Новое семейство универсальных ИС для драйвера затвора

№ 5’2014
PDF версия
Компания Infineon Technologies представляет новое семейство одноканальных ИС драйвера затвора EiceDRIVER Compact общего назначения. Различные модели семейства предназначены для работы с дискретными IGBT, IGBT-модулями, МОП-транзисторами, а также SiC- и GaN-ключами.

ИС EiceDRIVER Compact с выходным током 0,5–6 А позволяют управлять затвором IGBT и МОП-транзисторов различных классов мощности. Благодаря корпусу DSO-8 приборы имеют небольшую площадь посадочного места и высокую плотность мощности. Кроме того, снижение сложности облегчает их интеграцию в разрабатываемые системы. Технология изоляции с использованием трансформатора без сердечника гарантирует бесперебойное функционирование при напряжениях смещения до ±1200 В и стойкость к изменению потенциала выхода (CMTI) более чем 100 кВ/мкс (при коммутации силового ключа). Это значительное повышение надежности и новое достижение в области гальванически изолированных драйверов.

1EDI20N12AF и 1EDI60N12AF предназначены для управления MOSFET, SiC- и GaN-ключами. Минимальный выходной ток для управления затвором установлен на уровне 2 или 6 А. Оба прибора оснащены отдельными выходами заряда/разряда затвора, что позволяет оптимизировать работу системы в момент отпирания и запирания транзистора благодаря применению резисторов различных номиналов в этих цепях. Приборы имеют задержку распространения сигнала менее 105 нс и постоянную времени фильтра на входе всего 40 нс, а следовательно, подходят для устройств с высокой частотой переключения до 4 МГц, таких как импульсные источники питания. Оба типа ИС оптимизированы для использования с силовыми полупроводниковыми приборами, изготовленными по технологии CoolMOS. Порог блокировки при недостаточном напряжении (UVLO) гарантирует надлежащий режим работы МОП-транзисторов. EiceDRIVER Compact в сочетании с новым MOSFET семейства CoolMOS C7 в четырехвыводном корпусе обеспечивает дополнительное повышение КПД на 0,5%. Эти приборы рекомендованы для применения не только в импульсных источниках питания, но и в корректорах коэффициента мощности, серверах, телекоммуникационном оборудовании, солнечных установках, понижающих/повышающих преобразователях и блоках питания для ПК.

1EDI05I12AF, 1EDI20I12AF, 1EDI40I12AF и 1EDI60I12AF предназначены для управления дискретными IGBT и IGBT-модулями с выходным током затвора 0,5–6 А. Все четыре модели имеют также отдельные выходы заряда/разряда затвора, аналогично 1EDI20N12AF и 1EDI60N12AF. Эти драйверы конструктивно оснащены большим встроенным входным фильтром с постоянной времени 230 нс для надежного ШИМ-управления в жестких условиях эксплуатации. В результате данные ИС драйверов характеризуются увеличенной задержкой распространения сигнала порядка 300 нс. Время задержки отрегулировано для лучшего согласования с характеристиками переключения различных приборов. Типичные области применения: приводы, преобразователи солнечной энергии, сварочные аппараты или индукционные кухонные плиты.

К семейству EiceDRIVER Compact также относятся модели 1EDI10I12MF, 1EDI20I12MF и 1EDI30I12MF с функцией активного ограничения эффекта Миллера (Active Miller Clamp) вместо отдельных выходов заряда/разряда. Данное решение позволяет отключать транзистор при высокой скорости изменения напряжения dV/dt на IGBT, даже при однополярном питании. Детальная информация о семействе Compact приведена в таблице.

Таблица. Обзор нового семейства EiceDRIVER 1EDI Compact

Код

1EDI60N12AF

1EDI20N12AF

1EDI60I12AF

1EDI40I12AF

1EDI20I12AF

1EDI05I12AF

1EDI30I12MF

1EDI20I12MF

1EDI10I12MF

Корпус

DSO-8 (ширина 150 мм)

Приложения

Импульсные источники питания, корректоры коэффициента мощности, телекоммуникационное оборудование, серверы, солнечные установки, понижающие/повышающие преобразователи, источники питания для ПК

Универсальные инверторы (GPI), приводы (универсальные
и сервоприводы), сварочные аппараты, промышленные и кухонные индукционные нагреватели, преобразователи солнечной энергии, источники бесперебойного питания

Универсальные инверторы (GPI), промышленные приводы, сварочные аппараты, промышленные индукционные нагреватели, преобразователи солнечной энергии, источники бесперебойного питания

Класс напряжения, В

до 1200

Выходной ток, А

6/–6

2/–2

6/–6

4/–4

2/–2

0,5/–0,5

3/–3

2/–2

1/–1

Отдельный выход
заряда/разряда затвора

Активное ограничение эффекта Миллера

UVLO

MOSFET

IGBT

Задержка распространения сигнала, нс

105

300

Максимальная частота переключения, МГц

4

1

Рекомендуемые транзисторы

CoolMOS C7, CP

Все 650- и 1200-В IGBT-модули

 

Трансформатор без сердечника

По сравнению с предыдущими разработками технология трансформатора без сердечника обеспечивает более высокие выходные токи, а значит, и более высокую плотность мощности, при этом позволяет использовать тот же компактный корпус DSO-8.

