Come pilotare MOSFET SiC e IGBT con precisione, efficienza e protezione

Con l'evoluzione dei sistemi di alimentazione per soddisfare le richieste dei veicoli elettrici (EV), dell'energia rinnovabile e dell'automazione industriale, diventa sempre più impegnativo per i progettisti bilanciare efficienza, prestazioni e sicurezza. Sebbene l'integrazione di componenti ad alta tensione come i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) e i transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) al carburo di silicio (SiC) sia un passo critico per raggiungere questo equilibrio, questi dispositivi richiedono gate driver in grado di fornire un controllo preciso, una commutazione rapida e robusti meccanismi di protezione.

Questo articolo esplora le sfide associate al pilotaggio dei moderni sistemi di alimentazione e pone l'accento sulle topologie a semiponte. Presenta quindi i gate driver e una scheda di valutazione di Infineon Technologies che possono aiutare a superare queste sfide.

Sfide progettuali per le moderne topologie a semiponte

I sistemi di alimentazione devono affrontare molteplici sfide da quando il settore si spinge verso alte frequenze di commutazione, tensioni elevate e l'adozione di semiconduttori ad ampio bandgap (WBG). Se da un lato questi progressi assicurano una maggiore efficienza, dall'altro applicano alti requisiti sui gate driver.

Consideriamo la topologia a semiponte, che è diventata standard in molte applicazioni, per illustrare l'aumento dei requisiti. I circuiti a semiponte sono essenziali nei caricabatterie c.c./c.c. a bordo degli EV e nei sistemi di azionamento dei motori. Consentono il flusso di potenza bidirezionale, fondamentale sia durante il normale funzionamento del motore (flusso diretto) sia durante la frenatura a recupero (flusso inverso). Il passaggio ad architetture a 800 V nelle piattaforme EV più recenti intensifica la necessità di meccanismi di isolamento e protezione affidabili, pur mantenendo la precisione di commutazione.

Per i sistemi di energia rinnovabile, i progetti a semiponte sono fondamentali per gli inverter trifase richiesti per l'integrazione in rete. Le alte frequenze di commutazione utilizzate con i MOSFET SiC e gli IGBT aumentano l'efficienza ma evidenziano i problemi di tensione di modo comune sugli interruttori high-side e low-side, generando significative interferenze elettromagnetiche (EMI) che possono compromettere le prestazioni del sistema e potenzialmente violare gli standard normativi.

Gli azionamenti per motori industriali devono affrontare ulteriori sfide, tra cui il mantenimento della tensione di bus c.c. bilanciata attraverso disposizioni con condensatori divisi. La tendenza verso progetti più compatti e a maggiore densità di potenza aumenta le difficoltà di gestione termica e le preoccupazioni legate al rumore elettrico.

In tutte queste applicazioni, i progettisti hanno bisogno di soluzioni con gate driver che offrano un controllo preciso, una rapida capacità di commutazione e caratteristiche di protezione complete, fornendo al contempo un robusto isolamento tra circuiti ad alta e bassa tensione.

Un gate driver a due canali concepito per IGBT e MOSFET

La serie EiceDRIVER 2ED314xMC12L di Infineon Technologies (Figura 1) affronta queste sfide con un progetto a due canali per controllare IGBT e MOSFET. Tutti i membri della serie offrono un funzionamento a canale indipendente con controllo del tempo di inattività (DTC) per consentire al dispositivo 2ED314xMC12L di funzionare come un driver low-side a due canali, un driver high-side a due canali o un gate driver a semiponte.

Figura 1: La serie 2ED314xMC12L offre un funzionamento a canali indipendenti con DTC, che consente al dispositivo di funzionare come driver low-side a due canali, driver high-side a due canali o gate driver a semiponte. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

In una configurazione a semiponte, l'architettura a due canali consente a un singolo gate driver in CI di controllare in modo efficiente gli interruttori high-side e quelli low-side. Questa integrazione semplifica il layout della scheda a circuiti stampati (scheda CS), riduce il numero di componenti e supporta le caratteristiche di temporizzazione accordata tra i canali, fondamentale per mantenere il DTC corretto e prevenire le condizioni di conduzione incrociata.

