Moduł IGBT czy tranzystor MOSFET to napięciowo kontrolowane urządzenie półprzewodnikowe służące do sterowania przepływem prądu elektrycznego w systemach sterowania oświetleniem, silnikami, zasilaczach impulsowych i wielu innych. Bramka takiego elementu jest galwaniczne odizolowana od pozostałych dwóch wyprowadzeń układu (źródła i drenu w przypadku FETa i kolektora i emitera w przypadku IGBT). Upraszczając zasadę działania takiego układu, wystarczy powiedzieć, że podanie napięcia na bramkę (mierzonego względem źródła/emitera) powoduje 'uruchomienie' przepływu prądu pomiędzy pozostałymi dwoma nóżkami.
Istnieją dedykowane do tego celu układy scalone - drivery bramki - dedykowanych do podawania napięcia na bramkę układu tak, by sygnał ten spełniał wszystkie wymagania elektryczne sterowanej bramki. W poniższym artykule omówimy, jakie są rodzaje dostępnych na rynku driverów bramek, jakie są dostępne na rynku. Omówione zostaną różne parametry tych układów, takie jak parametry czasowe, siła sterowania i poziom izolacji galwanicznej.
Potrzebny driver mostka
Struktura tranzystora IGBT / MOSFET sprawia, że bramka tego elementu tworzy nieliniowy kondensator. Ładowanie kondensatora bramki powoduje włączenie urządzenia zasilającego i umożliwia przepływ prądu między jego źródłem a drenem, natomiast rozładowanie bramki wyłącza urządzenie, a układ może odłączyć nawet duże napięcie. Minimalny poziom napięcia, gdy kondensator bramki jest naładowany, a urządzenie może po prostu przewodzić, to tzw. napięcie progowe (VTH). W celu wykorzystania modułu IGBT czy MOSFETa jako przełącznika, pomiędzy bramką a źródłem/emiterem należy przyłożyć napięcie wystarczająco duże - większe niż VTH.
Rozważmy prosty system cyfrowy z mikrokontrolerem, który może generować sygnał PWM od napięciu od 0 V do 5 V na jednym z swoich pinów I/O. Ten sygnał PWM nie zawsze wystarczy, aby w pełni wysterować opisywane elementy, ponieważ napięcie VTH przewyższa zwykle standardowe napięcie logiczne wyjścia CMOS/TTL. Zatem potrzebny jest odpowiedni interfejs między układem sterującym a urządzeniem o dużej mocy. Można to zrealizować, wykorzystując dodatkowy tranzystor MOSFET z kanałem typu N to przełączania napięcia na bramce dużego MOSFTa, jak pokazano to na rysunku 1a.
Rys.1. MOSFET mocy sterowane logiką odwróconą.
Na rysunku 1a widzimy prosty układ - gdy napięcie na IO1 przyjmuje stan niski, VGSQ1 < VTHQ1, co oznacza, że MOSFET Q1 jest wyłączony W ten sposób, a na bramkę tranzystora Q2 przyłożone jest napięcie dodatnie. Kondensator bramki Q2 ładuje się poprzez podciągający opornik R1, który podaje na bramkę napięcie zasilające VDD. Jako że VDD > VTHQ2, to tranzystor Q2 zaczyna przewodzić prąd.
W momencie, gdy na IO1 pojawi z kolei się sygnał wysoki, to tranzystor Q1 przewodzi i rozładowuje w ten sposób bramkę Q2. Napięcie dren-źródło załączonego Q1 wynosi 0 V, przez co VGSQ2 < VTHQ2 i tranzystor Q2 się wyłącza. Jedynym problemem do rozważania, jeśli chodzi o ten układ, jest rozpraszanie ciepła na oporniki R1 podczas załączania Q1. Aby pozbyć się tego problemu, można zastosować zamiast niego dodatkowy MOSFET (z kanałem typu P) Q3, który wykorzystywany będzie do podciągania bramki tranzystora. W ten sposób Q1 i Q3 pracować będą komplementarnie do siebie. Schemat takiego układu pokazano na rysunku 1b.
Tranzystor PMOS będzie miał niską rezystancję w momencie załączenia i wysoką, gdy będzie wyłączony, dzięki czemu straty mocy na układzie znacząco spadną. Jeśli w takim systemie chcemy sterować nachyleniem zboczy sygnałów, dodać trzeba niewielki zewnętrzny opornik pomiędzy drenem Q1 a bramką Q2. Inną zaletą tego rodzaju drivera (z dodatkowym PMOSem Q3) jest fakt, że tranzystor polowy łatwo produkuje się w procesie półprzewodnikowym, a opornik już nie. Dzięki temu relatywnie prosto jest wyprodukować scalony, monolityczny układ pełniący rolę sterownika bramki. W ten sposób otrzymujemy układ scalony, z wejściem logicznym z jednej strony, który potrafi pełnić rolę kompletnego sterownika bramki tranzystora polowego.
Tego rodzaju prosty driver często rozbudowuje się o dodatkowe funkcje, jednakże jego podstawowy tryb działania to konwerter poziomów i wzmacniacz mocy.
