Prąd szczytowy izolowanych sterowników bramek tranzystorów

Rozpraszanie mocy: ważna kwestia

Aby naładować i rozładować bramkę urządzenia mocy, należy wydatkować pewną energię. Jeśli używany jest równoważny model pojemnościowy, a pełne ładowanie i rozładowywanie bramki występuje w każdym cyklu przełączania, moc rozpraszana poprzez przełączania bramki zarówno dla izolowanych, jak i nieizolowanych sterowników bramek wynosi: 

Gdzie:

PDISS to moc rozpraszana w jednym cyklu przełączania bramki.

C_EQ to równoważna pojemność bramki.

V_DD2 jest amplitudą całkowitego wahania napięcia na bramce układu zasilania.

Q_{G_TOT} to całkowity ładunek bramki urządzenia mocy.

f_S to częstotliwość przełączania systemu.

Należy zauważyć, że równoważna pojemność bramki - CEQ - nie jest tym samym co CISS, którą można znaleźć w kartach katalogowych elementów mocy. Często jest to współczynnik od 3 do 5 razy większy niż CISS, a całkowity ładunek bramki, QG_TOT, jest dokładniejszą wartością dla tego modelu. Należy również zauważyć, że rezystancja szeregowa ładowania i rozładowania nie jest widoczna w tym równaniu, ponieważ odnosi się to tylko do całkowitej mocy rozpraszanej podczas operacji przełączania, a nie do mocy rozpraszanej w konkretnym układzie sterownika bramki.

Ze względu na izolowany charakter omawianych sterowników bramek, normy wymagają, aby różne obszary izolacji były oddzielone od siebie odpowiednimi odległościami. Wszelkie elementy na PCB muszą być rozmieszczone z uwzględnieniem odległości pełzania i prześwitu, co sprawia, że rzadko widuje się odsłonięte pola miedzi na PCB czy inne elementy, stosowane typowo do rozpraszania ciepła. Oznacza to, że jedna z głównych metod pomagających obniżyć opór cieplny układów scalonych nie jest w tej aplikacji dostępna, co prowadzi do większego znaczenia przesunięcia rozpraszania mocy poza izolowany sterownik bramki, aby umożliwić systemowi pracę w wyższej temperaturze otoczenia.

Bez możliwości dodania dodatkowych elementów odprowadzających ciepło, opór cieplny zastosowanego elementu jest z grubsza proporcjonalny do jego liczby pinów, wewnętrznej metalizacji, połączeń ramy układu scalonego z wyprowadzeniami i rozmiaru obudowy. Dla danego izolowanego sterownika bramki, porównując dostępne elementy, rozmiar obudowy, liczba pinów i często wyprowadzenia będą takie same, co prowadzi do mniej więcej takich samych wartości theta_JA(rezystancja cieplna złącze-otoczenie).

Rozpraszanie ciepła na układzie scalonym sterownika bramki powoduje wzrost temperatury wewnętrznego złącza. Straty mocy obliczone w równaniu 1 to całkowita moc rozproszona w układzie, który steruje bramką tranzystora podczas jego otwierania i zamykania. Moc rozpraszana w układzie sterownika bramki jest dzielona między wewnętrzne rezystancje tranzystorów FET, RDS(ON)_N i RDS(ON)_P oraz zewnętrzny szeregowy rezystor bramki REXT. Jeśli sterownik bramki działa głównie w obszarze liniowym, stosunek rozpraszania mocy, którego doświadcza układ scalony sterownika bramki, wynosi:

Jeśli R_{DS(ON)_N} = R_{DS(ON)_P} = R_DS(ON), to równanie 2 można uprościć do:

Całkowita moc drivera bramki podczas przełączania klucza jest iloczynem równania 1 i równania 3:

Z równania 4 można wywnioskować, że mniejsze RDS(ON) prowadzi do zmniejszenia porcji energii rozpraszanej na izolowanym sterowniku bramki. Jeżeli ma być zachowany wymagany czas narastania i opadania zbocza, należy zachować stałą RC ładowania i rozładowania bramki urządzenia mocy. Rezystancja w stałej RC jest szeregowym połączeniem wewnętrznego RDS(ON) i zewnętrznego szeregowego rezystora bramkowego. Innymi słowy, jeśli dwa konkurujące sterowniki są używane w aplikacji, aby mieć takie same prędkości narastania i opadania, sterownik z niższym RDS(ON) pozwala na większy zewnętrzny szeregowy rezystor bramki (suma rezystancji pozostaje taka sama), dzięki czemu mniejsza moc rozpraszana jest w samym układzie sterownika.