Un vantaggio chiave della serie 2ED314xMC12L è il suo isolamento galvanico grazie alla tecnologia del trasformatore senza nucleo. Questo approccio offre una rapida trasmissione del segnale con un'elevata immunità alle EMI, essenziale in ambienti ad elevato rumore elettrico come gli EV.

La capacità di isolamento è certificata secondo gli standard UL 1577 e fornisce 6,84 kV_RMS per 1 secondo e 5,7 kV_RMS per 1 minuto. Questo robusto livello di isolamento è fondamentale per proteggere dai transitori ad alta tensione in applicazioni come sistemi di energia rinnovabile, dove gli inverter collegati alla rete devono sopportare picchi di tensione a livello di utility.

Commutazione ad alta precisione e alta uscita

La serie 2ED314xMC12L risponde bene a diversi benchmark rilevanti, a partire dai suoi 6,5 A di corrente di picco in uscita. Questa uscita elevata è particolarmente vantaggiosa per i MOSFET SiC, che richiedono forti segnali di pilotaggio del gate per una commutazione efficiente.

Un'altra caratteristica chiave è un ritardo di propagazione di 39 ns, che consente un controllo preciso della temporizzazione. Si tratta di una considerazione importante per applicazioni come l'automazione industriale, dove la velocità del motore e il controllo della coppia dipendono dalla commutazione di alta precisione.

Un rigido skew parte-parte del ritardo di propagazione di 8 ns massimo significa che quando si utilizzano più driver in CI, come nell'azionamento di un motore trifase, le differenze di temporizzazione tra le parti saranno minime. Uno skew canale-canale del ritardo di propagazione ancora più rigido di 5 ns massimo aiuta a prevenire la conduzione incrociata tra gli interruttori per ogni semiponte.

Infine, un limite dell'immunità ai transitori di modo comune (CMTI) di oltre 200 kV/µs aiuta a prevenire falsi positivi dovuti a transitori di tensione. Ad esempio, nelle applicazioni di energia rinnovabile l'alta immunità ai transitori supporta un funzionamento stabile durante le fluttuazioni della rete e le improvvisi variazioni del flusso di potenza.

Caratteristiche di affidabilità per un funzionamento costante

La serie 2ED314xMC12L incorpora molteplici caratteristiche di protezione per garantire un funzionamento affidabile nelle applicazioni di alimentazione più esigenti. Ogni caratteristica risponde a problemi specifici di affidabilità che si presentano negli ambienti di commutazione ad alta tensione.

Le protezioni necessarie sono lo spegnimento attivo e il clamping di cortocircuito. Questi meccanismi proteggono dalla corrente di conduzione incrociata in configurazione a semiponte, dove i due interruttori di alimentazione sono impilati tra la tensione del bus c.c. Se entrambi gli interruttori venissero accesi contemporaneamente, il cortocircuito risultante potrebbe danneggiare i componenti o spegnere il sistema.

Un'altra caratteristica degna di nota è il blocco di sottotensione (UVLO), che crea una "banda morta" di isteresi in cui lo stato rimane stabile nonostante piccole fluttuazioni di tensione, impedendo l'oscillazione alla soglia. Nei sistemi a energia solare, ad esempio, l'UVLO garantisce un funzionamento costante in condizioni di parziale nuvolosità, evitando inutili interruzioni. Alcune varianti offrono l'UVLO tra 8,5 V e 9,3 V, mentre altre forniscono la protezione tra 12,5 V e 13,6 V.

Sono inoltre disponibili opzioni con un pin di abilitazione, che aggiunge un ulteriore livello di controllo in situazioni di arresto di emergenza. In queste varianti, ogni pin di ingresso digitale include un resistore pull-down, che assicura che se un pin viene dissaldato o scollegato, passa in uno stato sicuro con il canale disattivato. Questa caratteristica è particolarmente importante nelle applicazioni ad alta affidabilità, dove l'integrità del sistema deve essere mantenuta anche in caso di guasti imprevisti.

Le varianti con pin di disabilitazione sono disponibili per applicazioni che privilegiano un minor consumo di corrente e un controllo semplificato. Questi modelli consentono al gate driver di rimanere attivo, riducendo il consumo energetico in standby e semplificando la progettazione del sistema.