Kluczowe parametry drivera bramki
Siła sterowania:
Pod tym hasłem kryje się informacja o tym, jak silnie steruje bramką dany układ. Jednym problemem jest podanie na bramkę odpowiednio wysokiego napięcia przez przesuwnik poziomu. Drugim jednakże jest problem ładowania pojemności bramki. Po podaniu na nią napięcia, jej potencjał nie zmienia się natychmiastowo, właśnie przez tą pojemność. Dlatego też tranzystor FET czy też IGBT przełącza się w pewnym niezerowym czasem. Jeśli w tym momencie do elementu przyłożone jest wysokie napięcie lub płynie przezeń duży prąd, to spodziewać należy się sporych strat w momencie przełączania, które oczywiście muszą zostać rozproszone w postaci ciepła. Dlatego też zależy nam, by przejście z jednego do drugiego stanu układu było możliwie szybkie. Aby zbocze narastało/opadało szybko na bramce, potrzebny jest duży prąd drivera, by być w stanie szybko naładować/rozładować pojemność bramki.
Rys.2. Sygnał na bramce podczas załączania tranzystora bez drivera.
Sterownik, który jest w stanie działać z większym prądem bramki przez dłuższy czas oferuje krótszy czas przełączania, co bezpośrednio przekłada się na mniejsze straty na elemencie podczas jego przełączania.
Rys.3. Sygnał na bramce podczas załączania tranzystora z pomocą dedykowanego sterownika
Prądy pinów typowego mikrokontrolera są rzędu dziesiątek miliamperów - bramka dużego tranzystora potrzebuje często znacznie wyższego prądu, a taki jest w stanie dostarczyć dedykowany driver. Na rysunku 2 widzimy przebiegi napięcia podczas sterowania pinem MOSFETa bezpośrednio z nóżki mikrokontrolera. Czas załączania tranzystora jest bardzo długi. Z kolei, jeżeli wykorzystamy w tym celu dedykowany driver, to tak jak widać na rysunku 3, czas załączania tranzystora będzie znacznie krótszy. W tym konkretnym przykładzie wykorzystany będzie izolowany sterownik bramki ADuM4121.
Układ ten zapewnia znacznie wyższy poziom prądu bramki niż samo wyprowadzenie mikrokontrolera, co pozwala na obsłużenie tranzystora większej mocy. Dodatkowo, sterowanie tranzystorami bezpośrednio z mikrokontrolera pobiera z niego dużo prądu, co przekłada się na grzanie się tego elementu. W konsekwencji doprowadzić może to do uszkodzenia mikrokontrolera. Dlatego także bardzo istotnym jest stosowanie dedykowanych driverów.
Dzięki wysokiemu prądowi bramki, sterownik jest w stanie przełączać tranzystor w czasie kilku nanosekund. Istotnie redukuje to straty podczas przełączania tranzystora, zwiększając ogólną wydajność układu.
Z prądem bramki związany jest także parametr RDS(ON) jej sterownika. Powinien on być bardzo niski - idealnie zerowy - dzięki czemu sterownik ma zerową rezystancję podczas załączenia, co sprawia, że prąd jest bardzo wysoki. Typowo wartość ta, dla sterowników bramki, wynosi kilka omów. Trzeba tą rezystancję uwzględniać podczas szacowania siły sterowania bramką.
RDS(ON) jest najlepszą miarą siły sterownika bramki tranzystora, jako że ten parametr najbardziej ogranicza prąd bramki. Jeśli jednak musimy zredukować szybkość narastania napięcia na bramce, to jak pokazano na rysunku 4 -
możliwe jest dodanie zewnętrznego opornika REXT, który sumować będzie się z RDS(ON) kluczy w driverze, sterujących bramką i ładujących/rozładowujących jej pojemność.
Rys.4. Prosty model (w postaci układu RC) stopnia wyjściowego i bramki tranzystora MOSFET.
RDS(ON) także wpływa bezpośrednio na rozpraszanie mocy na driverze. Im niższa rezystancja kanałów, tym mniej ciepła wydziela się na tym elemencie i jednocześnie tym wyższych oporników REXT można użyć w systemie sterowania. Dzięki temu, lepiej rozkłada się ciepło generowane przez układ sterowania - na zewnętrzny REXT i RDS(ON) sterownika. Dzięki temu, że REXT może być wyższe, to więcej mocy rozpraszane będzie na zewnątrz, poza układem, co ułatwia chłodzenie scalonego drivera.
Zależności czasowe [/u]
Rys.5. Przykładowe sterowniki oparte o ADuM4120 oraz wykres sygnału na bramce z zaznaczonymi najważniejszymi zależnościami czasowymi.
Zależności czasowe sterownika bramki są kluczowym aspektem oceny jego działania. Wspólna specyfikacja czasowa dla wszystkich sterowników bramek, w tym ADuM4120 pokazana jest na [b]rysunku 5. Istotne parametry to czas propagacji (tD) sterownika, który jest zdefiniowany jako czas, jaki zajmuje propagacja krawędzi zbocza sygnału z wejścia na wyjście.
Jak widzimy dalej na na rysunku 5, wzrost opóźnienia propagacji (tDLH) może być zdefiniowany jako czas pomiędzy wejściem zbocza wznoszącego się powyżej progu wysokiego wejścia (VIH) a wyjściem wzrastającym powyżej 10% jego wartości końcowej. Podobnie czas propagacji sygnału opadającego (tDHL) można określić jako czas mijający od krawędzi wejściowej spadającej poniżej dolnego progu wejściowego (VIL) do wartości wyjściowej spadającej poniżej 90% jej poziomu wysokiego. Opóźnienie propagacji dla przejścia sygnału wyjściowego może być inne dla krawędzi narastającej i opadającej.
