Dobór sterowników do urządzeń mocy

A co z izolacją?

Układ strony wysokiej / niskiej wymaga dodania dwóch funkcji obwodów przedstawionych na ilustracji 4:

• Nieposiadające ustalonego potencjału (w stosunku do uziemienia) zasilanie strony wysokiej, zapewniające zasilanie dowolnych obwodów związanych z tym nieustalonym potencjałem punktu środkowego
• Zmieniacz poziomów przekazujący sygnał sterujący do nieposiadającego ustalonego potencjału obwodu sterownika

Ilustracja 4: Układ strony wysokiej / niskiej również wymaga nieposiadającego ustalonego potencjału zasilania po stronie wysokiej i zmieniacza poziomów dla sygnału sterującego. (Źródło ilustracji: Talema Group)

Sterownik górny (strony wysokiej) i urządzenie przełączające nieposiadające ustalonego potencjału względem masy, co prowadzi do kolejnego wymagania w wielu układach sterownika bramki/przełącznika mocy: konieczności zapewnienia izolacji galwanicznej (omowej) pomiędzy funkcją sterownika a sterowanym przełącznikiem.

Izolacja oznacza, że pomiędzy dwiema stronami bariery izolacyjnej nie ma drogi elektrycznej dla przepływu prądu, ale mimo to musi przejść przez nią informacja o sygnale. Izolację tę można osiągnąć za pomocą sprzęgaczy optycznych, transformatorów lub kondensatorów.

Izolacja elektryczna między różnymi obwodami funkcjonalnymi w systemie zapobiega bezpośredniej drodze przewodzenia między nimi, dzięki czemu poszczególne obwody mogą mieć różne potencjały uziemienia. Bariera musi wytrzymać pełne napięcie szyny (plus margines bezpieczeństwa), które może wynosić od dziesiątek do tysięcy woltów. Z założenia większość izolatorów z łatwością spełnia wymagania dotyczące wielu tysięcy woltów.

Podczas gdy sterowniki bramek strony wysokiej mogą wymagać izolacji, aby zapewnić prawidłowe działanie w zależności od konkretnej topologii, obwody sterujące bramek dla przemienników mocy i konwerterów często wymagają izolacji galwanicznej ze względów bezpieczeństwa niezwiązanych z ich stanem „uziemienia”. Izolacja jest wymagana przez organy regulacyjne i agencje zajmujące się certyfikacją bezpieczeństwa, aby zapobiegać ryzyku porażenia prądem elektrycznym poprzez zapewnienie, że wysokie napięcie faktycznie nie dotrze do użytkownika. Chroni ona również elektronikę niskiego napięcia przed uszkodzeniami wynikającymi z usterek w obwodzie wysokiego napięcia i błędów ludzkich po stronie sterowania.

Wiele konfiguracji urządzeń mocy wymaga izolowanego obwodu sterowania bramkami. Na przykład przełączniki strony wysokiej i niskiej występują w topologiach przetwornic mocy takich jak półmostkowa, pełnomostkowa, obniżająca, dwuprzełącznikowa przepływowa i ACF, ponieważ sterowniki niskiego napięcia nie mogą służyć do bezpośredniego sterowania górnym urządzeniem mocy.

Urządzenia mocy po stronie wysokiej wymagają izolowanego sterownika bramki i sygnałów nieposiadających ustalonego potencjału, ponieważ nie mają połączenia z potencjałem masy. Gdyby tak było, doszłoby do zwarcia w komplementarnym sterowniku i przełączniku mocy. W następstwie tego wymogu oraz dzięki postępowi technologicznemu dostępne są sterowniki bramek, które zapewniają również izolację, eliminując w ten sposób potrzebę stosowania oddzielnych urządzeń izolujących. To z kolei upraszcza układ wysokiego napięcia, a jednocześnie ułatwia spełnienie wymogów prawnych.

Dostrajanie relacji sterownik-urządzenie przełączające

Układy scalone sterowników bramek muszą obsługiwać wysokie prędkości przełączania tranzystorów SiC MOSFET, które mogą osiągać prędkości narastania 50kV/µs lub wyższe i mogą przełączać się z częstotliwością przekraczającą 100kHz. Urządzenia krzemowe (Si) sterowane są typowym napięciem 12V w celu włączenia i 0V w celu wyłączenia.

