Massimizzare l'efficienza del controllo dei dispositivi di alimentazione con il giusto convertitore di potenza gate driver

Dagli alimentatori ai comandi motore, dalle stazioni di ricarica a una miriade di altre applicazioni, i semiconduttori di potenza a commutazione, come i MOSFET al silicio (Si), al carburo di silicio (SiC) e al nitruro di gallio (GaN) e i transistor bipolari a gate isolato (IGBT), sono essenziali per progettare sistemi di alimentazione efficienti. Tuttavia, per ricavare le massime prestazioni dal dispositivo di alimentazione, è necessario un gate driver appropriato.

Come indica il nome, il ruolo di questo componente consiste nel pilotare il gate del dispositivo di alimentazione e quindi di attivarlo o disattivarlo dalla modalità di conduzione in modo veloce e preciso. A tal fine è necessario che il driver sia in grado di fornire una corrente sufficiente nonostante la capacità interna del dispositivo e di quella parassita, l'induttanza e altri problemi sul carico (gate). Di conseguenza, per sfruttare appieno il potenziale e l'efficienza del dispositivo di alimentazione, è fondamentale che il gate driver sia correttamente dimensionato e dotato degli attributi chiave adeguati. Tuttavia, per ottenere il massimo dal gate driver, il progettista deve prestare particolare attenzione all'alimentazione c.c. del driver, che è indipendente dalla linea c.c. del dispositivo di alimentazione. Questa alimentazione è simile a quella convenzionale, ma con alcune importanti differenze. Può trattarsi di un'alimentazione unipolare, ma in molti casi si tratta di un'alimentazione bipolare non simmetrica, oltre ad altre differenze funzionali e strutturali. I progettisti devono inoltre prestare attenzione al fattore di forma in termini di ingombro sulla scheda e di requisiti di profilo ribassato, nonché alla compatibilità con i processi di assemblaggio e produzione previsti per il progetto.

Questo articolo si concentra sugli alimentatori per gate driver, utilizzando come esempio gli alimentatori c.c./c.c. SMD (montaggio superficiale) serie MGJ2 di Murata Power Solutions, ossia convertitori c.c./c.c. di pilotaggio del gate da 2 W.

Partiamo dai dispositivi di commutazione

La comprensione del ruolo e degli attributi desiderati del convertitore c.c./c.c. con gate driver inizia con i dispositivi di commutazione. Per un MOSFET come dispositivo di commutazione, viene utilizzato il percorso gate-source per controllare lo stato di spegnimento o accensione del dispositivo (gli IGBT sono simili). Quando la tensione gate-source è inferiore alla tensione di soglia (V_GS < V_TH), il MOSFET si trova nella regione soglia, la corrente di drain non fluisce, I_D = 0 A e il MOSFET appare come un "interruttore aperto" (Figura 1).

Figura 1: In modalità di soglia, il percorso drain-source del MOSFET si presenta come un interruttore aperto. (Immagine per gentile concessione di Quora)

Invece, quando la tensione gate-source è molto maggiore della tensione di soglia (V_GS > V_TH), il MOSFET si trova nella sua regione di saturazione, la corrente di drain fluisce al massimo (I_D = V_DD /R_L) e il MOSFET appare come un "interruttore chiuso" a bassa resistenza (Figura 2). Per un MOSFET ideale, la tensione drain-source sarebbe pari a zero (V_DS = 0 V), ma in pratica V_DS si aggira solitamente intorno a 0,2 V a causa della resistenza nello stato On interna RDSon, che è tipicamente inferiore a 0,1 Ω e può essere anche di poche decine di milliohm.

Figura 2: In modalità di saturazione, il percorso drain-source del MOSFET si presenta come un interruttore a bassa resistenza. (Immagine per gentile concessione di Quora)

Sebbene i diagrammi schematici facciano pensare che la tensione applicata al gate accenda e spenga il MOSFET, questo non è tutto. Questa tensione spinge la corrente nel MOSFET fino a quando la carica accumulata è sufficiente per accenderlo. A seconda delle dimensioni (corrente nominale) e del tipo di comando di commutazione, la quantità di corrente necessaria per passare rapidamente allo stato completamente acceso può variare da pochi milliampere a diversi ampere.

