Come scegliere e utilizzare i driver dei dispositivi di alimentazione

Ogni dispositivo di potenza di commutazione discreto ha bisogno di un driver, sia che si tratti di un transistor a effetto di campo al metallo-ossido (MOSFET), un MOSFET al carburo di silicio (SiC), un transistor bipolare a gate isolato (IGBT) o di un modulo. Il driver è il componente di interfaccia che fa da "ponte" tra l'uscita a bassa tensione e a bassa corrente del processore di sistema, che opera in uno scenario controllato e il mondo del dispositivo di commutazione, con i suoi severi requisiti di corrente, tensione e temporizzazione.

La scelta del driver appropriato per il dispositivo di commutazione è una sfida per i progettisti a causa delle idiosincrasie del dispositivo di alimentazione e delle inevitabili correnti parassite nel circuito e nel layout. Richiede un'attenta considerazione dei parametri del tipo di interruttore (silicio (Si) o carburo di silicio (SiC)) e dell'applicazione. I produttori di dispositivi di alimentazione spesso suggeriscono e addirittura offrono driver adatti, ma alcuni fattori relativi ai driver devono essere adattati alle specificità dell'applicazione.

Sebbene nella maggior parte dei casi sia possibile seguire una procedura logica di base, alcune impostazioni, come il valore della resistenza di pilotaggio del gate, sono determinate da un'analisi iterativa e devono essere verificate con prove e valutazioni pratiche. Questi passaggi possono infierire su un processo già complesso e rallentarlo senza una chiara via d'uscita.

Questo articolo illustra brevemente il ruolo dei gate driver. Fornisce quindi una guida alla selezione dei driver e ai passaggi necessari per garantire la compatibilità con il dispositivo di commutazione di potenza scelto. Per illustrare i punti chiave, presenta dispositivi esemplari a bassa e alta potenza di Infineon Technologies AG, insieme a schede e kit di valutazione associati.

Il ruolo del gate driver

In termini semplici, un gate driver è un amplificatore di potenza che accetta un ingresso a basso livello e a bassa potenza da un CI di controllo (di solito un processore) e produce il pilotaggio del gate ad alta corrente alla tensione necessaria per accendere e spegnere il dispositivo di alimentazione. Dietro questa semplice definizione si nasconde un mondo complesso di tensione, corrente, velocità di variazione, correnti parassite, transitori e protezione, oltre ad altri aspetti. Il driver deve soddisfare le esigenze del sistema e pilotare in modo pulito l'interruttore di alimentazione, senza sovraelongazione o sovraoscillazione, anche se le correnti parassite e i transitori diventano sempre più impegnativi con l'aumento della velocità di commutazione.

I driver possono essere utilizzati in varie configurazioni. Tra i più comuni vi sono il driver singolo low-side, il driver singolo high-side e il driver doppio high-side/low-side.

Nel primo caso, il dispositivo di alimentazione (interruttore) è collegato tra il carico e la massa, mentre il carico si trova tra il rail di alimentazione e l'interruttore (Figura 1). (Si noti che la massa dovrebbe essere più propriamente chiamata "comune", poiché non esiste una vera e propria messa a terra, ma si tratta invece di un punto del circuito comune che definisce il punto di 0 volt.)

Figura 1: Nella configurazione low-side, il driver e l'interruttore sono posizionati tra il carico e la massa/comune del circuito. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

Nella disposizione complementare high-side, l'interruttore è collegato direttamente alla linea di alimentazione, mentre il carico si trova tra l'interruttore e la massa/comune (Figura 2).

Figura 2: La configurazione high-side inverte la posizione dell'interruttore rispetto al carico e alla linea di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

Un'altra topologia molto utilizzata è l'accoppiamento high-side/low-side, usato per pilotare due interruttori collegati a ponte (Figura 3).

Figura 3: Nell'accoppiamento combinato high-side/low-side, due interruttori sono pilotati in modo alternato, con il carico interposto. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

E l'isolamento?