W przeciwieństwie do urządzeń krzemowych (Si), tranzystory SiC MOSFET zwykle potrzebują od +15 do +20V do włączenia i -5 do 0V do wyłączenia. Dlatego mogą one potrzebować układu scalonego sterownika z podwójnymi wejściami - jednym dla napięcia włączania i drugim dla napięcia wyłączania. Tranzystory SiC MOSFET wykazują niską rezystancję w stanie włączenia tylko wtedy, gdy są sterowane zalecanym napięciem bramka-źródło (Vgs) wynoszącym 18-20V, które jest znacznie wyższe od wartości Vgs potrzebnej do sterowania krzemowymi tranzystorami MOSFET lub tranzystorami IGBT, która wynosi od 10 do 15V.

Inna różnica między urządzeniami krzemowymi (Si) i węglikowo-krzemowymi (SiC) polega na tym, że ładunek regeneracyjny (Qrr) podłożowej diody gaszenia samoistnego urządzenia SiC jest dość niski. Wymagają one wysokoprądowego sterowania bramki, które szybko dostarcza pełny wymagany ładunek bramki (Qg).

Ustalenie właściwej relacji pomiędzy sterownikiem bramki a bramką urządzenia przełączającego ma znaczenie krytyczne. Istotnym działaniem jest tutaj określenie optymalnej wartości zewnętrznego rezystora bramki, oznaczonego jako RG,ext, pomiędzy sterownikiem a urządzeniem przełączającym (ilustracja 5). W urządzeniu mocy występuje również wewnętrzna rezystancja bramki, oznaczona jako RG,int, która jest połączona szeregowo z rezystorem zewnętrznym, ale użytkownik nie ma kontroli nad tą wartością, chociaż jest ona nadal ważna.

Ilustracja 5: Niezbędne jest określenie odpowiedniej wartości zewnętrznego rezystora bramki między sterownikiem a urządzeniem mocy, aby zoptymalizować parametry działania tak połączonego układu. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies AG)

Określenie wartości rezystora to czteroetapowy proces, który zwykle obejmuje iteracje, ponieważ niektóre aspekty parametrów działania pary urządzeń muszą zostać ocenione „na stanowisku badawczym” po analizie i modelowaniu. W skrócie ogólna procedura jest następująca:

Etap 1: określenie prądu szczytowego (Ig) w oparciu o wartości z arkusza danych i dobór odpowiedniego sterownika bramki.

Etap 2: obliczenie wartości zewnętrznego rezystora bramki (RG,ext) w oparciu o wahania napięcia bramki w danym zastosowaniu.

Etap 3: obliczenie spodziewanej mocy rozpraszanej (PD) układu scalonego sterownika bramki i zewnętrznego rezystora bramki.

Etap 4: weryfikacja obliczeń na stanowisku laboratoryjnym, w celu ustalenia, czy sterownik ma wystarczającą moc, aby wysterować tranzystor i czy moc rozpraszana mieści się w dozwolonych granicach:

1. Sprawdzenie, czy nie występują pasożytnicze zdarzenia powodujące włączenie wywołane przez stany nieustalone dv/dt w najbardziej niekorzystnych warunkach.
2. Pomiar temperatury układu scalonego sterownika bramki podczas pracy w stanie ustalonym.
3. Obliczenie mocy szczytowej rezystora i porównanie jej z wartością znamionową dla pojedynczego impulsu.

Pomiary te potwierdzą, czy założenia i obliczenia zapewnią bezpieczne zachowanie przełączania (brak oscylacji, właściwa synchronizacja) tranzystora SiC MOSFET. W przeciwnym razie projektant musi powtórzyć etapy od 1 do 4 ze zmodyfikowaną wartością zewnętrznego rezystora bramki.

Podobnie jak w przypadku prawie wszystkich decyzji technicznych, przy doborze wartości komponentu konieczne są kompromisy między wieloma czynnikami parametrów działania. Na przykład, jeśli występują oscylacje, zmiana wartości rezystora bramki może je wyeliminować. Zwiększanie jego wartości zmniejszy prędkość narastania dv/dt, ponieważ prędkość tranzystora spadnie. Niższa wartość rezystora doprowadzi do szybszego przełączania urządzenia opartego na węgliku krzemu (SiC), prowadząc do silniejszych stanów nieustalonych dv/dt.

Szerszy wpływ zwiększania lub zmniejszania wartości zewnętrznego rezystora bramki na krytyczne kwestie dotyczące wydajności sterownika bramki pokazano na ilustracji 6.

Ilustracja 6: Zwiększanie lub zmniejszanie wartości zewnętrznego rezystora bramki wpływa na wiele atrybutów działania, dlatego projektanci muszą oceniać kompromisy. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies AG)