Hönnunarleiðbeiningar fyrir notkun einangraðra hliða rekla

Þriggja hluta hönnunarhandbókin útskýrir hvernig á að velja viðeigandi einangraða hliðardrif fyrir aflrofatæki í rafeindatækniforritum og miðlar hagnýtri reynslu. Þessi grein er fyrsti hlutinn, aðallega þar á meðal kynning og valleiðbeiningar um einangraða hliðarstjóra.

Heimilisfang þessarar greinar:

Einangraðir hliðarreklar ON Semiconductor eru hannaðir til að mæta hámarksrofihraða og kerfisstærðartakmörkunum sem tækni eins og SiC (kísilkarbíð) og GaN (gallíumnítríð) krefjast til að veita áreiðanlega stjórn á MOSFET. Margir hönnuðir í rafeindatækniiðnaðinum hafa mikla reynslu af því að vinna með Si MOSFET, SiC og GaN MOSFET og eru sérfróðir notendur. Kerfisframleiðendur hafa aukinn áhuga á að bæta orkunýtni hönnunar sinna. Til að ná leiðandi stöðu á markaðnum er samsetning mikillar orkunýtingar og lágs kostnaðar mikilvægur. Frá sjónarhóli hálfleiðaraefna hefur sviðið tekið miklum framförum og það eru nú til vörur sem geta skipt um á miklum hraða, og þar með aukið skilvirkni kerfisstigs en minnkar um leið.

Einangraðir hliðarbílstjórar--Hvað eru þau, hvers vegna eru þau notuð og hvernig virka þau?

Power MOSFETs eru spennustýrð tæki sem notuð eru sem skiptieiningar í rafrásum, mótordrifum og öðrum kerfum. Hliðið er rafeinangruð stjórnstöð hvers tækis. Aðrar útstöðvar MOSFET eru uppspretta og afrennsli.

Til þess að stjórna MOSFET þarf venjulega að setja spennu á hliðið (öfugt við uppsprettu eða sendanda). Sérstakur drifbúnaður er notaður til að setja spennu á hlið aflbúnaðarins og veita drifstraum.

Hliðarstjórar eru notaðir til að kveikja og slökkva á rafmagnstækjum. Til að gera þetta hleður hliðið ökumaður hlið aflbúnaðarins í lokakveikjuspennuna VGS(ON), eða ökumannsrásin tæmir hliðið í lokaslökkvunarspennuna VGS(OFF). Til að umbreyta á milli hliðarspennustiganna tveggja, dreifist eitthvað afl í lykkjuna á milli hliðardrifs, hliðsviðnáms og aflbúnaðar.

Í dag nota hátíðnibreytarar fyrir lág- og meðalafl forrit fyrst og fremst hliðarspennustjórnunartæki eins og MOSFET.

Fyrir aflmikil forrit eru bestu tækin sem eru í notkun kísilkarbíð (SiC) MOSFET, sem krefjast meiri drifstrauma til að kveikja/slökkva fljótt á þessum aflrofum. Hliðartæki henta ekki aðeins fyrir MOSFET heldur einnig fyrir ný tæki í því breiðu bandbili sem aðeins fáir vita eins og kísilkarbíð (SiC) FET og gallíumnítríð (GaN) FET.

Hlið drifkraftur er aflmagnari sem tekur við inntak frá stjórnandi IC og býr til viðeigandi hástraum til að knýja hlið aflrofabúnaðar.

Eftirfarandi er stutt samantekt á ástæðum þess að nota hliðarstjóra:

Viðnám hlið drifs

Hlutverk hliðarstjórans er að kveikja og slökkva fljótt á rafmagnstækjum til að draga úr tapi. Til að forðast víxlleiðnistap af völdum Miller-áhrifa eða hægur rofi við ákveðna álag verður ökumaðurinn að koma á slökkt ástandi með lægri viðnám en kveikt á gagnstæða smára. Neikvætt hliðarakstursframlegð gegnir mikilvægu hlutverki við að draga úr þessu tapi.

Uppspretta inductance

Þetta er inductance sem deilt er af hlið drifstraumslykkju og úttaksstraumlykkju. Neikvæð hliðardrifspennumörk ásamt uppsprettuleiðslunni hefur bein áhrif á rofahraða úttaksins undir álagi, sem er uppspretta niðurbrotsáhrif uppsprettusprautunnar (framleiðsla sprautunnar tengir úttaksrofstrauminn aftur við hliðadrifið, þar með hægja á hliðardrifinu).