Rysunek 5 pokazuje również czasy narastania i opadania sygnału. Na te współczynniki wpływa prąd bramki, który może dostarczyć daną część; są one również zależne od obciążenia, ale nie są to składowe uwzględniane podczas obliczania czasu propagacji. Innym parametrem czasowym w systemie jest zniekształcenie szerokości impulsu, które jest różnicą między czasem propagacji sygnału narastającego i opadającego dla tej samej części. Zatem zniekształcenie szerokości impulsu (PWD) = |tDLH - tDHL|.
Z uwagi na niedopasowanie poszczególnych elementów drivera, jak i ich tolerancje produkcyjne, czasy propagacji dwóch elementów nigdy nie będą takie same. Spowoduje to także, że występować będzie pewien rozrzut czasów propagacji (tSKEW), który definiuje się jako różnicę czasów propagacji pomiędzy dwoma różnymi elementami, pracującymi w tych samych warunkach.
Jak widać na rysunku 5 - tSKEW definiuje się pomiędzy osobnymi elementami, jednakże można w analogiczny sposób definiować taki rozrzut czasów dla różnych wyjść w obrębie jednego, tego samego sterownika wielokanałowego. Jako że odchylenie to jest niedeterministyczne w żaden sposób, ciężko jest je kompensować w systemie kontrolującym driver.
Na rysunku 6 pokazano typową konfigurację sterowników bramek ADuM4121 używanych z MOSFETami mocy w konfiguracji pół-mostka dla zasilaczy i aplikacji w sterowaniu silników elektrycznych. W takim układzie, jeśli oba Q1 i Q2 są włączone w tym samym czasie, istnieje szansa na zwarcie półmostka z powodu zwarcia ze sobą zasilania i masy przez oba tranzystory. Może to trwale uszkodzić przełączniki, a nawet cały obwód napędowy. Aby uniknąć takiej sytuacji, w systemie musi być skonfigurowany pewien czas martwy, by szansa na jednoczesne włączenie obu tranzystorów była znacznie zredukowana. Podczas tej przerwy sygnały na bramkach obu tranzystorów są niskie i dlatego oba przełączniki są wyłączone. Jeżeli skrócenie rozrzutu czasu propagacji sterowników w systemie jest mniejsze, to wymagany czas martwy także jest niższy, a sterowanie staje się bardziej przewidywalne. Mniejsze nachylenie i niższy czas martwy powodują płynniejszą i bardziej wydajną pracę systemu.
Charakterystyki czasowe są ważne, ponieważ wpływają na szybkość działania przełącznika zasilania w sterowniku. Zrozumienie tych parametrów prowadzi do łatwiejszego i dokładniejszego projektowania obwodów sterujących bramkami tranzystorów MOSFET i modułów IGBT.
Izolacja:
Izolacja galwaniczna pomiędzy wejściem a wyjściem układu ma wiele zalet w systemie sterowania bramkami tranzystorów polowych. Dzięki barierze izolacyjnej nie ma bezpośredniego przepływu ładunku pomiędzy sterownikiem systemu a tranzystorami. Pozwala to np. utrzymywać poszczególne tranzystory na różnym potencjale masy. Czasami też wymagania bezpieczeństwa nakładają na system konieczność implementacji izolacji galwanicznej w tym miejscu układu.
Istnieje szereg metod na przenoszenie informacji poprzez barierę izolacji galwanicznej. Sprzęg realizowany może być magnetycznie (poprzez transformator), przez pole elektryczne (kondensator) lub optycznie.
Na rysunku 6 widzimy układ, który może pracować przy VBUS wynoszącym setki woltów przy dziesiątkach amperów płynących przez tranzystory Q1 i Q2. W przypadku awarii takiego systemu, izolacja galwaniczna zapewni bezpieczeństwo pierwotnej strony systemu. Jeżeli po pierwotnej stronie system nie ma kontaktu z użytkownikiem, to izolacja taka może nie być krytyczna, gdyż zagrożony jest tylko sprzęt, a nie ludzkie zdrowie bądź życie.
Rys.6. Bariera izolacyjna w sterowniku półmostka, opartym o ADuM4121.
Izolacja wymagana jest przez normy bezpieczeństwa w systemach elektronicznych, aby zapobiec ryzyku porażenia użytkownika wysokim napięciem. Dodatkowo, izolacja bramek tranzystorów wysokiej mocy zwiększa bezawaryjność całego systemu – układy sterujące nie są narażone na uszkodzenie w momencie wystąpienia jakiejś awarii po stronie wtórnej bariery izolacji galwanicznej.
Istnieje wiele różnych parametrów, którymi opisywać można barierę izolacyjną, jednakże najbardziej podstawowym i kluczowym spośród nich jest napięcie przebicia. Jest to poziom napięcia, przy którym bariera izolacyjna ulega przebiciu, przestając zapewniać bezpieczeństwo po stronie pierwotnej. Napięcie to jest zazwyczaj specyfikowane na czas życia układu określony w karcie katalogowej, a także dla pewnego zakresu przepięć, dokładnie sparametryzowanych (czas trwania, przebieg, napięcie) w dokumentacji. Na poziom izolacji galwanicznej systemu wpływ ma też wielkość obudowy układu scalonego, minimalna odległość pinów (w różnych domenach elektrycznych) od siebie oraz częściowo projekt płytki PCB.