La funzione del gate driver è quella di erogare una corrente sufficiente al gate in modo veloce e preciso per accendere il MOSFET e di sottrarre tale corrente in modo inverso per spegnere il MOSFET. Più formalmente, il gate deve essere pilotato da una sorgente a bassa impedenza in grado di assorbire ed erogare una corrente sufficiente a garantire il rapido inserimento ed estrazione della carica di controllo.

Se il gate del MOSFET assomigliasse a un carico puramente resistivo, l'erogazione e l'assorbimento di questa corrente sarebbero relativamente semplici. Tuttavia, un MOSFET presenta elementi parassiti interni di tipo capacitivo e induttivo, oltre a quelli derivanti dalle interconnessioni tra il driver e il dispositivo di alimentazione (Figura 3).

Figura 3: Questo modello di MOSFET mostra la capacità e l'induttanza parassite che influiscono sulle prestazioni del driver. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il risultato è la sovraoscillazione del segnale di pilotaggio del gate intorno alla tensione di soglia, che provoca l'accensione e lo spegnimento del dispositivo una o più volte nella sua traiettoria verso l'accensione o lo spegnimento completo; ciò è in qualche modo analogo al "rimbalzo" di un interruttore meccanico (Figura 4).

Figura 4: La sovraoscillazione dell'uscita del driver dovuta alle correnti parassite nel carico del MOSFET può causare anche falsi positivi, simili al rimbalzo di un interruttore meccanico. (Immagine per gentile concessione di Learn About Electronics)

Le conseguenze vanno da quelle inosservate o semplicemente fastidiose in un'applicazione casuale, come l'accensione o lo spegnimento di una luce, fino ai probabili danni nei circuiti di commutazione rapida a modulazione della larghezza di impulso (PWM) ampiamente utilizzati negli alimentatori, nei comandi di motori e in sottosistemi simili. Può causare cortocircuiti e persino danni permanenti nelle topologie standard a semiponte e a ponte intero, in cui il carico è posto tra una coppia di MOSFET superiore e inferiore, se entrambi i MOSFET sullo stesso lato del ponte vengono accesi simultaneamente anche solo per un istante. Questo fenomeno è noto come "shoot-through" ovvero conduzione incrociata (Figura 5).

Figura 5: A differenza della normale accensione dei MOSFET da parte di Q1 e Q4 (a sinistra) o Q2 e Q3 (a destra), se Q1 e Q2 o Q3 e Q4 del ponte vengono accesi simultaneamente a causa di problemi del driver o per altri motivi, si verificherà una condizione di cortocircuito inaccettabile e possibilmente dannosa, chiamata conduzione incrociata, tra la linea di alimentazione e la massa. (Immagine per gentile concessione di Quora)

Dettagli del pilotaggio del gate

Per pilotare la corrente nel gate, la tensione del rail positivo deve essere sufficientemente alta da garantire la piena saturazione/potenziamento dell'interruttore di potenza, ma senza superare la tensione massima assoluta del gate. Sebbene questo valore di tensione dipenda dal tipo e dal modello di dispositivo specifico, gli IGBT e i MOSFET standard saranno generalmente completamente accesi con un'alimentazione di 15 V, mentre i MOSFET SiC tipici possono richiedere più di 20 V per uno stato di accensione completo.

La situazione della tensione negativa di pilotaggio del gate è un po' più complicata. In linea di principio, per lo stato di blocco (off), 0 V sul gate sono sufficienti. Tuttavia, una tensione negativa, tipicamente compresa tra -5 e -10 V, consente una commutazione rapida controllata da un resistore di gate. Un appropriato pilotaggio negativo assicura che la tensione di spegnimento del gate-emettitore sia sempre pari o inferiore a zero.