La disposizione high-side/low-side richiede l'aggiunta di due funzioni circuitali, mostrate nella Figura 4:

Figura 4: La disposizione high-side/low-side richiede anche un'alimentazione flottante per high-side e un traslatore di livello per il segnale di controllo. (Immagine per gentile concessione di Talema Group)

Il driver superiore (high-side) e il dispositivo di commutazione sono "flottanti" senza un riferimento di massa, il che comporta un altro requisito in molte configurazioni di gate driver/interruttore di alimentazione: la necessità di isolamento galvanico (ohmico) tra la funzione driver e l'interruttore pilotato.

Isolamento significa che non esiste un percorso elettrico per il flusso di corrente tra i due lati della barriera di isolamento, ma le informazioni di segnale devono comunque poter passare. Questo isolamento può essere realizzato con optoaccoppiatori, trasformatori o condensatori.

L'isolamento elettrico tra i vari circuiti funzionali di un sistema evita un percorso di conduzione diretto tra di essi, in questo mmodo i singoli circuiti possono avere potenziali di massa diversi. La barriera deve sopportare l'intera tensione del rail (più un margine di sicurezza), che può variare da decine a migliaia di volt. La maggior parte degli isolatori soddisfa facilmente il requisito di migliaia di volt.

Mentre i gate driver high-side possono richiedere l'isolamento per garantire il corretto funzionamento a seconda della topologia specifica, i circuiti a pilotaggio del gate per gli inverter e i convertitori di potenza spesso richiedono l'isolamento elettrico per motivi di sicurezza non legati al loro stato di "massa". L'isolamento è richiesto dagli enti normativi e di certificazione della sicurezza per prevenire il rischio di scosse elettriche, garantendo che un'alta tensione non possa letteralmente raggiungere l'utente. Inoltre, protegge l'elettronica a bassa tensione da eventuali danni dovuti a guasti sul circuito ad alta tensione e a errori umani sul lato di controllo.

Molte configurazioni di dispositivi di alimentazione richiedono un circuito di pilotaggio del gate isolato. Ad esempio, nelle topologie di convertitori di potenza semiponte, ponte intero, buck, diretto a due interruttori e diretto con clamping attivo sono presenti interruttori alti e bassi perché i driver low-side non possono essere utilizzati per pilotare direttamente il dispositivo di alimentazione superiore.

I dispositivi di alimentazione superiori richiedono un gate driver isolato e segnali "flottanti" perché non sono collegati al potenziale di massa; se lo facessero, manderebbero in cortocircuito il driver complementare e l'interruttore di alimentazione. A seguito di questa esigenza, e grazie ai progressi tecnologici, sono disponibili gate driver che incorporano anche l'isolamento, eliminando così la necessità di dispositivi di isolamento separati. Questo, a sua volta, semplifica il layout dell'alta tensione e soddisfa più facilmente i requisiti normativi.

Messa a punto del rapporto tra driver e dispositivo di commutazione

I CI di pilotaggio del gate devono supportare le elevate velocità di commutazione dei MOSFET SiC, che possono avere una velocità di variazione di 50 kV/µs o più e possono commutare a una velocità superiore a 100 kHz. I dispositivi Si sono pilotati con una tensione tipica di 12 V per accendersi e utilizzano 0 V per spegnersi.

A differenza dei dispositivi Si, i MOSFET SiC necessitano solitamente di +15 a +20 V per accendersi e di -5 a 0 V per spegnersi. Pertanto, potrebbe essere necessario un CI di pilotaggio con due ingressi, uno per la tensione di accensione e uno per quella di spegnimento. I MOSFET SiC presentano una bassa resistenza nello stato On solo quando sono pilotati da una tensione di gate-source (V_gs) raccomandata di 18-20 V, che è significativamente più alta del valore di V_gs di 10-15 V necessario per pilotare i MOSFET Si o gli IGBT.

Un'altra differenza tra Si e SiC è che la carica di recupero inverso (Q_rr) del body diode intrinseco "a ruota libera" del dispositivo SiC è piuttosto bassa. Questi richiedono un pilotaggio del gate ad alta corrente per fornire rapidamente l'intera carica di gate richiesta (Q_g).

