Diretrizes de projeto para uso de drivers de porta isolados

O guia de design de três partes explica como selecionar o driver de gate isolado apropriado para dispositivos de comutação de energia em aplicações de eletrônica de potência e compartilha experiência prática. Este artigo é a primeira parte, incluindo principalmente a introdução e o guia de seleção de drivers de gate isolados.

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Os drivers de gate isolados da ON Semiconductor são projetados para atender às restrições máximas de velocidade de comutação e tamanho do sistema exigidas por tecnologias como SiC (carboneto de silício) e GaN (nitreto de gálio) para fornecer controle confiável de MOSFETs. Muitos projetistas na indústria de eletrônica de potência têm ampla experiência trabalhando com MOSFETs de Si, MOSFETs de SiC e GaN e são usuários especialistas. Os fabricantes de sistemas estão cada vez mais interessados ​​em melhorar a eficiência energética de seus projetos. Para alcançar uma posição de liderança no mercado, a combinação de alta eficiência energética e baixo custo é crucial. Da perspectiva de materiais semicondutores, o campo fez um progresso significativo, e agora há produtos capazes de comutar em altas velocidades, aumentando assim a eficiência no nível do sistema e reduzindo o tamanho.

Drivers de porta isolados--O que são, por que são usados ​​e como funcionam?

Os MOSFETs de potência são dispositivos controlados por tensão usados ​​como elementos de comutação em circuitos de potência, acionamentos de motores e outros sistemas. O gate é o terminal de controle eletricamente isolado de cada dispositivo. Os outros terminais de um MOSFET são fonte e dreno.

Para operar um MOSFET, uma voltagem normalmente precisa ser aplicada ao gate (em oposição à fonte ou emissor). Um driver dedicado é usado para aplicar voltagem ao gate do dispositivo de energia e fornecer corrente de acionamento.

Os drivers de gate são usados ​​para ligar e desligar dispositivos de energia. Para fazer isso, o driver de gate carrega o gate do dispositivo de energia para a tensão de ativação final VGS(ON), ou o circuito do driver descarrega o gate para a tensão de desativação final VGS(OFF). Para converter entre os dois níveis de tensão do gate, alguma energia é dissipada no loop entre o driver do gate, o resistor do gate e o dispositivo de energia.

Hoje, conversores de alta frequência para aplicações de baixa e média potência utilizam principalmente dispositivos de controle de tensão de porta, como MOSFETs.

Para aplicações de alta potência, os melhores dispositivos atualmente em uso são MOSFETs de carboneto de silício (SiC), que exigem correntes de acionamento mais altas para ligar/desligar rapidamente esses interruptores de energia. Os gate drivers não são adequados apenas para MOSFETs, mas também para novos dispositivos na ampla lacuna de banda que apenas algumas pessoas conhecem atualmente, como FETs de carboneto de silício (SiC) e FETs de nitreto de gálio (GaN).

Um driver de porta é um amplificador de potência que aceita entrada de um circuito integrado controlador e gera uma alta corrente apropriada para acionar a porta de um dispositivo de comutação de energia.

A seguir está um breve resumo dos motivos para usar drivers de porta:

Impedância de acionamento do gate

A função do driver de gate é ligar e desligar rapidamente dispositivos de energia para reduzir perdas. Para evitar perdas de condução cruzada causadas pelo efeito Miller ou comutação lenta sob certas cargas, o driver deve estabelecer o estado desligado com uma impedância menor do que o estado ligado no transistor oposto. A margem negativa do driver de gate desempenha um papel importante na redução dessas perdas.

Indutância da fonte

Esta é a indutância compartilhada pelo loop de corrente do driver do gate e pelo loop de corrente de saída. A margem de tensão negativa do driver do gate combinada com a indutância do cabo da fonte tem um impacto direto na velocidade de comutação da saída sob carga, que é o efeito de degradação da fonte da indutância da fonte (a indutância do cabo da fonte acopla a corrente de comutação de saída de volta ao driver do gate, desacelerando assim o driver do gate).