Oprócz kwestii bezpieczeństwa, izolacja galwaniczna może być również niezbędna do prawidłowego działania systemu. Na rysunku 6 pokazano topologię półmostka, powszechnie stosowaną w obwodach napędowych silnika, w których tylko jeden tranzystor jest włączony w danym czasie. Po stronie wysokiej mocy tranzystor Q2 ma źródło podłączone do masy. Napięcie źródła bramki Q2 (VGSQ2) jest zatem bezpośrednio odnoszone do potencjału masy, a konstrukcja obwodu sterującego jest względnie prosta. Tak nie jest już w przypadku tranzystora Q1 po wysokiej stronie, ponieważ jego źródłem jest węzeł komutacyjny, który jest podciągany do potencjału napięcia zasilającego lub do masy, w zależności od tego, który tranzystor w danej chwili przewodzi.
Aby włączyć Q1, należy podać na bramkę napięcie większe od progowego, jednakże jest ono liczone względem źródła tego tranzystora (VGSQ1). Zatem napięcie bramki Q1 będzie wyższe niż napięcie VBUS, gdy będzie ono włączone. Jeśli obwód sterownika bramki nie ma izolacji galwanicznej, to dla odniesienia do masy układu, do sterowania Q1 wymagane będzie napięcie wyższe niż napięcie zasilające VBUS. Jest to kłopotliwe rozwiązanie - nie jest ono praktyczne w przypadku próby stworzenia wydajnego systemu. W związku z tym wymagane są sygnały sterujące przesunięte o pewne napięcie i odniesione do źródła tranzystora po wysokiej stronie półmostka. Jest to znane jako izolacja funkcjonalna i może być implementowane za pomocą izolowanego sterownika bramki, takiego jak ADuM4223.
Odporność na szum
Sterowniki bramek są używane często w środowiskach przemysłowych, które z natury mają wiele źródeł zakłóceń. Mogą one zniekształcić przesyłane dane i spowodować, że system będzie działał niepoprawnie, co prowadzi do obniżenia wydajności układu. W związku z tym sterowniki bramek muszą wykazywać wysoką odporność na zakłócenia, aby zapewnić integralność danych. Odporność na zakłócenia odnosi się do tego, jak dobrze sterownik odrzuca zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) lub szumy w pasmie radiowym oraz zakłócenia przejściowe przenoszące się m.in. po liniach zasilania.
EMI to pole elektryczne i magnetyczne, które zakłóca oczekiwaną pracę urządzenia elektronicznego. EMI, które ma wpływ na sterowniki bramki tranzystora, jest wynikiem działania obwodów przełączających o wysokiej częstotliwości i powstaje głównie w wyniku indukowania pola magnetycznego przez duże silniki elektryczne. Zakłócenia tego rodzaju mogą być promieniowane – przenoszące się w postaci fal elektromagnetycznych – lub przewodzone, czyli propagujące się poprzez np. linie zasilania. Odporność na zakłócenia EMI oraz RF jest miarą, która odnosi się do zdolności sterownika bramki do odrzucenia zakłóceń elektromagnetycznych i utrzymania niezawodnej pracy bez błędów. Wysoka odporność na zakłócenia elektromagnetyczne pozwala na stosowanie sterowników w pobliżu dużych silników elektrycznych bez wprowadzania jakichkolwiek błędów w transmisji danych.
Jak widać na rysunku 6, oczekuje się, że bariera izolacyjna zapewni izolację wysokiego napięcia na różnych powierzchniach o różnych potencjałach. Ale przełączanie wysokich częstotliwości skutkuje krótkimi impulsami zmian napięcia po stronie wtórnej. Te szybkie stany przejściowe są przenoszone poprzez barierę galwaniczną poprzez pojemność pasożytniczą, sprzęgającą obie strony układu – pierwotną i wtórną. Może to doprowadzić do zakłócenia podawanych do układu sygnałów, fluktuacji sygnału bramki etc. Może to przełożyć się na zmniejszenie wydajności układu, ale także związane jest z ryzykiem przypadkowego otwarcia obu tranzystorów półmostka i zwarcia go.
Definiującą metryką dla sterowników bramek jest odporność przejściowa w trybie zwykłym (CMTI), którą ilościowo opisuje się jako zdolność izolowanego sterownika bramki do odrzucania dużych napięć przejściowych, przenoszących się pomiędzy wejściem i wyjściem. Odporność drivera musi być wysoka, jeśli szybkości zmian w systemie są wysokie. Tak więc wartości CMTI są szczególnie istotne w przypadku pracy przy wysokich częstotliwościach i dużych napięciach linii zasilania.
Podsumowanie
Artykuł ten dedykowany jest jako wprowadzenie do tematyki sterowników bramek tranzystorów MOSFET oraz modułów IGBT. Z uwagi na swój podstawowy charakter, parametry opisane w powyższym artykule, nie są ani kompletne, ani nawet dogłębnie opisane. Na tym poziomie wiedzy, dobrze jest tylko znać ich ogólne znaczenie.
Nie ujęto tutaj szeregu ważnych cech elementów, takich jak dopuszczalna temperatura pracy, rozkład wyprowadzeń, zakres napięć pracy etc. Zarówno te wszystkie czynniki, jak i wiele innych, mają krytyczny wpływ na dobór drivera do konkretnej aplikacji.
Dodatkowo w scalonych driverach spotkać możemy się z dodatkowymi funkcjami, takimi jak aktywne systemy ochronne, zaawansowana sensoryka – pomiar temperatury, prądu itp.