È fondamentale stabilire un rapporto corretto tra il gate driver e il gate del dispositivo di commutazione. Un passo essenziale è la determinazione del valore ottimale della resistenza di gate esterna, indicato come R_G,ext, tra il driver e il dispositivo di commutazione (Figura 5). Esiste anche una resistenza di gate interna al dispositivo di alimentazione, denominata R_G,int, che è in serie con la resistenza esterna, ma l'utente non ha alcun controllo su questo valore, sebbene sia comunque importante.

Figura 5: È essenziale determinare il valore corretto della resistenza di gate esterna tra il driver e il dispositivo di alimentazione per ottimizzare le prestazioni della coppia. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

La determinazione di questo valore di resistenza avviene in quattro fasi e di solito comporta un'iterazione, poiché alcuni aspetti delle prestazioni della coppia devono essere valutati "al banco" dopo l'analisi e la modellazione. In breve, la procedura generale è la seguente:

Fase 1: determinare la corrente di picco (I_g) in base ai valori riportati nella scheda tecnica e selezionare un gate driver adatto.

Fase 2: calcolare il valore della resistenza di gate esterna (R_G,ext) in base allo swing di tensione del gate dell'applicazione.

Fase 3: calcolare la dissipazione di potenza prevista (P_D) del gate driver in CI e della resistenza di gate esterna.

Fase 4: convalidare i calcoli al banco per determinare se il driver è potente quanto basta a pilotare il transistor e se la dissipazione di potenza rientra nei limiti consentiti:

1. Verificare l'assenza di eventi di accensione parassiti innescati dai transitori dV/dt nelle condizioni peggiori.
2. Misurare la temperatura del gate driver in CI durante il funzionamento a regime.
3. Calcolare la potenza di picco del resistore e verificarla rispetto alla sua potenza nominale per singolo impulso.

Queste misurazioni confermeranno se le ipotesi e i calcoli portano a un comportamento di commutazione sicuro (zero oscillazione, temporizzazione corretta) del MOSFET SiC. In caso contrario, il progettista deve ripetere le fasi da 1 a 4 con un valore adeguato per la resistenza di gate esterna.

Come per quasi tutte le decisioni tecniche, anche nella scelta del valore di un componente esistono compromessi tra più fattori prestazionali. Ad esempio, se si verificano oscillazioni, la modifica del valore della resistenza di gate può eliminarle. Aumentando il suo valore si riduce la velocità di variazione di dV/dt, poiché la velocità del transistor rallenta. Un valore inferiore del resistore determina una commutazione più rapida del dispositivo SiC, con conseguenti transitori dV/dt più elevati.

Il maggior impatto dell'aumento o della diminuzione del valore della resistenza di gate esterna sulle considerazioni critiche relative alle prestazioni del gate driver è illustrato nella Figura 6.

Figura 6: L'aumento o la diminuzione del valore di resistenza di gate esterna ha un impatto su molti attributi prestazionali, quindi i progettisti devono soppesare i compromessi. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

Non è necessario scendere a compromessi

Sebbene scendere a compromessi faccia parte della progettazione di un sistema, i componenti giusti possono ridurre significativamente la necessità di farlo. Ad esempio, i gate driver in CI EiceDRIVER di Infineon offrono un'elevata efficienza energetica, immunità al rumore e robustezza. Inoltre, sono facili da usare grazie a funzioni come la protezione rapida dai cortocircuiti, il rilevamento e la protezione dai guasti di desaturazione (DESAT), il clamping di Miller attivo, il controllo della velocità di variazione, la protezione da conduzione incrociata, la protezione dai guasti, dallo spegnimento e da sovracorrente e la configurabilità digitale I²C.

I driver sono adatti sia per i dispositivi di alimentazione al silicio sia per quelli ad ampio bandgap. Si va dai driver low-side non isolati a bassa potenza e bassa tensione ai dispositivi isolati da kilovolt/kilowatt (kV/kW). Sono disponibili anche driver doppi e multicanale, che rappresentano una valida opzione in alcune situazioni.