O driver de porta aplica um sinal de tensão (VGS) entre a porta (G) e a fonte (S) do MOSFET de potência enquanto fornece um pulso de alta corrente, conforme mostrado na Figura 1.

·Habilitar carga/descarga rápida de CGS e CGD

· MOSFET de energia rápida liga/desliga

Figura 1. Caminho da corrente de acionamento do gate

Por que isolamento galvânico?

Aplicações de alta potência exigem isolamento galvânico para evitar que loops de aterramento perigosos sejam acionados, o que pode causar ruído, fazendo com que os aterramentos dos dois circuitos estejam em potenciais diferentes e, portanto, comprometam a segurança do sistema. As correntes em tais sistemas podem ser letais para humanos, portanto, o mais alto nível de segurança deve ser garantido. O isolamento elétrico ou galvânico se refere ao estado em que nenhuma corrente CC circula entre dois pontos em potenciais diferentes.

Mais precisamente, no estado de isolamento galvânico, é impossível mover portadores de um ponto para outro, mas a energia elétrica (ou sinais) ainda pode ser trocada por outros fenômenos físicos, como indução eletromagnética, acoplamento capacitivo ou luz. Essa condição é equivalente a uma resistência infinita entre os dois pontos; na prática, resistências de até cerca de 100 MΩ são suficientes. Se o dano for limitado aos componentes eletrônicos, o isolamento de segurança pode não ser necessário, mas se a atividade humana estiver envolvida no lado do controle, o isolamento galvânico é necessário entre o lado de alta potência e o circuito de controle de baixa tensão. Ele protege contra quaisquer falhas no lado de alta tensão, porque mesmo se houver dano ou falha de componentes, a barreira de isolamento impede que a energia chegue ao usuário. O isolamento é obrigatório por agências reguladoras e órgãos de certificação de segurança para evitar o risco de choque elétrico. Abaixo está um resumo dos motivos de uso e dos métodos de isolamento galvânico em muitas aplicações de energia.

·Prevenir e suportar com segurança surtos de alta tensão que danificam equipamentos ou colocam pessoas em perigo.

·Proteja controladores caros - sistemas inteligentes

·Tolerar grandes diferenças de potencial e loops de aterramento destrutivos em circuitos com alta energia ou longas separações

·Comunicar-se de forma confiável com componentes de alta tensão e alto desempenho

Soluções

Figura 2. Não isolado e isolado

Guia de seleção de driver de portão isolado

O seguinte explica como selecionar um driver de gate isolado. Por exemplo, para um sistema com uma tensão operacional mais baixa, o dispositivo de comutação pode ser conectado diretamente ao controlador, desde que a tensão de resistência do controlador esteja dentro da faixa permitida. No entanto, o driver de gate é um componente comum na maioria dos conversores de energia. Como o circuito de controle opera em baixa tensão, o controlador não pode fornecer energia suficiente para abrir ou fechar o interruptor de energia de forma rápida e segura. Portanto, o sinal do controlador é enviado ao driver de gate, que é capaz de suportar maior potência e pode acionar o gate do MOSFET conforme necessário. Em aplicações de alta potência ou alta tensão, os componentes no circuito são submetidos a grandes excursões de tensão e altas correntes. Se houver vazamento de corrente do MOSFET de energia para o circuito de controle, a alta tensão e a corrente no circuito de conversão de energia podem facilmente queimar o transistor, causando sérios danos ao circuito de controle. Além disso, as aplicações de alta potência devem ter isolamento galvânico entre a entrada e a saída para proteger os usuários e outros dispositivos.

Faixa de tensão do acionamento do portão

A tensão operacional do conversor depende das especificações do elemento de comutação (como Si MOSFET ou SiC MOSFET). Deve ser confirmado que a tensão de saída do conversor não exceda o valor máximo da tensão de gate do elemento de comutação.