Questo aspetto è critico perché qualsiasi induttanza dell'emettitore (L) (al punto 'x' nella Figura 6) tra un interruttore e il riferimento del driver, provoca una tensione opposta gate-emettitore quando l'interruttore si spegne. Anche se l'induttanza può essere minima, anche un'induttanza molto piccola di 5 nH (pochi millimetri di connessione cablata) produrrà 5 V a una velocità di rotazione di 1000 A/μs.

Figura 6: Anche una piccola induttanza dell'emettitore nel punto "x" tra un interruttore e il riferimento del driver, dovuta a considerazioni di layout, può indurre una tensione opposta gate-emettitore quando l'interruttore si sta spegnendo, causando un "jitter" di accensione/spegnimento. (Immagine per gentile concessione di Murata Power Solutions)

Una tensione negativa di pilotaggio del gate aiuta anche a superare il risultato della capacità a effetto di Miller dal collettore/drain al gate C_m, che inietta corrente nel circuito di pilotaggio del gate durante lo spegnimento del dispositivo. Quando il dispositivo viene spento, la tensione collettore-gate aumenta e una corrente di valore C_m × dV_ce/dt fluisce attraverso la capacità di Miller, nella capacità gate-emettitore/source C_ge e attraverso il resistore di gate al circuito di pilotaggio. La tensione V_ge risultante sul gate può essere sufficiente a riaccendere il dispositivo, causando una possibile conduzione incrociata e danni (Figura 7).

Figura 7: L'utilizzo di una tensione negativa di pilotaggio del gate può ovviare alle carenze dovute alla presenza della capacità a effetto di Miller all'interno di un MOSFET o di un IGBT. (Immagine per gentile concessione di Murata Power Solutions)

Tuttavia, pilotando il gate in negativo, questo effetto viene ridotto al minimo. Per questo motivo, un progetto di driver efficace richiede rail di tensione sia positivi che negativi per la funzione di pilotaggio del gate. Tuttavia, a differenza della maggior parte dei convertitori c.c./c.c. bipolari che hanno uscite simmetriche (come +5 V e -5 V), i rail di alimentazione per il gate driver sono solitamente asimmetrici, con una tensione positiva maggiore di quella negativa.

Dimensionamento della potenza nominale del convertitore

Un fattore critico è la corrente che il convertitore gate driver deve fornire e quindi la sua potenza nominale. Il calcolo di base è abbastanza semplice. In ogni ciclo di commutazione, il gate deve essere caricato e scaricato attraverso il resistore di gate R_g. La scheda tecnica del dispositivo fornisce una curva per il valore di carica del gate Q_g, dove Q_g è la quantità di carica che deve essere iniettata nell'elettrodo del gate per accendere (pilotare) il MOSFET a determinate tensioni di gate. La potenza che deve essere fornita dal convertitore c.c./c.c. si ricava con la formula:

Dove Q_g è la carica del gate per uno swing di tensione del gate prescelto (da positivo a negativo), di valore V_s e alla frequenza F. Questa potenza è dissipata nella resistenza di gate interna (R_int) del dispositivo e nella resistenza in serie esterna, R_g. La maggior parte dei gate driver necessita di un'alimentazione inferiore a uno o due watt.

Un'altra considerazione è la corrente di picco (I_pk) necessaria per caricare e scaricare il gate. È una funzione di V_s, R_int e R_g. Viene calcolata tramite la formula:

In molti casi, questa corrente di picco è superiore a quella che può fornire il convertitore c.c./c.c. Piuttosto che ricorrere a un'alimentazione più grande e costosa (che funziona a un ciclo di lavoro basso), la maggior parte dei progetti fornisce la corrente utilizzando condensatori a effetto di massa sui rail di alimentazione del driver, che vengono caricati dal convertitore durante le porzioni del ciclo a bassa corrente.