Ogromna ilość sterowników bramek tranzystorów, jaka jest dostępna na rynku, sprawia, że tylko dogłębne zrozumienie znaczenia poszczególnych parametrów je opisujących pozwoli na wybranie odpowiedniego układu do naszej aplikacji.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/isolated-gate-drivers-what-why-and-how.html
Istnieją dedykowane do tego celu układy scalone - drivery bramki - dedykowanych do podawania napięcia na bramkę układu tak, by sygnał ten spełniał wszystkie wymagania elektryczne sterowanej bramki. W poniższym artykule omówimy, jakie są rodzaje dostępnych na rynku driverów bramek, jakie są dostępne na rynku. Omówione zostaną różne parametry tych układów, takie jak parametry czasowe, siła sterowania i poziom izolacji galwanicznej.
Potrzebny driver mostka
Struktura tranzystora IGBT / MOSFET sprawia, że bramka tego elementu tworzy nieliniowy kondensator. Ładowanie kondensatora bramki powoduje włączenie urządzenia zasilającego i umożliwia przepływ prądu między jego źródłem a drenem, natomiast rozładowanie bramki wyłącza urządzenie, a układ może odłączyć nawet duże napięcie. Minimalny poziom napięcia, gdy kondensator bramki jest naładowany, a urządzenie może po prostu przewodzić, to tzw. napięcie progowe (VTH). W celu wykorzystania modułu IGBT czy MOSFETa jako przełącznika, pomiędzy bramką a źródłem/emiterem należy przyłożyć napięcie wystarczająco duże - większe niż VTH.
Rozważmy prosty system cyfrowy z mikrokontrolerem, który może generować sygnał PWM od napięciu od 0 V do 5 V na jednym z swoich pinów I/O. Ten sygnał PWM nie zawsze wystarczy, aby w pełni wysterować opisywane elementy, ponieważ napięcie VTH przewyższa zwykle standardowe napięcie logiczne wyjścia CMOS/TTL. Zatem potrzebny jest odpowiedni interfejs między układem sterującym a urządzeniem o dużej mocy. Można to zrealizować, wykorzystując dodatkowy tranzystor MOSFET z kanałem typu N to przełączania napięcia na bramce dużego MOSFTa, jak pokazano to na rysunku 1a.
Rys.1. MOSFET mocy sterowane logiką odwróconą.
Na rysunku 1a widzimy prosty układ - gdy napięcie na IO1 przyjmuje stan niski, VGSQ1 < VTHQ1, co oznacza, że MOSFET Q1 jest wyłączony W ten sposób, a na bramkę tranzystora Q2 przyłożone jest napięcie dodatnie. Kondensator bramki Q2 ładuje się poprzez podciągający opornik R1, który podaje na bramkę napięcie zasilające VDD. Jako że VDD > VTHQ2, to tranzystor Q2 zaczyna przewodzić prąd.
W momencie, gdy na IO1 pojawi z kolei się sygnał wysoki, to tranzystor Q1 przewodzi i rozładowuje w ten sposób bramkę Q2. Napięcie dren-źródło załączonego Q1 wynosi 0 V, przez co VGSQ2 < VTHQ2 i tranzystor Q2 się wyłącza. Jedynym problemem do rozważania, jeśli chodzi o ten układ, jest rozpraszanie ciepła na oporniki R1 podczas załączania Q1. Aby pozbyć się tego problemu, można zastosować zamiast niego dodatkowy MOSFET (z kanałem typu P) Q3, który wykorzystywany będzie do podciągania bramki tranzystora. W ten sposób Q1 i Q3 pracować będą komplementarnie do siebie. Schemat takiego układu pokazano na rysunku 1b.
Tranzystor PMOS będzie miał niską rezystancję w momencie załączenia i wysoką, gdy będzie wyłączony, dzięki czemu straty mocy na układzie znacząco spadną. Jeśli w takim systemie chcemy sterować nachyleniem zboczy sygnałów, dodać trzeba niewielki zewnętrzny opornik pomiędzy drenem Q1 a bramką Q2. Inną zaletą tego rodzaju drivera (z dodatkowym PMOSem Q3) jest fakt, że tranzystor polowy łatwo produkuje się w procesie półprzewodnikowym, a opornik już nie. Dzięki temu relatywnie prosto jest wyprodukować scalony, monolityczny układ pełniący rolę sterownika bramki. W ten sposób otrzymujemy układ scalony, z wejściem logicznym z jednej strony, który potrafi pełnić rolę kompletnego sterownika bramki tranzystora polowego.
Tego rodzaju prosty driver często rozbudowuje się o dodatkowe funkcje, jednakże jego podstawowy tryb działania to konwerter poziomów i wzmacniacz mocy.
Kluczowe parametry drivera bramki
Siła sterowania:
Pod tym hasłem kryje się informacja o tym, jak silnie steruje bramką dany układ. Jednym problemem jest podanie na bramkę odpowiednio wysokiego napięcia przez przesuwnik poziomu. Drugim jednakże jest problem ładowania pojemności bramki. Po podaniu na nią napięcia, jej potencjał nie zmienia się natychmiastowo, właśnie przez tą pojemność. Dlatego też tranzystor FET czy też IGBT przełącza się w pewnym niezerowym czasem. Jeśli w tym momencie do elementu przyłożone jest wysokie napięcie lub płynie przezeń duży prąd, to spodziewać należy się sporych strat w momencie przełączania, które oczywiście muszą zostać rozproszone w postaci ciepła. Dlatego też zależy nam, by przejście z jednego do drugiego stanu układu było możliwie szybkie. Aby zbocze narastało/opadało szybko na bramce, potrzebny jest duży prąd drivera, by być w stanie szybko naładować/rozładować pojemność bramki.