Esempi di opzioni disponibili sono il modello 2ED3140MC12L, che offre un UVLO con isteresi tra 8,5 V e 9,3 V e un pin di disabilitazione. Il modello 2ED3146MC12L, invece, prevede un UVLO tra 12,5 V e 13,6 V e un pin di abilitazione.

Confezionamento efficiente e affidabile

La serie è offerta in un contenitore PG-DSO-14-71 (Figura 2). Questo contenitore a montaggio superficiale misura 10,3 x 7,5 mm, un formato particolarmente compatto per un driver a due canali ad alta potenza. Nelle applicazioni EV, questo contenitore consente di risparmiare spazio prezioso per il gruppo propulsore.

Figura 2: La serie 2ED314xMC12L è offerta in un contenitore compatto PG-DSO-14-71. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Nonostante le dimensioni compatte, tutte le varianti offrono spazio sufficiente per il funzionamento sicuro: con distanza di isolamento superficiale e distanza di isolamento in aria di 8 mm da ingresso a uscita e 3,3 mm da canale a canale. Queste dimensioni soddisfano i requisiti di isolamento mantenendo il fattore di forma compatto necessario nei progetti con vincoli di spazio.

Muovere i primi passi con una scheda di valutazione

Per semplificare il collaudo e lo sviluppo, Infineon Technologies offre la scheda di valutazione EVAL-2ED3146MC12L (Figura 3). Questa scheda a semiponte è stata progettata per mostrare le funzionalità e le capacità del gate driver in CI isolato 2ED3146MC12L.

Figura 3: La scheda di valutazione EVAL-2ED3146MC12L fornisce una configurazione a semiponte per valutare il dispositivo 2ED3146MC12L. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Oltre al gate driver, la scheda di valutazione comprende due MOSFET Trench IMZA120R020M1HXKSA1 CoolSiC di Infineon Technologies, così come un driver trasformatore in CI 2EP130R di Infineon Technologies per l'alimentatore su scheda. Questi componenti sono idonei ai fini della valutazione e rappresentano scelte pratiche per progetti del mondo reale.

I MOSFET SiC hanno valori di tensione drain/source nominali di 1.200 V, ben entro la capacità del dispositivo 2ED314xMC12L per azionare dispositivi di alimentazione da 600 V a 2.300 V. I requisiti di tensione di pilotaggio del gate di questi MOSFET pari a 18 V sono facilmente soddisfatti dai 35 V di massima tensione assoluti di alimentazione di uscita di 2ED314xMC12L. La bassa resistenza nello stato On dei MOSFET di 19 MΩ a +25 °C riduce al minimo le perdite di conduzione.

Con una capacità di dissipazione di potenza massima di 375 W a +25 °C e un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -55 °C e +175 °C, questi MOSFET soddisfano i requisiti delle applicazioni elettroniche ad alte prestazioni. Il veloce ritardo di propagazione di 39 ns e l'alto CMTI di >200 kV/μs del gate driver assicurano una commutazione efficiente alle alte frequenze, mantenendo un funzionamento affidabile nell'intero intervallo di temperatura dei MOSFET.

Il driver trasformatore 2EP130R accompagna il gate driver con il suo ampio campo della frequenza di commutazione da 50 a 695 kHz, lavorando di concerto con il veloce ritardo di propagazione di 2ED3146MC12L. La regolazione del ciclo di lavoro ad alta precisione del driver trasformatore (dal 10% al 50%) si accoppia alle caratteristiche di temporizzazione precisa del gate driver, una combinazione cruciale per mantenere tempi di inattività ottimali in configurazioni a semiponte.

Conclusione

La serie EiceDRIVER 2ED314xMC12L di Infineon Technologies bilancia l'efficienza, le prestazioni e le caratteristiche di sicurezza necessarie per applicazioni ad alta tensione in EV, energia rinnovabile e automazione industriale. Il contenitore compatto PG-DSO-14-71 supporta progetti con vincoli di spazio, mentre la scheda di valutazione EVAL-2ED3146MC12L-SiC velocizza i test.