I calcoli di base determinano le dimensioni di questi condensatori a effetto di massa. Tuttavia, è anche importante che abbiano una bassa resistenza equivalente in serie (ESR) e una bassa induttanza (ESL), in modo da non ostacolare la corrente transitoria che erogano.

Altre considerazioni sul convertitore gate driver

I convertitori c.c./c.c. con gate driver presentano altri problemi particolari. Tra questi si ricordano:

• Regolazione: il carico del convertitore c.c./c.c. è prossimo allo zero quando il dispositivo non commuta. Tuttavia, la maggior parte dei convertitori convenzionali ha bisogno di un carico minimo in ogni momento; in caso contrario, la tensione di uscita può aumentare drasticamente, fino al livello di cedimento del gate.

L'alta tensione viene immagazzinata nei condensatori a effetto di massa e, quando il dispositivo inizia a commutare, potrebbe registrare una sovratensione del gate fino a quando il livello del convertitore non scende sotto carico normale. È quindi opportuno utilizzare un convertitore c.c./c.c. con tensioni di uscita bloccate o con requisiti di carico minimo molto bassi.

• Avvio e spegnimento: è importante che gli IGBT e i MOSFET non vengano pilotati attivamente dai segnali di controllo PWM finché i rail di tensione del circuito di pilotaggio non raggiungono i valori previsti. Tuttavia, quando i convertitori di pilotaggio del gate vengono alimentati o spenti, può verificarsi una condizione transitoria in cui i dispositivi possono essere azionati anche con il segnale PWM inattivo, causando la conduzione incrociata e danni. Pertanto, le uscite del convertitore c.c./c.c. devono avere un comportamento corretto all'accensione e allo spegnimento, con un aumento e una diminuzione monotonici (Figura 8).

Figura 8: È fondamentale che le uscite del convertitore c.c./c.c. si comportino bene durante le sequenze di accensione e spegnimento e non presentino transitori di tensione. (Immagine per gentile concessione di Murata Power Solutions)

• Capacità di isolamento e di accoppiamento: ad alta potenza, gli inverter o i convertitori di potenza utilizzano tipicamente una configurazione a ponte per generare la corrente alternata alla frequenza di linea o per fornire il pilotaggio PWM bidirezionale a motori, trasformatori o altri carichi. Per la sicurezza dell'utente e per soddisfare i requisiti normativi, il segnale PWM di pilotaggio del gate e i relativi rail di alimentazione degli interruttori high-side devono avere l'isolamento galvanico da terra senza alcun percorso ohmico. Inoltre, la barriera di isolamento deve essere robusta e non presentare un deterioramento significativo dovuto a ripetuti effetti di scarica parziale per tutta la durata a progetto.

Inoltre, vi sono problemi dovuti all'accoppiamento capacitivo attraverso la barriera di isolamento, analogamente alla corrente di dispersione tra gli avvolgimenti primari e secondari di un trasformatore di linea in c.a. completamente isolato. Ciò porta a dover assicurare che il circuito di pilotaggio e i relativi rail di alimentazione siano immuni da un dV/dt elevato del nodo di commutazione e abbiano una capacità di accoppiamento molto bassa.

Il meccanismo alla base di questo problema riguarda i fronti di commutazione molto veloci, tipicamente di 10 kV/μs ma anche di 100 kV/μs per i dispositivi GaN più recenti. Questa rapida variazione di dV/dt provoca un flusso di corrente transitoria attraverso la capacità della barriera di isolamento del convertitore c.c./c.c.

Poiché I = C x (dV/dt), anche una piccola capacità di barriera di soli 20 pF con una commutazione di 10 kV/μs determina un flusso di corrente di 200 mA. Questa corrente trova un percorso di ritorno indeterminato attraverso il circuito del controller fino al ponte, causando picchi di tensione attraverso le resistenze e le induttanze di collegamento, che hanno il potenziale di interrompere il funzionamento del controller e del convertitore c.c./c.c. Una bassa capacità elettrica di accoppiamento è quindi molto desiderabile.