Hliðarstjórinn setur spennumerki (VGS) á milli hliðs (G) og uppsprettu (S) afl MOSFET á meðan hann gefur háan straumpúls, eins og sýnt er á mynd 1.

· Virkja hraðhleðslu/losun CGS og CGD

· Hratt kveikt/slökkt MOSFET

Mynd 1. Hlið drif núverandi leið

Af hverju galvanísk einangrun?

Háaflforrit krefjast galvanískrar einangrunar til að koma í veg fyrir að hættulegar jarðlykkjur komist af stað, sem gæti valdið hávaða, sem veldur því að jarðtengingar rásanna tveggja eru á mismunandi styrkleika og þannig skerða öryggi kerfisins. Straumar í slíkum kerfum geta verið banvænir mönnum og því þarf að tryggja fyllsta öryggisstig. Rafmagns eða galvanísk einangrun vísar til ástandsins þar sem enginn DC straumur streymir á milli tveggja punkta á mismunandi straumum.

Nánar tiltekið, í galvanísku einangrunarástandinu, er ómögulegt að færa burðarefni frá einum stað til annars, en raforku (eða merki) er samt hægt að skiptast á í gegnum önnur eðlisfræðileg fyrirbæri eins og rafsegulinnleiðslu, rafrýmd tenging eða ljós. Þetta ástand jafngildir óendanlega mótstöðu milli punktanna tveggja; í reynd dugar viðnám allt að um 100 MΩ. Ef tjónið er takmörkuð við rafeindaíhlutina gæti öryggiseinangrun ekki verið nauðsynleg, en ef mannleg virkni er að ræða á stjórnhliðinni er galvanísk einangrun krafist á milli háaflhliðarinnar og lágspennustjórnrásarinnar. Það verndar gegn hvers kyns bilunum á háspennuhliðinni, því jafnvel þótt skemmdir eða bilun sé í íhlutum kemur einangrunarhindrun í veg fyrir að krafturinn nái til notandans. Einangrun er skylda eftirlitsstofnana og öryggisvottunarstofnana til að koma í veg fyrir hættu á raflosti. Hér að neðan er samantekt á ástæðum fyrir notkun og aðferðum við galvanískri einangrun í mörgum raforkunotkun.

· Koma í veg fyrir og standast á öruggan hátt háspennuspennu sem skemmir búnað eða stofnar mönnum í hættu.

·Vernda dýra stýringar - snjallkerfi

·Þola mikinn hugsanlega mun og eyðileggjandi jarðlykkjur í rafrásum með mikla orku eða langa aðskilnað

· Áreiðanlega samskipti við háhliða íhluti í háspennu afkastamikilli

Lausnir

Mynd 2. Óeinangruð og einangruð

Leiðbeiningar um val á einangruðu hliði

Eftirfarandi útskýrir hvernig á að velja einangraðan hliðarstjóra. Til dæmis, fyrir kerfi með lægri rekstrarspennu, er hægt að tengja skiptibúnaðinn beint við stjórnandann svo framarlega sem þolspenna stjórnandans er innan leyfilegra marka. Hins vegar er hliðardrifinn algengur hluti í flestum aflbreytum. Þar sem stjórnrásin starfar á lágri spennu getur stjórnandinn ekki veitt nægjanlegt afl til að opna eða loka aflrofanum hratt og örugglega. Þess vegna er merki stjórnandans sent til hliðarstjórans, sem þolir meiri kraft og getur keyrt hlið MOSFET eftir þörfum. Í háspennu- eða háspennuforritum verða íhlutir í hringrásinni fyrir miklum spennuhlaupum og miklum straumum. Ef straumur lekur frá afl MOSFET til stjórnrásarinnar getur háspennan og straumurinn í aflbreytingarrásinni auðveldlega brunnið út smára, sem veldur alvarlegu bilun á stjórnrásinni. Að auki verða aflforrit að vera með galvanískri einangrun milli inntaks og úttaks til að vernda notendur og önnur tæki.

Gate Drive spennusvið

Rekstrarspenna breytisins fer eftir forskriftum rofaeiningarinnar (eins og Si MOSFET eða SiC MOSFET). Staðfesta verður að úttaksspenna breytisins fari ekki yfir hámarksgildi hliðarspennu rofahlutans.