Un gate low-side da 25 V

Scegliendo tra i dispositivi, 1ED44176N01FXUMA1 è un gate driver low-side da 25 V in un contenitore DS-O8 (Figura 7). Questo driver per MOSFET di potenza e IGBT a bassa tensione con gate non invertente è dotato delle tecnologie CMOS proprietarie immuni al latch-up che portano alla sua costruzione monolitica robusta. L'ingresso logico è compatibile con le uscite CMOS o LSTTL standard da 3,3, 5 e 15 V e comprende ingressi con trigger di Schmitt per ridurre al minimo i falsi interventi del segnale, mentre il driver di uscita è dotato di uno stadio a buffer di corrente. Può pilotare dispositivi da 50 A/650 V fino a 50 kHz ed è adatto a elettrodomestici e infrastrutture alimentati da linea c.a., come le pompe di calore.

Figura 7: 1ED44176N01FXUMA1 è un gate driver miniaturizzato in un contenitore DS-08 per applicazioni a bassa tensione/potenza, dotato di tecnologie CMOS proprietarie immuni al latch-up. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

Tra le specifiche principali di 1ED44176N01FXUMA1 si sottolinea una corrente pulsata di cortocircuito di uscita tipica (impulso <10 µsec) di 0,8 A a 0 V, mentre la corrente pulsata di cortocircuito di uscita è di 1,75 A a 15 V. Le specifiche dinamiche critiche includono un tempo di accensione e spegnimento di 50 ns (tipico)/95 ns (massimo), mentre il tempo di salita dell'accensione è di 50/80 ns (tipico/massimo) e il tempo di discesa dello spegnimento è di 25/35 ns (tipico/massimo).

Il collegamento di 1ED44176N01F è relativamente semplice, con un pin per il rilevamento della protezione dalle sovracorrenti (OCP) e un'uscita di stato FAULT (Figura 8). È presente anche un pin dedicato alla programmazione del tempo di cancellazione dei guasti. Il pin EN/FLT deve essere in alto per garantire il normale funzionamento, mentre se è in basso si disabilita il driver. Il circuito interno sul pin V_CC fornisce la protezione da blocco di sottotensione che mantiene l'uscita bassa finché la tensione di alimentazione V_CC non rientra nell'intervallo operativo richiesto. Le masse logiche e di alimentazione separate migliorano l'immunità al rumore.

Figura 8: Con soli otto pin, il gate driver 1ED44176N01F è relativamente facile da collegare al processore e al dispositivo di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

Sebbene il collegamento sia relativamente semplice, gli utenti di questo gate driver e del dispositivo di alimentazione associato possono trarre vantaggio dalla scheda di valutazione EVAL1ED44176N01FTOBO1 (Figura 9). Con questa scheda, i progettisti possono selezionare e valutare il resistore di shunt a rilevamento di corrente (R_CS), il filtro resistore-condensatore (RC) per la protezione da OCP e da cortocircuiti e il condensatore per il tempo di compensazione dei guasti.

Figura 9: La scheda di valutazione EVAL1ED44176N01FTOBO1 consente ai progettisti di impostare e misurare i punti operativi chiave del gate driver con un dispositivo di commutazione associato. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

Gate driver per MOSFET SiC ad alta tensione

A un livello di tensione molto più elevato rispetto al gate driver per elettrodomestici in linea c.a. e ai relativi dispositivi di alimentazione, si trova il modello 1EDI3031ASXUMA1, un gate driver MOSFET SiC isolato a canale singolo da 12 A, con una tensione nominale di 5700 V_RMS (Figura 10). Questo driver è un dispositivo ad alta tensione progettato per azionamenti di motori automotive con potenza superiore a 5 kW, che supporta MOSFET SiC da 400, 600 e 1200 V.

Figura 10: EDI3031AS è un gate MOSFET SiC isolato a canale singolo da 12 A, progettato per azionamenti di motori automotive di potenza superiore a 5 kW. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

Il dispositivo utilizza la tecnologia del trasformatore senza nucleo (CT) di Infineon per l'isolamento galvanico (Figura 11).