Rys.2. Sygnał na bramce podczas załączania tranzystora bez drivera.
Sterownik, który jest w stanie działać z większym prądem bramki przez dłuższy czas oferuje krótszy czas przełączania, co bezpośrednio przekłada się na mniejsze straty na elemencie podczas jego przełączania.
Rys.3. Sygnał na bramce podczas załączania tranzystora z pomocą dedykowanego sterownika
Prądy pinów typowego mikrokontrolera są rzędu dziesiątek miliamperów - bramka dużego tranzystora potrzebuje często znacznie wyższego prądu, a taki jest w stanie dostarczyć dedykowany driver. Na rysunku 2 widzimy przebiegi napięcia podczas sterowania pinem MOSFETa bezpośrednio z nóżki mikrokontrolera. Czas załączania tranzystora jest bardzo długi. Z kolei, jeżeli wykorzystamy w tym celu dedykowany driver, to tak jak widać na rysunku 3, czas załączania tranzystora będzie znacznie krótszy. W tym konkretnym przykładzie wykorzystany będzie izolowany sterownik bramki ADuM4121.
Układ ten zapewnia znacznie wyższy poziom prądu bramki niż samo wyprowadzenie mikrokontrolera, co pozwala na obsłużenie tranzystora większej mocy. Dodatkowo, sterowanie tranzystorami bezpośrednio z mikrokontrolera pobiera z niego dużo prądu, co przekłada się na grzanie się tego elementu. W konsekwencji doprowadzić może to do uszkodzenia mikrokontrolera. Dlatego także bardzo istotnym jest stosowanie dedykowanych driverów.
Dzięki wysokiemu prądowi bramki, sterownik jest w stanie przełączać tranzystor w czasie kilku nanosekund. Istotnie redukuje to straty podczas przełączania tranzystora, zwiększając ogólną wydajność układu.
Z prądem bramki związany jest także parametr RDS(ON) jej sterownika. Powinien on być bardzo niski - idealnie zerowy - dzięki czemu sterownik ma zerową rezystancję podczas załączenia, co sprawia, że prąd jest bardzo wysoki. Typowo wartość ta, dla sterowników bramki, wynosi kilka omów. Trzeba tą rezystancję uwzględniać podczas szacowania siły sterowania bramką.
RDS(ON) jest najlepszą miarą siły sterownika bramki tranzystora, jako że ten parametr najbardziej ogranicza prąd bramki. Jeśli jednak musimy zredukować szybkość narastania napięcia na bramce, to jak pokazano na rysunku 4 -
możliwe jest dodanie zewnętrznego opornika REXT, który sumować będzie się z RDS(ON) kluczy w driverze, sterujących bramką i ładujących/rozładowujących jej pojemność.
Rys.4. Prosty model (w postaci układu RC) stopnia wyjściowego i bramki tranzystora MOSFET.
RDS(ON) także wpływa bezpośrednio na rozpraszanie mocy na driverze. Im niższa rezystancja kanałów, tym mniej ciepła wydziela się na tym elemencie i jednocześnie tym wyższych oporników REXT można użyć w systemie sterowania. Dzięki temu, lepiej rozkłada się ciepło generowane przez układ sterowania - na zewnętrzny REXT i RDS(ON) sterownika. Dzięki temu, że REXT może być wyższe, to więcej mocy rozpraszane będzie na zewnątrz, poza układem, co ułatwia chłodzenie scalonego drivera.
Zależności czasowe [/u]
Rys.5. Przykładowe sterowniki oparte o ADuM4120 oraz wykres sygnału na bramce z zaznaczonymi najważniejszymi zależnościami czasowymi.
Zależności czasowe sterownika bramki są kluczowym aspektem oceny jego działania. Wspólna specyfikacja czasowa dla wszystkich sterowników bramek, w tym ADuM4120 pokazana jest na [b]rysunku 5. Istotne parametry to czas propagacji (tD) sterownika, który jest zdefiniowany jako czas, jaki zajmuje propagacja krawędzi zbocza sygnału z wejścia na wyjście.
Jak widzimy dalej na na rysunku 5, wzrost opóźnienia propagacji (tDLH) może być zdefiniowany jako czas pomiędzy wejściem zbocza wznoszącego się powyżej progu wysokiego wejścia (VIH) a wyjściem wzrastającym powyżej 10% jego wartości końcowej. Podobnie czas propagacji sygnału opadającego (tDHL) można określić jako czas mijający od krawędzi wejściowej spadającej poniżej dolnego progu wejściowego (VIL) do wartości wyjściowej spadającej poniżej 90% jej poziomu wysokiego. Opóźnienie propagacji dla przejścia sygnału wyjściowego może być inne dla krawędzi narastającej i opadającej.
Rysunek 5 pokazuje również czasy narastania i opadania sygnału. Na te współczynniki wpływa prąd bramki, który może dostarczyć daną część; są one również zależne od obciążenia, ale nie są to składowe uwzględniane podczas obliczania czasu propagacji. Innym parametrem czasowym w systemie jest zniekształcenie szerokości impulsu, które jest różnicą między czasem propagacji sygnału narastającego i opadającego dla tej samej części. Zatem zniekształcenie szerokości impulsu (PWD) = |tDLH - tDHL|.