Jákvæð spenna hliðarstjórans ætti að vera nógu há til að tryggja að kveikt sé að fullu á hliðinu. Það er einnig nauðsynlegt að tryggja að drifspennan fari ekki yfir algera hámarks hliðarspennu. Si-MOSFETs nota venjulega drifspennu upp á +12V, +15V er almennt notað til að keyra SiC og hliðarspennan fyrir GaN er +5V. 0-V hliðarspenna getur haldið öllum tækjum í slökktu ástandi. Almennt séð þurfa MOSFET ekki neikvætt hliðardrif, sem er stundum notað fyrir SiC og GaN MOSFET. Í skiptaforritum er mjög mælt með því að nota neikvætt hliðardrif fyrir SiC og GaN MOSFET vegna þess að sníkjuframleiðsla sem er innleidd af óviðkomandi PCB skipulagi við mikla di/dt og dv/dt skiptingu getur valdið hringingu í hliðaruppsprettu drifspennu á krafttransistorinn. Eftirfarandi eru viðeigandi hliðardrifspennur fyrir hvert skiptibúnað.

Einangrunargeta

Þessi hæfileiki ræðst af rekstrarspennu kerfisins. Rekstrarspenna kerfisins er í réttu hlutfalli við einangrunargetuna. Ein af lykilstærðum einangraðs hliðarstjóra er einangrunarspennueinkunn hans. Einangrunareinkunnin er hönnuð til að koma í veg fyrir að óvæntar spennubreytingar skemmi aðrar rafrásir sem tengdar eru aflgjafanum, svo að hafa rétta einangrunareinkunn er lykillinn að því að vernda notandann gegn hugsanlega skaðlegum straumhleðslum. Að auki verndar þessi einkunn merki innan breytisins frá því að verða fyrir truflun af hávaða eða óvæntum samskiptaspennu. Einangrunargildið er venjulega gefið upp sem magn spennu sem einangrunarhindrun þolir. Í flestum gagnablöðum um einangruð hlið ökumanns er einangrunarspennan skráð sem færibreytur eins og hámarks endurtekin hámarkseinangrunarspenna (VIORM), vinnueinangrunarspenna (VIOWM), hámarks tímabundin einangrunarspenna (VIOTM), hámarks bylgjueinangrunarspenna (VIOSM) og RMS einangrunarspenna (VISO). Því hærri sem rekstrarspenna kerfisins er, því meiri einangrunargetu breytisins er krafist.

Einangraðir hliðarreklar ON Semiconductor eru framleiðsluprófaðir á MPS prófunartæki (tegund MSPS-20).

Einangrunarrýmd

Einangrunarrýmd er sníkjurýmd milli inntaks- og úttakshliðar breytisins. Af eftirfarandi formúlu getum við séð að einangrunarrýmd er í réttu hlutfalli við lekastrauminn.

Meðal þeirra: Leki: lekastraumur, fS: rekstrartíðni, CISO: einangrunarrýmd. VSYS: kerfisrekstrarspenna

Rafmagnstap er í réttu hlutfalli við lekastraum. Ef kerfið þarf að starfa við háa notkunartíðni og háspennu, þurfum við að huga betur að stærð einangrunarrýmdarinnar til að forðast of mikla hitahækkun.

Algengur háttur tímabundinn ónæmi (CMTI)

Common-mode transient immunity (CMTI) er eitt helsta einkenni sem tengist einangruðum hliðarstýrum, sérstaklega þegar kerfið starfar á háum skiptitíðni. Þetta er mikilvægt vegna þess að skammvinnir með háum hraða (há tíðni) geta spillt gagnaflutningi yfir einangrunarhindrunina. Rafmagnið yfir einangrunarhindrunina (þ.e. á milli einangrunarjarðplananna) veitir slóð fyrir þessa hröðu skammhlaupa til að fara yfir einangrunarhindrunina og skemma úttaksbylgjuformið. Eining þessarar einkennandi færibreytu er venjulega kV/uS.

Ef CMTI er ekki nógu hátt, getur hár aflhljóð tengt yfir einangraða hliðardrifinn, búið til straumlykkju og valdið því að hleðsla birtist við rofahliðið. Þessi hleðsla, ef hún er nógu stór, getur valdið því að hliðarstjórinn rangtúlkar þennan hávaða sem akstursmerki, og þessi gegnumgangur getur valdið alvarlegri hringrásarbilun.

Núverandi akstursgetu í huga

Því hærra sem hliðstraumurinn er sem hægt er að fá/sökkva á stuttum tíma, því styttri er skiptitími hliðadrifsins og því lægra er skiptarafltapið í drifnum smára.

Hámarksuppspretta og sökkstraumar (ISOURCE og ISINK) ættu að vera hærri en meðalstraumar (IG, AV), eins og sýnt er á mynd 3.