L'isolamento di base e il relativo isolamento del convertitore c.c./c.c. presentano un altro aspetto. La barriera di isolamento è progettata per resistere alla tensione nominale in modo continuo, ma poiché la tensione è commutata, la barriera può potenzialmente deteriorarsi più rapidamente nel tempo. Ciò è dovuto agli effetti elettrochimici e di scarica parziale nel materiale della barriera che si verificherebbero solo in seguito a una tensione c.c. fissa.

Il convertitore c.c./c.c. deve pertanto essere dotato di isolamento robusto e di generose distanze minime di isolamento superficiale e di isolamento in aria. Se la barriera del convertitore fa anche parte di un sistema di isolamento di sicurezza, si applicano i mandati normativi delle agenzie competenti per il livello di isolamento richiesto (base, supplementare, rinforzato), la tensione di funzionamento, il grado di inquinamento, la categoria di sovratensione e l'altitudine.

Per questi motivi, solo i convertitori c.c./c.c. di pilotaggio del gate con design e materiali adeguati sono riconosciuti o sono in attesa di riconoscimento secondo la norma UL60950-1 per vari livelli di protezione di base e rinforzati (generalmente equivalenti a quelli della norma EN 62477-1:2012); è inoltre in vigore o in attesa di riconoscimento un livello più severo secondo lo standard medico ANSI/AAMI ES60601-1 con requisiti 1 MOPP (mezzi di protezione del paziente) e 2 MOOP (mezzi di protezione dell'operatore).

• Immunità ai transitori di modo comune: CMTI è un parametro importante del gate driver alle frequenze di commutazione più elevate, quando il gate driver ha una tensione differenziale tra due riferimenti di massa separati, come nel caso dei gate driver isolati. CMTI è definito come la velocità massima tollerabile di aumento o diminuzione della tensione di modo comune applicata tra due circuiti isolati ed è specificato in kV/µs o V/ns.

Un CMTI elevato significa che i due lati di un dispositivo isolato, il lato di trasmissione e il lato di ricezione, superano le specifiche tecniche quando "colpiscono" la barriera di isolamento con un segnale a una velocità di variazione in salita (positiva) o discesa (negativa) molto elevata. La scheda tecnica del convertitore c.c./c.c. dovrebbe contenere un valore di specifica per questo parametro e i progettisti devono adattarlo alle specifiche della frequenza e della tensione di funzionamento del loro circuito.

Soddisfare i requisiti del convertitore c.c./c.c. gate driver

Riconoscendo le numerose esigenze, spesso contrastanti, dei convertitori c.c./c.c. con pilotaggio del gate, Murata ha esteso la serie MGJ2 di convertitori c.c./c.c. a foro passante alle unità c.c./c.c. SMD. Grazie alle loro prestazioni, al fattore di forma compatto e al profilo ribassato (circa 20 mm di lunghezza × 15 mm di larghezza × 4 mm di altezza) e alla compatibilità con i processi di produzione SMD, questi convertitori sono particolarmente adatti ad alimentare i circuiti di pilotaggio del gate high-side e low-side di IGBT e MOSFET in applicazioni con limitazioni di spazio e di peso (Figura 9).

Figura 9: Tutte le unità della serie MGJ2 di Murata sono convertitori c.c./c.c. dallo stesso aspetto esteriore e dalle stesse dimensioni, ma sono disponibili con una varietà di valori nominali della tensione di ingresso e di tensioni di uscita bipolari. (Immagine per gentile concessione di Murata Power Solutions)

I componenti di questa famiglia di convertitori da 2 W funzionano con ingressi nominali di 5, 12 e 15 V e offrono una scelta di tensioni di uscita asimmetriche (+15 V/5 V, +15 V/9 V e +20 V/5 V) per supportare livelli di pilotaggio ottimali con la massima efficienza del sistema e la minima interferenza elettromagnetica (EMI). Il contenitore a montaggio superficiale facilita l'integrazione fisica con i gate driver e consente un posizionamento più ravvicinato, riducendo così la complessità del cablaggio e minimizzando la captazione di EMI o interferenze in radiofrequenza (RFI).