Z uwagi na niedopasowanie poszczególnych elementów drivera, jak i ich tolerancje produkcyjne, czasy propagacji dwóch elementów nigdy nie będą takie same. Spowoduje to także, że występować będzie pewien rozrzut czasów propagacji (tSKEW), który definiuje się jako różnicę czasów propagacji pomiędzy dwoma różnymi elementami, pracującymi w tych samych warunkach.
Jak widać na rysunku 5 - tSKEW definiuje się pomiędzy osobnymi elementami, jednakże można w analogiczny sposób definiować taki rozrzut czasów dla różnych wyjść w obrębie jednego, tego samego sterownika wielokanałowego. Jako że odchylenie to jest niedeterministyczne w żaden sposób, ciężko jest je kompensować w systemie kontrolującym driver.
Na rysunku 6 pokazano typową konfigurację sterowników bramek ADuM4121 używanych z MOSFETami mocy w konfiguracji pół-mostka dla zasilaczy i aplikacji w sterowaniu silników elektrycznych. W takim układzie, jeśli oba Q1 i Q2 są włączone w tym samym czasie, istnieje szansa na zwarcie półmostka z powodu zwarcia ze sobą zasilania i masy przez oba tranzystory. Może to trwale uszkodzić przełączniki, a nawet cały obwód napędowy. Aby uniknąć takiej sytuacji, w systemie musi być skonfigurowany pewien czas martwy, by szansa na jednoczesne włączenie obu tranzystorów była znacznie zredukowana. Podczas tej przerwy sygnały na bramkach obu tranzystorów są niskie i dlatego oba przełączniki są wyłączone. Jeżeli skrócenie rozrzutu czasu propagacji sterowników w systemie jest mniejsze, to wymagany czas martwy także jest niższy, a sterowanie staje się bardziej przewidywalne. Mniejsze nachylenie i niższy czas martwy powodują płynniejszą i bardziej wydajną pracę systemu.
Charakterystyki czasowe są ważne, ponieważ wpływają na szybkość działania przełącznika zasilania w sterowniku. Zrozumienie tych parametrów prowadzi do łatwiejszego i dokładniejszego projektowania obwodów sterujących bramkami tranzystorów MOSFET i modułów IGBT.
Izolacja:
Izolacja galwaniczna pomiędzy wejściem a wyjściem układu ma wiele zalet w systemie sterowania bramkami tranzystorów polowych. Dzięki barierze izolacyjnej nie ma bezpośredniego przepływu ładunku pomiędzy sterownikiem systemu a tranzystorami. Pozwala to np. utrzymywać poszczególne tranzystory na różnym potencjale masy. Czasami też wymagania bezpieczeństwa nakładają na system konieczność implementacji izolacji galwanicznej w tym miejscu układu.
Istnieje szereg metod na przenoszenie informacji poprzez barierę izolacji galwanicznej. Sprzęg realizowany może być magnetycznie (poprzez transformator), przez pole elektryczne (kondensator) lub optycznie.
Na rysunku 6 widzimy układ, który może pracować przy VBUS wynoszącym setki woltów przy dziesiątkach amperów płynących przez tranzystory Q1 i Q2. W przypadku awarii takiego systemu, izolacja galwaniczna zapewni bezpieczeństwo pierwotnej strony systemu. Jeżeli po pierwotnej stronie system nie ma kontaktu z użytkownikiem, to izolacja taka może nie być krytyczna, gdyż zagrożony jest tylko sprzęt, a nie ludzkie zdrowie bądź życie.
Rys.6. Bariera izolacyjna w sterowniku półmostka, opartym o ADuM4121.
Izolacja wymagana jest przez normy bezpieczeństwa w systemach elektronicznych, aby zapobiec ryzyku porażenia użytkownika wysokim napięciem. Dodatkowo, izolacja bramek tranzystorów wysokiej mocy zwiększa bezawaryjność całego systemu – układy sterujące nie są narażone na uszkodzenie w momencie wystąpienia jakiejś awarii po stronie wtórnej bariery izolacji galwanicznej.
Istnieje wiele różnych parametrów, którymi opisywać można barierę izolacyjną, jednakże najbardziej podstawowym i kluczowym spośród nich jest napięcie przebicia. Jest to poziom napięcia, przy którym bariera izolacyjna ulega przebiciu, przestając zapewniać bezpieczeństwo po stronie pierwotnej. Napięcie to jest zazwyczaj specyfikowane na czas życia układu określony w karcie katalogowej, a także dla pewnego zakresu przepięć, dokładnie sparametryzowanych (czas trwania, przebieg, napięcie) w dokumentacji. Na poziom izolacji galwanicznej systemu wpływ ma też wielkość obudowy układu scalonego, minimalna odległość pinów (w różnych domenach elektrycznych) od siebie oraz częściowo projekt płytki PCB.
Oprócz kwestii bezpieczeństwa, izolacja galwaniczna może być również niezbędna do prawidłowego działania systemu. Na rysunku 6 pokazano topologię półmostka, powszechnie stosowaną w obwodach napędowych silnika, w których tylko jeden tranzystor jest włączony w danym czasie. Po stronie wysokiej mocy tranzystor Q2 ma źródło podłączone do masy. Napięcie źródła bramki Q2 (VGSQ2) jest zatem bezpośrednio odnoszone do potencjału masy, a konstrukcja obwodu sterującego jest względnie prosta. Tak nie jest już w przypadku tranzystora Q1 po wysokiej stronie, ponieważ jego źródłem jest węzeł komutacyjny, który jest podciągany do potencjału napięcia zasilającego lub do masy, w zależności od tego, który tranzystor w danej chwili przewodzi.
