracy elementów w mostku H.

    Wystąpieniu efektu Millera zapobiega się poprzez zapewnienie ścieżki o niskiej impedancji od masy do źródła lub drenu lub poprzez podanie na bramkę układu niewielkiego, ujemnego napięcia. W ten sposób zagwarantować można, że nawet w momencie wystąpienia szybkozmiennych sygnałów na źródle bądź drenie, napięcie na bramce nie przekroczy ustalonego progu.

    Co więcej, niektóre rodzaje tranzystorów wręcz wymagają ujemnego napięcia na bramce, by w pełni się wyłączyć. Sprawia to, że koniecznym jest takie skonstruowanie sterownika bramki tranzystora, by był on w stanie się w pełni wyłączyć. Tego rodzaju zalecenia znajdziemy w karcie katalogowej, dostarczonej przez producenta. Tego rodzaju wymagania dotyczą tak układów MOSFET jak i IGBT, szczególnie częste są przy układach z węgliku krzemu (SiC) lub azotku galu (GaN), jednakowoż spotkać możemy się z nimi też przy zwykłych, krzemowych tranzystorach.

    Istnieje szeroka gama izolowanych driverów bramek, które pracują z pojedynczym zasilaniem po stronie wtórnej (tej, która podłączona jest do elementu mocy). Niestety, sterowników pracujących przy zasilaniu bipolarnym jest istotnie mniej.

    Jednym ze sposobów na poradzenie sobie z tym problemem, jest zasilenie unipolarnego jednobiegunowego drivera z napięcia z pewnym offsetem, co sprawi, że napięcie wyjściowe będzie mogło być mniejsze niż zero, z punktu widzenia bramki tranzystora. Sterownik w takiej sytuacji cały czas będzie ‘myślał’, że jest zasilany pojedynczym napięciem zasilania. Na rysunku 1 zaprezentowano przykładowe przebiegi napięcia na bramce tranzystora z jedno- i dwubiegunowego sterownika.

    Rzadko zadawane pytania: jak unipolarnym driverem sterować bipolarnie
    Rys.1. Przebiegi na bramce tranzystora sterowanego (a) jednobiegunowym; (b) dwubiegunowym sterownikiem bramki.


    Na rysunku 2 zaprezentowano przykładowy, uproszczony schemat sterownika jednobiegunowego, zasilonego poprzez idealne źródło napięciowe. W ten sposób uzyskano offset potrzebny do generacji napięcia ujemnego. W tym przykładzie, napięcie zasilane jest wypadkowym napięciem będącym sumą napięć V1 i V2. Z kolei na bramce MOSFETa widzimy napięcie +V1, gdy tranzystor ma być załączony i -V2, gdy ma być wyłączony (relatywnie do potencjału na źródle MOSFETa).

    Warto zwrócić uwagę, że każde ze źródeł zasilania drivera ma swój własny kondensator filtrujący zasilanie. Z punktu widzenia sterownika bramki, napięcie filtrowane jest przez wypadkowy kondensator będący złożeniem tych dwóch elementów połączonych ze sobą szeregowo. Sprawia to, że wypadkowy kondensator filtrujący ma mniejszą pojemność niż oba użyte tranzystory. W sytuacji takiej możliwe jest dodanie dodatkowej pojemności pomiędzy VDD a masę układu, jednakże najważniejsze jest, by C1 i C2 znalazły się blisko układu i połączone były z nim ścieżką o niskiej impedancji. Dzięki temu układ doskonale radzić sobie będzie z dużym prądem, jaki będzie przezeń płynął w czasie załączania i wyłączania bramki tranzystora.

    Rzadko zadawane pytania: jak unipolarnym driverem sterować bipolarnie
    Rys.2. Przykładowy bipolarny sterownik bramki.


    Izolowane sterowniki bramek często posiadają funkcję wyłączenia przy zbyt niskim napięciu (undervoltage lockout - UVLO). Jest ona implementowana po to, by sterownik nie zapewnił przypadkiem zbyt słabego załączenia tranzystora za małym napięciem bramki. Gdy sterować bramką chcemy tak, jak pokazano to na rysunku 2, koniecznie trzeba upewnić się, iż zabezpieczenie UVLO nie zadziała w czasie normalnej pracy i zadziała, gdy jest to konieczne. Wszystko z powodu tego, że układ oblicza to napięcie względem masy układu.

    Rozważmy przypadek, gdy V1 = 15 V a V2 = 9 V. Zabezpieczenie UVLO w driverze ustawione jest na około 11 V, co jest bardzo częstym progiem dla np. sterowników modułów IGBT. Jeśli V1 spadnie więcej niż o 4 V to UVLO nie załączy się, a mimo to moduł IGBT będzie sterowany napięciem poniżej 11 V w stanie włączenia, przez co nie będzie poprawnie załączony.

    Aby sterować w ten sposób driverem, konieczne jest zasilenie układu dwoma separowanymi napięciami, jednakże często jest to poważny problem – nie jest tanim rozwiązaniem. Jeśli system zasilany jest z przetwornicy typu flyback, to możliwe jest dodanie kolejnych uzwojeń na transformatorze, co pozwoli nam uzyskać dodatkowe linie zasilania dosyć łatwym sposobem, ale nie zawsze istnieje taka możliwość.

    Istnieją moduły zasilania, które dostarczają izolowanych napięć do zasilania tego rodzaju układów. Szereg producentów, takich jak na przykład RECOM, dostarcza nawet moduły z liniami zasilania dopasowanymi do typowych wymagań modułów IGBT – np. +15 V i -9 V.