Быстрое переключение силового каскада может иметь серьезные последствия для работоспособности системы, если драйвер не предназначен для подобных условий эксплуатации. Надежная конструкция нового трансформатора без сердечника гарантирует высокую стойкость к изменению потенциала выхода с dV/dt более 100 кВ/мкс, что подтверждается испытаниями в схеме применения с транзисторами CoolMOS [1].

Для защиты от помех имеется внутренний входной фильтр, который подавляет любой шум с длительностью импульса TMININ ±40 нс для MOSFET и TMININ ±240 нс для IGBT. Таким образом, в стандартных приложениях внешние фильтры не требуются. Входная логика предназначена для широкого рабочего диапазона, а пороговые значения входного напряжения постоянно связаны с положительным входным напряжением источника питания. Встроенная схема блокировки при недостаточном напряжении питания активирует микросхему при напряжении 3 В, и с этого момента верхнее пороговое значение входного напряжения будет неизменно составлять VIN,H = 0,7VVCC1.

Нижнее пороговое значение входного напряжения соответственно устанавливается равным VIN,L = 0,3VVCC1. Такое линейное масштабирование позволяет прибору работать непосредственно от 3,3-В процессора цифровой обработки сигналов. Максимальное входное напряжение составляет VVCC1,max = 17 В.

Инвертирующий и неинвертирующий вход

В новых приборах семейства 1EDI Compact предусмотрены два входа: инвертирующий и неинвертирующий. Они предназначаются для различных комбинаций, в зависимости от потребностей приложения. Например, неинвертирующий вход может служить в качестве ШИМ-входа, а инвертирующий — как своего рода разрешающий сигнал, и наоборот. Еще один пример: инвертированное управление входом, где IN+ соответствует высокому уровню напряжения, а IN– — низкому. Эта возможность полезна из соображений безопасности.

Если для управления IGBT или МОП-транзисторами используются два прибора в полумостовой конфигурации, то вход IN+ драйвера верхнего плеча можно подключить к сигналу IN– драйвера нижнего плеча, и на­оборот. Такая конфигурация позволяет предотвратить поперечную проводимость.

Вывод IN+ подтягивается внутренними средствами схемы к низкому логическому уровню выключенного состояния, а вывод IN– соответственно к высокому логическому уровню. Данная схема гарантирует выключение во всех других конфигурациях, где входной сигнал может быть подсоединен к выходу с высоким импедансом, при ненадежном паяном соединении или обрыве провода.

Различные конфигурации выхода

Семейство 1EDI Compact ориентировано на широкий спектр приложений. Предлагаются различные варианты, отвечающие индивидуальным требованиям. Приборы с отдельными выходами стока и истока полезны в прикладных схемах для реализации включенного и выключенного состояния. Это можно сделать за счет применения отдельных резисторов для заряда и разряда затвора, причем дополнительный внешний диод не нужен. Подробности приведены на рис. 1а. Напряжение питания может достигать VCC2 = 35 В. Эту ИС можно использовать с однополярным источником питания для получения биполярных напряжений затвора. В итоге удается упростить управляющую схему, высвободить место на печатной плате и минимизировать паразитные сигналы в контуре затвора, тем самым улучшив рабочие характеристики.

Блок-схема вывода

Рис. 1. Блок-схема вывода:
а) вариант с отдельным выходом;
б) вариант CLAMP

Еще одна конфигурация показана на рис. 1б. Здесь общий канал заряда/разряда объединен с функцией активного ограничения эффекта Миллера (Active Miller Clamp). Преимущество такой схемы состоит в отключении транзистора даже при высокой скорости изменения напряжения (dV/dt). В этом решении можно обойтись без биполярного источника питания, чтобы упростить разработку и сэкономить место на печатной плате. ИС драйвера поддерживает однополярное питание от напряжения до VCC2 = 20 В, которого достаточно для большинства приложений.

Дополнительным преимуществом варианта с активным ограничением эффекта Миллера является встроенный диод, ограничивающий напряжение вывода CLAMP значением VCC2. Поскольку данный вывод подключен непосредственно к затвору силового ключа, дополнительный резистивный канал не нужен, в отличие от аналогичных конфигураций со встроенным диодом. Тем самым высвобождается место еще для одного внешнего диода на печатной плате.

Сама функция CLAMP имеет ту же нагрузочную способность по току, что и выход. Минимальный пиковый ток 1EDI30I12MF IOUT = 3 А. Схема CLAMP активируется, когда при выключении напряжение на выводе CLAMP опускается ниже VGATE = 2 В. При следующем включении прибора CLAMP-схема переходит в режим с тремя состояниями.