Aby włączyć Q1, należy podać na bramkę napięcie większe od progowego, jednakże jest ono liczone względem źródła tego tranzystora (VGSQ1). Zatem napięcie bramki Q1 będzie wyższe niż napięcie VBUS, gdy będzie ono włączone. Jeśli obwód sterownika bramki nie ma izolacji galwanicznej, to dla odniesienia do masy układu, do sterowania Q1 wymagane będzie napięcie wyższe niż napięcie zasilające VBUS. Jest to kłopotliwe rozwiązanie - nie jest ono praktyczne w przypadku próby stworzenia wydajnego systemu. W związku z tym wymagane są sygnały sterujące przesunięte o pewne napięcie i odniesione do źródła tranzystora po wysokiej stronie półmostka. Jest to znane jako izolacja funkcjonalna i może być implementowane za pomocą izolowanego sterownika bramki, takiego jak ADuM4223.
Odporność na szum
Sterowniki bramek są używane często w środowiskach przemysłowych, które z natury mają wiele źródeł zakłóceń. Mogą one zniekształcić przesyłane dane i spowodować, że system będzie działał niepoprawnie, co prowadzi do obniżenia wydajności układu. W związku z tym sterowniki bramek muszą wykazywać wysoką odporność na zakłócenia, aby zapewnić integralność danych. Odporność na zakłócenia odnosi się do tego, jak dobrze sterownik odrzuca zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) lub szumy w pasmie radiowym oraz zakłócenia przejściowe przenoszące się m.in. po liniach zasilania.
EMI to pole elektryczne i magnetyczne, które zakłóca oczekiwaną pracę urządzenia elektronicznego. EMI, które ma wpływ na sterowniki bramki tranzystora, jest wynikiem działania obwodów przełączających o wysokiej częstotliwości i powstaje głównie w wyniku indukowania pola magnetycznego przez duże silniki elektryczne. Zakłócenia tego rodzaju mogą być promieniowane – przenoszące się w postaci fal elektromagnetycznych – lub przewodzone, czyli propagujące się poprzez np. linie zasilania. Odporność na zakłócenia EMI oraz RF jest miarą, która odnosi się do zdolności sterownika bramki do odrzucenia zakłóceń elektromagnetycznych i utrzymania niezawodnej pracy bez błędów. Wysoka odporność na zakłócenia elektromagnetyczne pozwala na stosowanie sterowników w pobliżu dużych silników elektrycznych bez wprowadzania jakichkolwiek błędów w transmisji danych.
Jak widać na rysunku 6, oczekuje się, że bariera izolacyjna zapewni izolację wysokiego napięcia na różnych powierzchniach o różnych potencjałach. Ale przełączanie wysokich częstotliwości skutkuje krótkimi impulsami zmian napięcia po stronie wtórnej. Te szybkie stany przejściowe są przenoszone poprzez barierę galwaniczną poprzez pojemność pasożytniczą, sprzęgającą obie strony układu – pierwotną i wtórną. Może to doprowadzić do zakłócenia podawanych do układu sygnałów, fluktuacji sygnału bramki etc. Może to przełożyć się na zmniejszenie wydajności układu, ale także związane jest z ryzykiem przypadkowego otwarcia obu tranzystorów półmostka i zwarcia go.
Definiującą metryką dla sterowników bramek jest odporność przejściowa w trybie zwykłym (CMTI), którą ilościowo opisuje się jako zdolność izolowanego sterownika bramki do odrzucania dużych napięć przejściowych, przenoszących się pomiędzy wejściem i wyjściem. Odporność drivera musi być wysoka, jeśli szybkości zmian w systemie są wysokie. Tak więc wartości CMTI są szczególnie istotne w przypadku pracy przy wysokich częstotliwościach i dużych napięciach linii zasilania.
Podsumowanie
Artykuł ten dedykowany jest jako wprowadzenie do tematyki sterowników bramek tranzystorów MOSFET oraz modułów IGBT. Z uwagi na swój podstawowy charakter, parametry opisane w powyższym artykule, nie są ani kompletne, ani nawet dogłębnie opisane. Na tym poziomie wiedzy, dobrze jest tylko znać ich ogólne znaczenie.
Nie ujęto tutaj szeregu ważnych cech elementów, takich jak dopuszczalna temperatura pracy, rozkład wyprowadzeń, zakres napięć pracy etc. Zarówno te wszystkie czynniki, jak i wiele innych, mają krytyczny wpływ na dobór drivera do konkretnej aplikacji.
Dodatkowo w scalonych driverach spotkać możemy się z dodatkowymi funkcjami, takimi jak aktywne systemy ochronne, zaawansowana sensoryka – pomiar temperatury, prądu itp.
Ogromna ilość sterowników bramek tranzystorów, jaka jest dostępna na rynku, sprawia, że tylko dogłębne zrozumienie znaczenia poszczególnych parametrów je opisujących pozwoli na wybranie odpowiedniego układu do naszej aplikacji.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/isolated-gate-drivers-what-why-and-how.html
Cool? Ranking DIY