A tensão positiva do driver de gate deve ser alta o suficiente para garantir que o gate esteja totalmente ligado. Também é necessário garantir que a tensão de acionamento não exceda a tensão máxima absoluta do gate. Si-MOSFETs normalmente usam uma tensão de acionamento de +12V, +15V é comumente usado para acionar SiC, e a tensão do gate para GaN é +5V. Uma tensão de gate 0-V pode manter todos os dispositivos no estado desligado. Em termos gerais, MOSFETs não requerem acionamento de gate de polarização negativa, que às vezes é usado para MOSFETs SiC e GaN. Em aplicações de comutação, é altamente recomendado usar acionamento de gate de polarização negativa para MOSFETs SiC e GaN porque a indutância parasita introduzida pelo layout de PCB não ideal durante a comutação alta di/dt e dv/dt pode causar zumbido na tensão de acionamento de gate-fonte do transistor de potência. A seguir estão as tensões de acionamento de gate aplicáveis ​​para cada dispositivo de comutação.

Capacidade de isolamento

Essa capacidade é determinada pela tensão operacional do sistema. A tensão operacional do sistema é diretamente proporcional à capacidade de isolamento. Um dos principais parâmetros de um driver de gate isolado é sua classificação de tensão de isolamento. A classificação de isolamento é projetada para evitar que transientes de tensão inesperados danifiquem outros circuitos conectados à fonte de alimentação, portanto, ter a classificação de isolamento correta é essencial para proteger o usuário de descargas de corrente potencialmente prejudiciais. Além disso, essa classificação protege os sinais dentro do conversor de serem perturbados por ruído ou transientes de tensão de modo comum inesperados. O valor de isolamento é geralmente expresso como a quantidade de tensão que a barreira de isolamento pode suportar. Na maioria das folhas de dados do driver de gate isolado, a tensão de isolamento é listada como parâmetros como tensão máxima de isolamento de pico repetitivo (VIORM), tensão de isolamento de trabalho (VIOWM), tensão máxima de isolamento transitório (VIOTM), tensão máxima de isolamento de surto (VIOSM) e tensão de isolamento RMS (VISO). Quanto maior a tensão operacional do sistema, maior a capacidade de isolamento do conversor necessária.

Os drivers de porta isolados da ON Semiconductor são testados em produção em um testador MPS (modelo MSPS-20).

Capacitância de isolamento

A capacitância de isolamento é a capacitância parasita entre os lados de entrada e saída do conversor. Da fórmula a seguir, podemos ver que a capacitância de isolamento é proporcional à corrente de fuga.

Entre eles: Ileak: corrente de fuga, fS: frequência de operação, CISO: capacitância de isolamento. VSYS: tensão de operação do sistema

A perda de potência é proporcional à corrente de fuga. Se o sistema precisa operar em alta frequência operacional e alta tensão, precisamos prestar mais atenção ao tamanho da capacitância de isolamento do conversor para evitar aumento excessivo de temperatura.

Imunidade transitória de modo comum (CMTI)

A imunidade transitória de modo comum (CMTI) é uma das principais características associadas a drivers de gate isolados, especialmente quando o sistema opera em altas frequências de comutação. Isso é importante porque transientes de alta taxa de variação (alta frequência) podem corromper a transmissão de dados através da barreira de isolamento. A capacitância através da barreira de isolamento (ou seja, entre os planos de aterramento de isolamento) fornece um caminho para esses transientes rápidos cruzarem a barreira de isolamento e corromperem a forma de onda de saída. A unidade desse parâmetro característico é geralmente kV/uS.

Se o CMTI não for alto o suficiente, ruído de alta potência pode se acoplar ao driver de gate isolado, criando um loop de corrente e fazendo com que a carga apareça no gate do switch. Essa carga, se grande o suficiente, pode fazer com que o driver de gate interprete mal esse ruído como um sinal de drive, e esse shoot-through pode causar falha séria no circuito.

Considerações sobre a capacidade atual da unidade

Quanto maior a corrente de porta que pode ser fornecida/absorvida em um curto período de tempo, menor será o tempo de comutação do driver de porta e menor será a perda de potência de comutação no transistor acionado.