Analiza porównania

Aby zademonstrować, w jaki sposób definicje prądu szczytowego mogą się różnić w odmiennych produktach oraz aby pokazać zalety niższego RDS(ON) w obrębie izolowanego sterownika bramki, wybrano trzy izolowane sterowniki półmostkowe z prądem 4 A w kartach katalogowych. Wszystkie trzy drivery mają podobne odległości pełzania, prześwitu, podobny pinout i rozkład wyprowadzeń. Pozwoliło to na użycie takiego samego układu do testowania dla wszystkich trzech układów. Płyta ewaluacyjna ADuM4221 została użyta jako platforma testowa do porównania ADuM4221 i dwóch pozostałych elementów, które będą nazywane Konkurentem 1 i Konkurentem 2. Płytka ewaluacyjna pokazana jest na Rysunku 7.

Rysunek 7. Płyta ewaluacyjna układu ADuM4221

To co twierdzą dokumentacje każdego układu podsumowuje Tabela 1:

Tabela 1. Porównanie parametrów układów z dokumentacji 

Jeśli porównując ściśle wartości widoczne w dokumentacjach, wyglądałoby na to, że Konkurent 2 powinien zapewnić najsilniejsze sterowanie bramki, a zatem najkrótsze czasy narastania i opadania dla danego obciążenia. Aby uprościć analizę, do obciążenia zastosowano dyskretny kondensator ceramiczny, więc w przebiegach nie było obserwowane plateau Millera. Dodatkowo wykorzystano tylko jedno z dwóch wyjść sterownika. 

W pierwszym warunku testowym każdy sterownik był ładowany kondensatorem 100 nF przez zewnętrzny szeregowy rezystor bramkowy 0,5 Ω w konfiguracji pokazanej na rysunku 3. Sterowniki wykonały pojedyncze włączenie i wyłączenie, aby zredukować rozpraszanie mocy w sterowniku do minimum. Test ten dosyć dobrze naśladuje pomiar prądu szczytowego w czasie zwarcia. Wyniki przedstawiono na rysunku 8 i rysunku 9.

Rysunek 8. Test włączenia. 100 nF z 0.5 Ω R_EXT. (a) Napięcie vs. czas. (b) Prąd vs. czas.

Rysunek 9. Test wyłączenia. 100 nF z 0.5 Ω R_EXT. (a) Napięcie vs. czas. (b) Prąd vs. czas.

Rysunek 8 pokazuje, że istnieje duża różnica w prędkościach włączania różnych sterowników. Zaskakujące jest, że sterownik z najwyższym katalogowym prądem szczytowym ma najdłuższy czas narastania. Zaprezentowane powyżej przebiegi prądu pokazują, że wszystkie przetworniki dostarczają więcej niż obiecaną w karcie katalogowej wartość prądu, ale Konkurent 2 nie wytrzymuje tak wysokiego prądu. Całkowity czas narastania jest funkcją całki prądu. Patrząc na czasy opadania pokazane na rysunku 9, wszystkie trzy układy zachowywały się stosunkowo podobnie. Chociaż prądy szczytowe są podobne we wszystkich produktach, Konkurent 2 ma najniższe prądy podtrzymywane. Ogólnie rzecz biorąc, trzy części wypadły podobnie w teście wyłączania. Z tych testów wynika, że układ o najwyższej wartości szczytowej prądu w karcie katalogowej steruje bramką najsłabiej – czasy narastania i opadania były najdłuższe.