Utilizzo dei gate driver singoli e doppi per un migliore isolamento in applicazioni critiche

In numerose applicazioni critiche, dati e potenza devono essere trasferiti da circuiti ad alta tensione a circuiti a bassa tensione. Alcuni esempi sono gli azionamenti dei motori, i centri di elaborazione dati, l'automazione industriale e le apparecchiature per le infrastrutture di rete, come gli inverter solari. Sebbene i progettisti desiderino tensioni e correnti affidabili e regolate, nonché un trasferimento dati rapido e ad alta integrità, i transitori ad alta tensione incontrollati non devono influire su questi sistemi costosi. Il tipo di tensione generato dai fulmini può facilmente danneggiare i sensibili componenti in silicio e danneggiare i flussi di dati. Inoltre, questi transitori possono essere un pericolo per il personale addetto alla manutenzione.

La protezione dai transitori avviene sotto forma di isolamento. L'isolamento garantisce che due sottocircuiti del sistema complessivo siano separati elettricamente, senza alcun percorso ohmico o galvanico tra di essi (resistenza infinita); tuttavia, il segnale, la potenza o entrambi possono comunque passare tra quei sottocircuiti.

Esistono diversi metodi per ottenere un isolamento sicuro; le tecniche tradizionali prevedono l'uso di trasformatori di isolamento e optoaccoppiatori. Tuttavia, nelle applicazioni in cui sono prioritarie caratteristiche quali l'immunità ai transitori di modo comune (CMTI), forme d'onda pulite, dimensioni compatte, integrazione funzionale, elevata velocità di commutazione, basso costo, semplicità, affidabilità e lunga durata, i gate driver rappresentano una soluzione comprovata.

Gate driver per applicazioni di isolamento ad alte prestazioni

I gate driver in CI isolati (Figura 1) offrono il controllo su fattori quali il livello di isolamento, il ritardo di propagazione, l'induttanza di dispersione parassita, la capacità parassita tra ingresso e uscita, CMTI, le dimensioni e lo spessore dei componenti, il layout della scheda a circuiti stampati (PCB) e l'inclusione di funzioni di protezione come il blocco di sottotensione (UVLO). Ottimizzare ciascuna di queste caratteristiche consente all'ingegnere di adattare con precisione le prestazioni del gate driver all'applicazione.

Figura 1: Tipico layout di un gate driver a canale singolo con isolamento CMOS e protezione UVLO. (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

Skyworks Solutions offre un'ampia gamma di gate driver in CI isolati con ingressi CMOS da 3 a 20 V e pilotaggio del gate fino a 30 V. Offerti in varie configurazioni di 1, 4, e 6 A, questi prodotti comprendono i modelli Si82Ax, Si82Bx, Si82Cx, Si82Dx, Si82Ex e Si82Fx (Figure 2). Le caratteristiche includono fino a 6 kV_rms di isolamento, una CMTI di 200 kV/µs, un ritardo di propagazione inferiore a 45 ns e supporto delle tecnologie GaN, IGBT, SiC e MOSFET.

Figura 2: I gate driver a canale singolo e doppio Si82Ax-Fx supportano uscite da 1, 4 e 6 A. (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

L'uscita in modalità tensione dei dispositivi consente di ottimizzare le prestazioni di commutazione, mentre le varie opzioni di protezione UVLO e dalla sovrapposizione degli ingressi garantiscono un funzionamento sicuro. Sono incluse opzioni di deglitch, configurazioni a canale singolo con uscita combinata o divisa, un Miller Clamp integrato e vari UVLO abbinati al tipo di interruttore di alimentazione azionato.

I modelli Si82Ax e Si82Dx sono destinati ad applicazioni di alimentazione e di controllo motori, mentre i modelli Si82Bx e Si82Ex soddisfano i requisiti di pilotaggio di interruttori di alimentazione. Le versioni ad alte prestazioni Si82Cx e Si82Fx per il pilotaggio degli interruttori di alimentazione utilizzano l'architettura in modalità corrente Selectable Variable Current Drive (SelVCD) di Skyworks e sono qualificate per il settore automotive. SelVCD funziona come una sorgente di corrente, mantenendo una uscita entro una stretta tolleranza del valore finale in tutte le condizioni operative.

Primi passi con i gate driver isolati

I progettisti hanno a disposizione un'ampia gamma di opzioni all'interno di ogni famiglia, da scegliere in base alle loro specifiche esigenze. Ad esempio, SI82A30BCC-IS della famiglia Si82Ax è un dispositivo a canale singolo da 3,75 kV e 1 A, ideale per pilotare MOSFET di potenza e IGBT in applicazioni quali alimentazione commutata e controllo motori. È disponibile in configurazioni a uscita singola o a uscita divisa (Figura 3).

Figura 3: SI82A30BCC-IS è un dispositivo a canale singolo ideale per pilotare MOSFET e IGBT di potenza ed è disponibile in configurazioni a uscita singola o divisa (come mostrato). (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

Il modello SI82F29AGC-IS1 della serie Si82Fx è un dispositivo a due canali da 3,75 kV destinato ad architetture di commutazione MOSFET, IGBT, SiC e GaN, dotate di ingressi di controllo doppi (Figure 4, sinistra) o singoli (Figure 4, destra). La tecnologia SelVCD sullo stadio di uscita regola la corrente di uscita tra otto livelli selezionabili, eliminando la necessità di resistori di gate e bloccando eventuali correnti con effetto di Miller.

Figura 4: SI82F29AGC-IS1 è un gate driver a doppio canale per architetture di commutazione MOSFET, IGBT, SiC e GaN, dotato di ingressi di controllo doppi (a sinistra) o singoli (a destra). (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

Skyworks offre anche il pratico kit di valutazione SI82F39ABC-KIT (Figura 5) per la serie Si82Fx. Si82Fx è centrale al kit, mentre i componenti periferici e le funzionalità consentono allo sviluppatore di mettere alla prova le capacità di commutazione, protezione e isolamento del chip.

Figura 5: Il kit di valutazione SI82F39ABC-KIT consente ai progettisti di testare le capacità di commutazione, protezione e isolamento della serie Si82Fx. (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

Conclusione

L'isolamento tra un alimentatore ad alta tensione e i circuiti operativi a bassa tensione è essenziale per proteggere i sistemi e gli utenti in applicazioni critiche quali data center, automazione industriale, applicazioni medicali e automotive. I gate driver Si82Ax-Fx offrono ai progettisti le eccezionali prestazioni di isolamento, le uscite sinusoidali pulite, la flessibilità e l'affidabilità richieste affinché questi sistemi funzionino in modo efficiente a tutte le frequenze.