As correntes de pico da fonte e do dreno (ISOURCE e ISINK) devem ser maiores que as correntes médias (IG, AV), conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3. Definição da capacidade de acionamento atual

Para cada classificação de corrente do driver, a carga máxima aproximada do gate QG que pode ser comutada no tempo mostrado pode ser calculada da seguinte forma: A classificação de corrente do driver necessária depende de quanta carga do gate QG deve ser movida em quanto tempo de comutação tSW−ON/OFF, já que a corrente média do gate durante a comutação é IG.

Onde tSW,ON/OFF representa quão rápido o MOSFET deve ser comutado. Se desconhecido, comece com 2% do período de comutação tSW.

As correntes de pico aproximadas da fonte e do dreno do driver de porta podem ser calculadas usando as seguintes fórmulas.

Em (fonte atual)

Quando desligado (corrente de afundamento)

Onde QG é a carga da porta em VGS=VCC, tSW, ON/OFF=tempo de ativação/desativação, 1.5=fator determinado empiricamente (afetado por atrasos no estágio de entrada do driver e componentes parasitas)

Considerações sobre resistores de porta

Ao dimensionar o resistor de gate, é importante considerar a redução da tensão de toque causada pela indutância e capacitância parasitas. No entanto, isso limitará a capacidade de corrente da saída do driver de gate. Os valores de capacidade de corrente limitada devido aos resistores de gate de ativação e desativação podem ser obtidos usando as seguintes fórmulas.

Entre eles: ISOOURCE: corrente de pico da fonte, ISINK: corrente de pico do dreno, VOH: queda de tensão de saída de alto nível, VOL: queda de tensão de saída de baixo nível

Drivers de porta isolados da ON Semiconductor

A ON Semiconductor oferece uma variedade de drivers de porta isolados baseados em transformadores sem núcleo acoplados magneticamente integrados, adequados para aplicações onde as velocidades de comutação são muito altas e existem restrições de tamanho do sistema, e podem controlar de forma confiável MOSFETs de Si e FETs de SiC.

Oferecemos produtos de isolamento funcional e reforçado certificados pela UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 e CQC GB 4943.1. Nossos drivers de portão isolados incluem produtos com certificação industrial e automotiva.

Esses drivers de porta isolados integram uma variedade de recursos para suportar altos níveis de CMTI, têm várias opções de UVLO e fornecem atrasos de propagação rápidos (incluindo pequenas incompatibilidades de atraso) e distorção mínima da largura de pulso.

Em particular, os próximos novos produtos da ON Semiconductor fornecerão um método simples para gerar polarização negativa no loop de acionamento do gate, adequado para acionar MOSFETs SiC. Essa polarização negativa é útil se o layout do PCB e/ou os cabos do pacote criarem alto toque no transistor de potência Vg. Esse toque de tensão do gate normalmente ocorre sob condições de comutação di/dt e dv/dt altas. Para manter o toque abaixo da tensão limite para evitar ativação espúria, uma polarização negativa é normalmente aplicada ao driver do gate. Diferentes opções estão disponíveis para gerar -2V, -3V, -4V e -5V para atender a todas as configurações. Os drivers de gate isolados da ON Semiconductor estão disponíveis em uma variedade de opções de pacote, incluindo pequenas variantes LGA e SOIC 8-pino a 16-pino.

Abaixo estão os principais recursos, especificações elétricas e certificações relacionadas à segurança da família de drivers de porta isolados da ON Semiconductor.

Tabela 1.

- Em desenvolvimento

- Opcional, disponível mediante solicitação

- Planejado

Ferramentas de suporte a driver de porta isolada

Todos os documentos relacionados a drivers de porta isolados galvânicos estão disponíveis na página inicial da ON Semiconductor, incluindo folhas de dados, ferramentas de design e desenvolvimento, modelos de simulação, notas de aplicação, documentação do conselho de avaliação, relatórios de conformidade, etc.

Os principais fatores relacionados incluem:

● NCP51560

● NCP51561 e NCV51561

● NCP51563 e NCV51563