La serie MGJ2 è specificata per gli elevati requisiti di isolamento e di dV/dt richiesti dai circuiti a ponte utilizzati nei comandi dei motori e negli inverter; la temperatura nominale e la costruzione di grado industriale garantiscono una lunga durata e affidabilità. Altri attributi chiave sono:

• Isolamento rinforzato secondo il riconoscimento UL62368 (in attesa)
• Riconoscimento ANSI/AAMI ES60601-1 in attesa
• Tensione di prova di isolamento di 5,7 kV c.c. (per le prove di alta tensione)
• Capacità di isolamento ultrabassa
• Funzionamento fino a +105 °C (con riduzione della potenza)
• Protezione dai cortocircuiti
• Immunità ai transitori di modo comune (CMTI) caratterizzata a >200 kV/μs
• Tensione continua di tenuta alla barriera di 2,5 kV
• Prestazioni di scarica parziale caratterizzata

Due unità mostrano la gamma di prestazioni disponibili nella serie MGJ2:

• MGJ2D152005MPC-R7 accetta un ingresso nominale di 15 V (13,5 ~ 16,5 V) e fornisce uscite altamente asimmetriche di +20 V e -5,0 V con un massimo di 80 mA ciascuna. Le specifiche principali includono una regolazione del carico del 9% e dell'8% (massimo) per le due uscite (rispettivamente), un ripple e un rumore inferiori a 20/45 mV (tip./max), un'efficienza del 71/76% (min/tip.), una capacità di isolamento di soli 3 pF e un tempo medio fino al guasto (MTTF) di circa 1100 kHr (determinato utilizzando MIL-HDBK-217 FN2) e 43.500 kHr (secondo i modelli di calcolo Telecordia SR-332).

• MGJ2D121509MPC-R7 funziona con un ingresso nominale di 12 V (10,8 ~ 13,2 V) e fornisce uscite asimmetriche di +15 V e -9,0 V, sempre con una potenza massima di 80 mA. Altre specifiche chiave includono una regolazione del carico dell'8%/13% (tip./max) per l'uscita a +15 V e una regolazione del carico del 7%/12% (tip./max) per l'uscita a -9,0 V, un ripple e un rumore inferiori a 20/45 mV (tip./max), un'efficienza del 72/77% (min/tip.), una capacità di isolamento di 3 pF e un MTTF di circa 1550 kHr (utilizzando MIL-HDBK-217 FN2) e 47.800 kHr (modelli Telecordia).

Oltre agli elenchi e ai grafici che descrivono le prestazioni statiche e dinamiche, la scheda tecnica comune dei componenti di questa serie riporta i numerosi standard del settore e i mandati normativi che questi convertitori soddisfano, insieme a dettagli completi sulle condizioni di test associate utilizzate per determinare questi fattori. Questo assicura un maggiore livello di fiducia e accelera la certificazione del prodotto in applicazioni con requisiti di conformità rigorosi.

Conclusione

La selezione del dispositivo MOSFET o IGBT appropriato per un progetto di potenza a commutazione è un aspetto dell'intero processo di progettazione. Va considerato anche il gate driver associato che controlla il dispositivo di commutazione, facendolo passare dallo stato di accensione a quello di spegnimento in modo veloce e preciso. A sua volta, il driver ha bisogno di un convertitore c.c./c.c. adeguato per fornire la potenza di lavoro. Come dimostrato, la serie MGJ2 di Murata consiste di convertitori c.c./c.c. a montaggio superficiale da 2 W che offrono le prestazioni elettriche necessarie e soddisfano anche i numerosi e complessi requisiti di sicurezza e normativi richiesti per espletare questa funzione.