Mynd 3. Skilgreining á núverandi drifgetu

Fyrir hverja straumeinkunn ökumanns er hægt að reikna út áætlaða hámarkshleðslu QG sem hægt er að skipta á þeim tíma sem sýndur er á eftirfarandi hátt: Nauðsynleg straumeinkunn ökumanns fer eftir því hversu mikið hliðarhleðslu QG verður að færa á hversu miklum skiptitíma tSW−ON/ OFF, þar sem meðalhliðarstraumur við skiptingu er IG.

Þar sem tSW,ON/OFF táknar hversu hratt ætti að skipta um MOSFET. Ef óþekkt, byrjaðu á 2% af skiptitímabilinu tSW.

Hægt er að reikna út áætlaða hámarksuppsprettu og sökkstrauma hliðarstjóra með því að nota eftirfarandi formúlur.

Kveikt (uppspretta núverandi)

Þegar slökkt er á (sökkstraumur)

Þar sem QG er hliðarhleðslan við VGS=VCC, tSW, ON/OFF=kveikja/slökkva tíma, 1.5=reynsluákvörðuð þáttur (fyrir áhrifum af töfum í gegnum inntaksþrep ökumanns og sníkjudýrahlutar)

Hliðviðnámshugsanir

Þegar stærð hliðarviðnámsins er stærð er mikilvægt að íhuga að draga úr hringspennu sem stafar af sníkjuspennu og rafrýmd. Hins vegar mun það takmarka núverandi getu hliðarakstursúttaksins. Takmörkuð straumgetugildi vegna kveikju- og slökkvihliðsviðnáms er hægt að fá með því að nota eftirfarandi formúlur.

Þar á meðal: ISOOURCE: hámarksuppspretta straumur, ISINK: hámarks sökkstraumur, VOH: hátt úttaksspennufall, VOL: lágt útgangsspennufall

ON hálfleiðara einangruð hlið bílstjóri

ON Semiconductor býður upp á margs konar einangraða hliðarstýringa sem byggjast á samþættum segultengdum kjarnalausum spennum, hentugum fyrir forrit þar sem skiptihraði er mjög hár og kerfisstærðartakmarkanir eru fyrir hendi, og geta á áreiðanlegan hátt stjórnað Si MOSFET og SiC FET.

Við bjóðum upp á hagnýtar og styrktar einangrunarvörur sem eru vottaðar samkvæmt UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 og CQC GB 4943.1. Einangruðu hliðarstjórar okkar innihalda bæði iðnaðar- og bílavottaðar vörur.

Þessir einangruðu hliðarstýringar samþætta margvíslega eiginleika til að standast há CMTI stig, hafa marga UVLO valkosti og veita hraðar útbreiðslutafir (þar á meðal stutta seinkun misræmis) og lágmarks púlsbreiddar röskun.

Sérstaklega munu væntanlegar nýjar vörur ON Semiconductor veita einfalda aðferð til að búa til neikvæða hlutdrægni í hliðardrifslykkjunni, hentugur til að keyra SiC MOSFET. Þessi neikvæða hlutdrægni er gagnleg ef PCB útlitið og/eða pakkaleiðslan skapa mikla hringingu í aflstraumnum Vg. Þessi hliðarspennuhringur á sér stað venjulega við mikla di/dt og dv/dt rofskilyrði. Til að halda hringingunni fyrir neðan viðmiðunarspennu til að koma í veg fyrir falska kveikingu er neikvæð hlutdrægni venjulega beitt á hliðardrifinn. Mismunandi valkostir eru í boði til að búa til -2V, -3V, -4V og -5V til að henta öllum stillingum. Einangraðir hliðarreklar ON Semiconductor eru fáanlegir í ýmsum pakkavalkostum, þar á meðal litlum LGA og SOIC 8-pinna til 16-pinnaafbrigðum.

Hér að neðan eru lykileiginleikar, rafforskriftir og öryggistengdar vottanir ON hálfleiðara einangraða hliða ökumannsfjölskyldunnar.

Tafla 1.

- Í þróun

- Valfrjálst, fáanlegt sé þess óskað

- Skipulagður

Stuðningsverkfæri fyrir einangrað hlið ökumanns

Öll tengd skjöl fyrir galvanískt einangruð hliðarstýringar eru fáanleg á heimasíðu ON Semiconductor, þar á meðal gagnablöð, hönnunar- og þróunarverkfæri, hermilíkön, umsóknarskýrslur, skjöl matsborðs, samræmisskýrslur o.s.frv.

Helstu tengdir ökumenn eru:

● NCP51560

● NCP51561 og NCV51561

● NCP51563 og NCV51563