    Dla tak szerokiego zakresu napięć sterownik bramki tranzystora musi być w stanie wytrzymać znacznie szerszy zakres napięć niż w przypadku starszych układów. Dwa przykładowe drivery bramek, jakie doskonale sprawdzają się w aplikacji z tymi napięciami to produkowane przez Analog Devices ADuM4135 oraz ADuM4136 – izolowane drivery bramek modułów IGBT z technologią iCoupler. Rekomendowany zakres napięć dla tych układów wynosi do 30 V, co pozwala im pracować z napięciami wymienionymi powyżej ze sporym zapasem. Oba drivery wyposażone są ponadto w dedykowany pin masy, wyprowadzony od strony wyjściowej układu, który dedykowany jest dla sterownika UVLO tak, by mógł on mierzyć napięcie względem dodatniej szyny zasilania. Dodatkowo ADuM4135 zawiera w sobie integrowany układ przeciwdziałający występowaniu efektu Miller, co pomóc może w jeszcze lepszym zabezpieczeniu się przed przypadkowym załączaniem się tranzystorów na skutek pojemnościowego przeciekania do bramki ładunku z źródła i/lub drenu.

    Prostą metodą na wygenerowanie bipolarnego zasilania z jednej linii napięcia, jest generacja drugiego napięcia z pomocą odpowiednio spolaryzowanej diody Zenera. Jest to bardzo prosty sposób, szczególnie że sterowniki nie pobierają zbyt wielkiego prądu – oczywiście, w momencie przełączania impulsu na bramce jest on dosyć wysoki, ale średni prąd nadal nie jest większy niż kilka..kilkadziesiąt miliamperów w większości aplikacji.

    Dioda Zenera może być umieszczona tak, by stabilizować napięcie dodanie lub ujemne. Wybór stabilizowanej tym elementem linii zasilania oparty może być np. na tym, która linia musi być precyzyjniej stabilizowana. Na rysunku 3 zaprezentowano przykładowy schemat układu, w którym diodą Zenera stabilizowana jest linia zasilania dodatniego.

    Jednym z powodów, dla których warto stabilizować właśnie tą linię zasilania, jest niewielka tolerancja napięć dla bramki w czasie załączenia – często sytuacja taka występuje z elementami GaN. Dodatkowo, stabilizowanie zasilania dodatniego ma tą zaletę, że powala algorytmowi UVLO działać normalnie, gdyż wszelkie zmiany napięcia V3 będą tłumione tak długo, jak V3 będzie wyższe niż napięcie Zenera użytej diody.

    Dodatkowo, wykorzystanie diody Zenera do utworzenia drugiego zasilania, daje ogromną przewagę w zakresie rozplanowania ścieżek i elementów na płytce. Rezystor i dioda efektywnie zastępują cały izolowany zasilacz, a dodatkowo, jeśli stosujemy miniaturowy układ w obudowie 6-pinowej, taki jak np. ADuM4120, jesteśmy w stanie oszczędzić jeszcze więcej miejsca na PCB.

    Rzadko zadawane pytania: jak unipolarnym driverem sterować bipolarnie
    Rys.3. Przykład wykorzystania diody Zenera w sterowniku tranzystora.


    Referencyjnym przykładem opisywanego układu jest sterownik tranzystora z azotku galu (GS66508T od GaN Systems), oparty na diodzie Zenera i driverze ADuM4121 firmy Analog Devices. Ten sterownik półmostka zaprojektowano tak, by zasilany był napięciem +5 V oraz -4 V względem źródła tranzystora. Układ ten z łatwością można zaadaptować do działania w zakresie od +6 V do -3 V, przy wykorzystaniu tego samego zasilacza – wystarczy tylko zmienić diodę Zenera w systemie.

    Typowo w tego rodzaju układach stosuje długie czasy martwe, by odseparować moment przejściowego załączania tranzystora na skutek efektu Millera od innych zjawisk. Dzięki zastosowaniu ADuM4121 jako sterownika tego modułu, możliwe jest skrócenie czasu martwego. Dzięki temu osiąga się czas martwy na poziomie dziesiątek nanosekund, co jest bardzo istotnym parametrem dla układów GaN.

    Rzadko zadawane pytania: jak unipolarnym driverem sterować bipolarnie
    Rys.4. Wyniki eksperymentów z układem ADuM4121 oraz tranzystorem GS66508T.


    Tworzenie ujemnej linii zasilania, by pozbyć się wpływu efektu Millera na działanie tranzystora – ‘pasożytniczych’ załączeń jego bramki – nie musi być skomplikowane. Wiele istniejących na rynku jednobiegunowych driverów może być zmodyfikowane tak, by działać dwubiegunowo przy minimalnym nakładzie sił i elementów do zmodyfikowania układu. Podczas implementacji tego rodzaju systemu trzeba pamiętać o pewnych kwestiach, takich jak poziom zabezpieczenia UVLO, ale z pewnością warto jest zastosować tę prostą sztuczkę przy stosowanym przez siebie driverze.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-158.html

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Licencja Pulsonix
  • #2
    grzgol
    Poziom 10  
    .... by na wyjściu otrzymać napięcie u n i p o l a r n e - tak ujemne, jak i dodatnie. ......

    Jakaś pomyłka, jak się wydaje ?
  • Licencja Pulsonix
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    grzgol napisał:
    .... by na wyjściu otrzymać napięcie u n i p o l a r n e - tak ujemne, jak i dodatnie. ......

    Jakaś pomyłka, jak się wydaje ?


    Tak, słusznie się wydaje - pomyłka, już poprawiona.