Figura 11: Per garantire l'isolamento galvanico viene utilizzato un trasformatore senza nucleo proprietario, illustrato (a sinistra) e costruito (a destra). (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

Questa tecnologia offre diverse caratteristiche. Consente ampi swing di tensione di ±2300 V o più, offre immunità ai transitori negativi e positivi e presenta basse perdite di potenza. Inoltre, è dotato di un trasferimento del segnale estremamente robusto, indipendente dal rumore di modo comune e supporta l'immunità ai transitori di modo comune (CMTI) fino a 300 V/ns. Inoltre, la stretta corrispondenza del ritardo di propagazione offre tolleranza e robustezza senza variazioni dovute all'invecchiamento, alla corrente e alla temperatura.

Il driver 1EDI3031ASXUMA1 supporta MOSFET SiC fino a 1200 V, con uscita rail-to-rail con corrente di picco di 12 A e un ritardo di propagazione tipico di 60 ns. Ha un CMTI fino a 150 V/ns a 1000 V e il clamping di Miller attivo integrato da 10 A supporta la commutazione unipolare.

Questo particolare driver si rivolge agli inverter di trazione per veicoli elettrici (EV), EV ibridi (HEV) e inverter ausiliari per entrambi. Per questo motivo, ha integrato diverse caratteristiche di sicurezza per supportare i limiti di impiego di classe ASIL B(D), nonché la convalida del prodotto secondo AEC-Q100. Queste caratteristiche includono DESAT e OCP ridondanti, monitoraggio del gate e dello stadio di uscita, protezione da shoot-through, monitoraggio dell'alimentazione primaria e secondaria e supervisione interna. L'isolamento di base a 8 kV è conforme alla norma VDE V 0884-11:2017-01 e gode del riconoscimento UL 1577.

Per il suo livello di potenza e per soddisfare i requisiti del settore automotive, il driver 1EDI3031ASXUMA1 è molto più di un dispositivo potente ma "muto". Oltre a tutte le sue caratteristiche di sicurezza, implementa uno schema di stato per garantire il corretto funzionamento (Figura 12). Le sue caratteristiche diagnostiche "intrusive" gli consentono di entrare in uno "stato di sicurezza" in caso di guasto del sistema.

Figura 12: La sofisticatezza e l'autocontrollo dell'integrità del gate driver 1EDI3031ASXUMA1 sono chiaramente illustrati dello schema di stato delle sue modalità operative. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

I progettisti che lavorano con 1EDI3031ASXUMA1 possono iniziare rapidamente con la scheda di valutazione 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 per la famiglia di gate driver EDI302xAS/1EDI303xAS (Figura 13).

Figura 13: La scheda di valutazione 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 per la famiglia di gate driver EDI302xAS/1EDI303xAS consente ai progettisti di valutare questo driver ad alta potenza con un dispositivo di alimentazione associato. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

Questa versatile piattaforma di valutazione è caratterizzata da una configurazione a semiponte illustrata nella Figura 14. Consente il montaggio del modulo IGBT DSC HybridPACK o di un dispositivo di alimentazione discreto PG-TO247-3.

Figura 14: La scheda di valutazione 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 implementa una disposizione isolata a semiponte e può essere utilizzata con moduli o dispositivi discreti. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies AG)

La scheda tecnica comprende lo schema, la distinta base, i dettagli su come e dove collegare le varie connessioni, i dettagli di configurazione, le sequenze di funzionamento e la legenda degli indicatori a LED, oltre a molte altre informazioni.

Conclusione

I gate driver sono l'interfaccia critica tra l'uscita di un processore digitale di basso livello a bassa potenza e i requisiti di alta potenza e alta corrente del gate di un dispositivo di alimentazione come un MOSFET Si o SiC. Il corretto abbinamento del driver alle caratteristiche e ai requisiti del dispositivo di alimentazione è fondamentale per un circuito di commutazione affidabile e di successo in sistemi di potenza quali inverter, azionamenti per motori e controller di illuminazione. Come si evince, un'ampia gamma di driver, basata su diverse tecnologie avanzate e proprietarie e supportata da schede e kit di valutazione, aiuta i progettisti a garantire un abbinamento ottimale.

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