Prąd szczytowy izolowanych sterowników bramek tranzystorów

Wstęp

Jednym z często zadawanych pytań w rozważaniach jaki sterownik bramek użyć w aplikacji jest to, jaki prąd szczytowy może dostarczyć dany układ. Prąd szczytowy jest jednym z najważniejszych parametrów w karcie katalogowej sterowników. Wskaźnik ten jest ogólnie traktowany jako najważniejsza i ostateczna wartość siły sterowania bramki. Czas włączenia i wyłączenia tranzystora MOSFET lub IGBT zależy od prądu, który może dostarczyć sterownik, ale parametr ten nie opisuje precyzyjnie układu. Termin ‘prąd szczytowy’ jest tak szeroko rozpowszechniony w przemyśle, że znajduje się w wielu dokumentacjach sterowników bramek. Mimo to, jego definicja różni się w zależności od komponentu. W tym artykule omawiane są problemy związane z wykorzystywaniem prądu szczytowego jako decydującego czynnika przy wyborze sterownika bramki do odpowiedniej aplikacji oraz porównany zostanie przykładowy driver od Analog Devices z konkurencyjnymi popularnymi układami. Zbadano sterowniki ze zbliżonymi wartościami prądu szczytowego w dokumentacji i stało się to podstawą do dyskusji nad siłę sterowania bramki. 

Przykładowa aplikacja

Izolowane sterowniki bramek zapewniają przesunięcie poziomu, izolację i moc do sterowania bramką tranzystora, w celu kontroli urządzeń mocy. Izolowany charakter tych sterowników pozwala sterować urządzeniami po stronie dolnej i górnej szyny zasilania oraz pozwala zapewnić barierę bezpieczeństwa, jeżeli zostanie zastosowany odpowiedni układ. Przykładowa aplikacja przedstawiona jest na Rysunku 1. VDD1 i VDD2 mają odseparowane poziomy masy, a napięcia każdego z nich mogą być różne. Piny od 1 do 3 będą nazywane stroną pierwotną, a piny od 4 do 6 stroną wtórną w całym artykule. Izolacja zapewniana przez sterowniki bramek może z łatwością osiągać setki woltów, pozwalając na wyższe napięcie systemu zasilającego. 

Odpowiedni izolowany sterownik bramki musi być zdolny do odtworzenia czasów przełączania po stronie pierwotnej i sterować bramką urządzenia po stronie wtórnej dostatecznie szybko, aby czasy przejścia były akceptowalne. Szybsze przejścia mogą prowadzić do mniejszych strat przełączania, więc możliwość szybkiego przełączania jest często poszukiwaną cechą. Z reguły w ramach jednego typu technologii przełączania, im większą moc może obsłużyć urządzenie, tym większe stawiane są wymagania co do prądu sterownika bramki. 

Izolowane sterowniki bramek często znajdują zastosowanie w konfiguracjach półmostkowych, takich jak pokazana na Rysunku 2. Sterownik bramki po wysokiej stronie szyny zasilającej musi być w stanie przełączać się pomiędzy masą systemu a napięciem VBUS, a wszystko to przy jednoczesnym zapewnieniu potrzebnego do wysterowania bramki prądu, niezbędnego do sterowania układem mocy. 

Rysunek 1. Typowa aplikacja układu ADuM4120.

Rysunek 2. Typowa aplikacja półmostkowa.

Uwzględnienie obciążenia

Czas wymagany do naładowania i rozładowania bramki tranzystora MOSFET lub IGBT, określa prędkość przełączania urządzenia. W praktyce, zewnętrzny szeregowy rezystor jest dodawany w celu dostrojenia czasu narastania/opadania napięcia bramki i współdzielenia strat mocy ze sterownikiem bramki. Modelując urządzenie zasilające jako kondensator i sterownik bramki ze stopniem wyjściowym na tranzystorze MOSFET, rozładowujący się przez zewnętrzny szeregowy rezystor bramkowy, otrzymujemy obwód RC, co przedstawia Rysunek 3. Równanie szczytowego prądu źródła w tym uproszczonym modelu to: 

I_{PK_SRC} = V_DD/(R_{DS(ON)_P} + R_EXT),  

a prąd szczytowy drenu: 

I_{PK_SNK} = V_DD/(R_{DS(ON)_N} + R_EXT). 

Przy pomiarze prądu szczytowego rezystor REXT jest równy 0, ale w aplikacji występuje zewnętrzny rezystor szeregowy.

Rysunek 3. Uproszczony model RC ładowania i rozładowania bramki. 

Gdzie:

R_{DS(ON)_N} – rezystancja tranzystora NMOS sterownika bramki

R_{DS(ON)_P} - rezystancja tranzystora PMOS sterownika bramki

R_EXT – zewnętrzny szeregowy rezystor bramkowy

C_{GATE_EQUIV} – równoważna pojemność urządzenia mocy