Тепловые характеристики

Сдвоенная конструкция ИС семейства EiceDRIVER Compact содержит две независимые секции рассеяния мощности внутри корпуса. Входная секция оценивалась независимо, чтобы исключить влияние выходной микросхемы. На втором этапе оценки входная и выходная секции работали параллельно (рис. 2).

Использование логического входа

Рис. 2. Использование логического входа

Тестировалось повышение температуры 1EDI60N12AF как функция частоты переключения входа в диапазоне до 5 МГц и напряжения питания в диапазоне до VCC1 = 17 В. Повышение температуры ИС драйвера в зоне входной микросхемы достигало 5,5 K при VCC1 = 5 В и 14 K при VCC1 = 17 В.

Для исследования выходной секции на вход подавалось постоянное напряжение VCC1 = 5 В. Влияние входной микросхемы мало по сравнению с потерями мощности на выходной микросхеме при VCC2 = 15 В и длительности рабочего цикла 50%. Влияние температуры при изменениях емкостной нагрузки (CLOAD) и различных частотах переключения показано на рис. 3. Потери мощности распределялись между выходным каскадом драйвера и двумя резисторами внешнего источника сигналов с сопротивлением 1,2 Ом каждый.

Изменение температуры в зависимости от емкостной нагрузки и частоты переключения

Рис. 3. Изменение температуры в зависимости от емкостной нагрузки и частоты переключения

Допустимая нагрузка по току на выходе

Выходной ток — один из важнейших параметров ИС драйвера. Для самых мощных в семействе ИС драйверов, 1EDI60I12AF и 1EDI60N12AF, минимальный пиковый ток IGATE = 6 А при VDS = 15 В на выходе прибора. Такой номинал сохраняется во всем диапазоне температур, типичные значения практически удваиваются в ходе динамических испытаний на стойкость при коротком замыкании без внешних резисторов затвора. Поэтому дополнительная повышающая цепь, которая обычно применялась в старых схемах, во многих приложениях теперь не требуется. Поскольку драйвер поддерживает выходные напряжения в диапазоне от напряжения питания во включенном состоянии и до уровня GND в выключенном состоянии, удается избежать такого недостатка, как понижение выходного напряжения в простой повышающей цепи.

Характеристики при переключении

Исследование 1EDI60N12AF проводилось в испытательной схеме с транзистором CoolMOS IPZ65R095C7 в качестве нагрузки на драйвер в повышающей конфигурации с длительностью рабочего цикла 50% при частоте переключения fsw = 1 МГц. Типичное значение общего заряда затвора транзистора — 45 нКл [3]. Напряжение питания данной испытательной схемы составляло 50 В, напряжение питания драйвера затвора VCC2 = 12 В. Сопротивление заряда и разряда затвора — 1,2 Ом. Выходной ток нагрузки равнялся 0,5 А, ток питания драйвера — 56 мА.

При таких условиях работы максимальная температура CoolMOS составила TCM = 81 °C, а драйвера — TDrv = 64 °C. Это свидетельствует о том, что возможностей 1EDI Compact более чем достаточно для управления прибором CoolMOS C7. Даже при эксплуатации с высокими частотами коммутации такой драйвер демонстрирует отличные характеристики в комбинации с транзисторами CoolMOS.

 

Выводы

Семейство EiceDRIVER Compact предназначено для работы с широким спектром дискретных IGBT, МОП-транзисторов, модулей, SiC- и GaN-ключами. В статье рассмотрен типичный пример тепловых характеристик в испытательной схеме и типичная схема применения; оба примера подтверждают выдающиеся характеристики нового семейства драйверов. Благодаря инновационной конструкции приборов семейства удается снизить трудозатраты при создании схем приложений. Широкий диапазон входных напряжений питания и гибкие конфигурации входа сводят к минимуму требования к внешним схемам, упрощают разработку и экономят место на печатной плате. Большой выходной ток драйвера и высокая частота переключения избавляют от необходимости применять повышающие каскады, что дополнительно экономит пространство на печатной плате и увеличивает общую плотность мощности. Разнообразие в выборе уровней выходного тока, а также разные конфигурации ИС этого семейства драйверов гарантируют оптимальную конструкцию системы с точки зрения компоновки платы, рабочих характеристик и стоимости. Встроенные интеллектуальные функции драйвера упрощают его использование. Таким образом, приборы семейства отвечают требованиям приложений, для которых важное значение имеет цена, высокая производительность и большая плотность мощности. Подробности можно найти на сайте [4].

Литература
  1. Rettinger H. 1ED Compact — A new high performance, cost efficient, high voltage gate driver IC family. PCIM 2014, Германия.
  2. Hancock J., Stückler F., Vecino E. C7 CoolMOS: Mastering the Art of Quickness. Рекомендации по применению AN 2012- 11 V1.0, компания Infineon Technologies.
  3. Спецификация IPZ65R095C7.
  4. infineon.com/eicedriver-compact

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *