Garis Panduan Reka Bentuk Untuk Menggunakan Pemacu Pintu Terpencil

Panduan reka bentuk tiga bahagian menerangkan cara memilih pemacu pintu terpencil yang sesuai untuk peranti pensuisan kuasa dalam aplikasi elektronik kuasa dan berkongsi pengalaman praktikal. Artikel ini adalah bahagian pertama, terutamanya termasuk pengenalan dan panduan pemilihan pemandu pintu terpencil.

Alamat rujukan artikel ini:

Pemacu pintu terpencil ON Semiconductor direka untuk memenuhi kelajuan pensuisan maksimum dan kekangan saiz sistem yang diperlukan oleh teknologi seperti SiC (silikon karbida) dan GaN (gallium nitride) untuk menyediakan kawalan MOSFET yang boleh dipercayai. Ramai pereka dalam industri elektronik kuasa mempunyai pengalaman luas bekerja dengan Si MOSFET, SiC dan GaN MOSFET dan merupakan pengguna pakar. Pengeluar sistem semakin berminat untuk meningkatkan kecekapan tenaga reka bentuk mereka. Untuk mencapai kedudukan utama dalam pasaran, gabungan kecekapan tenaga tinggi dan kos rendah adalah penting. Dari perspektif bahan semikonduktor, bidang ini telah mencapai kemajuan yang ketara, dan kini terdapat produk yang mampu bertukar pada kelajuan tinggi, dengan itu meningkatkan kecekapan peringkat sistem sambil mengurangkan saiz.

Pemandu Pintu Terpencil--Apakah itu, mengapa ia digunakan dan bagaimana ia berfungsi?

MOSFET Kuasa ialah peranti terkawal voltan yang digunakan sebagai elemen pensuisan dalam litar kuasa, pemacu motor dan sistem lain. Pintu adalah terminal kawalan terpencil secara elektrik bagi setiap peranti. Terminal lain MOSFET ialah sumber dan longkang.

Untuk mengendalikan MOSFET, voltan biasanya perlu digunakan pada pintu (berbanding dengan sumber atau pemancar). Pemacu khusus digunakan untuk menggunakan voltan pada pintu peranti kuasa dan menyediakan arus pemacu.

Pemacu pagar digunakan untuk menghidupkan dan mematikan peranti kuasa. Untuk melakukan ini, pemandu pagar mengecas get peranti kuasa kepada voltan hidupan akhir VGS(HIDUP), atau litar pemacu menyahcaskan pintu masuk ke voltan mematikan akhir VGS(OFF). Untuk menukar antara dua aras voltan get, beberapa kuasa dilesapkan dalam gelung antara pemacu get, perintang pintu dan peranti kuasa.

Hari ini, penukar frekuensi tinggi untuk aplikasi kuasa rendah dan sederhana menggunakan peranti kawalan voltan pintu seperti MOSFET.

Untuk aplikasi berkuasa tinggi, peranti terbaik yang sedang digunakan ialah MOSFET silikon karbida (SiC), yang memerlukan arus pemacu yang lebih tinggi untuk menghidupkan/mematikan suis kuasa ini dengan cepat. Pemacu pintu pagar bukan sahaja sesuai untuk MOSFET, tetapi juga untuk peranti baharu dalam jurang jalur lebar yang hanya diketahui oleh segelintir orang pada masa ini, seperti FET silikon karbida (SiC) dan FET galium nitrida (GaN).

Pemacu get ialah penguat kuasa yang menerima input daripada IC pengawal dan menjana arus tinggi yang sesuai untuk memacu get peranti pensuisan kuasa.

Berikut ialah ringkasan ringkas sebab menggunakan pemacu pagar:

Galangan pemacu pintu

Fungsi pemandu pagar adalah untuk menghidupkan dan mematikan peranti kuasa dengan cepat untuk mengurangkan kerugian. Untuk mengelakkan kehilangan pengaliran silang yang disebabkan oleh kesan Miller atau pensuisan perlahan di bawah beban tertentu, pemandu mesti menetapkan keadaan luar dengan galangan yang lebih rendah daripada keadaan pada transistor lawan. Margin pemacu gerbang negatif memainkan peranan penting dalam mengurangkan kerugian ini.

Kearuhan sumber

Ini ialah kearuhan yang dikongsi oleh gelung arus pemacu pintu dan gelung arus keluaran. Margin voltan pemacu pintu negatif digabungkan dengan kearuhan plumbum sumber mempunyai kesan langsung ke atas kelajuan pensuisan output di bawah beban, yang merupakan kesan kemerosotan sumber kearuhan sumber (aruhan plumbum sumber menggandingkan arus pensuisan keluaran kembali ke pemacu pintu, dengan itu memperlahankan pemanduan pagar).

Pemacu pintu menggunakan isyarat voltan (VGS) di antara pintu (G) dan sumber (S) MOSFET kuasa semasa menyampaikan nadi arus tinggi, seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.

·Dayakan pengecasan/penyahcasan pantas CGS dan CGD

·Kuasa hidup/mati pantas MOSFET

Rajah 1. Laluan arus pacuan pintu

Mengapa Pengasingan Galvanik?

Aplikasi kuasa tinggi memerlukan pengasingan galvanik untuk mengelakkan gelung tanah berbahaya daripada dicetuskan, yang boleh menyebabkan bunyi bising, menyebabkan alasan kedua-dua litar berada pada potensi yang berbeza dan dengan itu menjejaskan keselamatan sistem. Arus dalam sistem sedemikian boleh membawa maut kepada manusia, jadi tahap keselamatan tertinggi mesti dipastikan. Pengasingan elektrik atau galvanik merujuk kepada keadaan di mana tiada arus DC beredar di antara dua titik pada potensi yang berbeza.

Lebih tepat lagi, dalam keadaan pengasingan galvanik, adalah mustahil untuk memindahkan pembawa dari satu titik ke titik lain, tetapi tenaga elektrik (atau isyarat) masih boleh ditukar melalui fenomena fizikal lain seperti aruhan elektromagnet, gandingan kapasitif, atau cahaya. Keadaan ini bersamaan dengan rintangan tak terhingga antara dua titik; dalam amalan, rintangan sehingga kira-kira 100 MΩ adalah mencukupi. Jika kerosakan terhad kepada komponen elektronik, pengasingan keselamatan mungkin tidak diperlukan, tetapi jika aktiviti manusia terlibat di bahagian kawalan, pengasingan galvanik diperlukan antara bahagian kuasa tinggi dan litar kawalan voltan rendah. Ia melindungi daripada sebarang kerosakan pada bahagian voltan tinggi, kerana walaupun terdapat kerosakan atau kegagalan komponen, halangan pengasingan menghalang kuasa daripada sampai kepada pengguna. Pengasingan adalah wajib oleh agensi kawal selia dan badan pensijilan keselamatan untuk mengelakkan risiko renjatan elektrik. Di bawah ialah ringkasan sebab penggunaan dan kaedah pengasingan galvanik dalam banyak aplikasi kuasa.

·Cegah dan selamat menahan lonjakan voltan tinggi yang merosakkan peralatan atau membahayakan manusia.

·Lindungi pengawal mahal - sistem pintar

·Bertolak ansur dengan perbezaan potensi yang besar dan gelung tanah yang merosakkan dalam litar dengan tenaga tinggi atau pemisahan yang panjang

· Boleh dipercayai berkomunikasi dengan komponen sisi tinggi dalam voltan tinggi berprestasi tinggi

Penyelesaian

Rajah 2. Tidak terpencil dan terpencil

Panduan Pemilihan Pemandu Pintu Terpencil

Berikut menerangkan cara memilih pemandu pintu terpencil. Sebagai contoh, untuk sistem dengan voltan pengendalian yang lebih rendah, peranti pensuisan boleh disambungkan terus kepada pengawal selagi voltan tahan pengawal berada dalam julat yang dibenarkan. Walau bagaimanapun, pemacu pintu adalah komponen biasa dalam kebanyakan penukar kuasa. Memandangkan litar kawalan beroperasi pada voltan rendah, pengawal tidak dapat memberikan kuasa yang mencukupi untuk membuka atau menutup suis kuasa dengan cepat dan selamat. Oleh itu, isyarat pengawal dihantar kepada pemandu pintu, yang mampu menahan kuasa yang lebih tinggi dan boleh memacu pintu MOSFET mengikut keperluan. Dalam aplikasi kuasa tinggi atau voltan tinggi, komponen dalam litar tertakluk kepada lawatan voltan besar dan arus tinggi. Jika arus bocor dari MOSFET kuasa ke litar kawalan, voltan tinggi dan arus dalam litar penukaran kuasa dengan mudah boleh membakar transistor, menyebabkan kerosakan serius litar kawalan. Di samping itu, aplikasi berkuasa tinggi mesti mempunyai pengasingan galvanik antara input dan output untuk melindungi pengguna dan peranti lain.

Julat Voltan Pandu Gerbang

Voltan operasi penukar bergantung pada spesifikasi elemen pensuisan (seperti Si MOSFET atau SiC MOSFET). Ia mesti disahkan bahawa voltan keluaran penukar tidak melebihi nilai maksimum voltan pintu elemen pensuisan.

Voltan positif pemandu pagar hendaklah cukup tinggi untuk memastikan pintu pagar dihidupkan sepenuhnya. Ia juga perlu memastikan bahawa voltan pemacu tidak melebihi voltan pintu maksimum mutlak. Si-MOSFET biasanya menggunakan voltan pemacu +12V, +15V biasanya digunakan untuk memacu SiC dan voltan get untuk GaN ialah +5V. Voltan get 0-V boleh memastikan semua peranti dalam keadaan mati. Secara umumnya, MOSFET tidak memerlukan pemacu get bias negatif, yang kadangkala digunakan untuk MOSFET SiC dan GaN. Dalam aplikasi pensuisan, amat disyorkan untuk menggunakan pemacu get bias negatif untuk MOSFET SiC dan GaN kerana kearuhan parasit yang diperkenalkan oleh susun atur PCB yang tidak ideal semasa penukaran di/dt dan dv/dt tinggi boleh menyebabkan deringan dalam voltan pemacu sumber get transistor kuasa. Berikut ialah voltan pemacu get yang berkenaan untuk setiap peranti pensuisan.

Keupayaan pengasingan

Keupayaan ini ditentukan oleh voltan operasi sistem. Voltan pengendalian sistem adalah berkadar terus dengan keupayaan pengasingan. Salah satu parameter utama pemacu pintu terpencil ialah penarafan voltan pengasingannya. Penarafan pengasingan direka bentuk untuk menghalang transien voltan yang tidak dijangka daripada merosakkan litar lain yang disambungkan kepada bekalan kuasa, jadi mempunyai penarafan pengasingan yang betul adalah kunci untuk melindungi pengguna daripada nyahcas arus yang berpotensi berbahaya. Di samping itu, penarafan ini melindungi isyarat dalam penukar daripada diganggu oleh hingar atau transien voltan mod biasa yang tidak dijangka. Nilai pengasingan biasanya dinyatakan sebagai jumlah voltan yang boleh ditahan oleh penghalang pengasingan. Dalam kebanyakan lembaran data pemacu pintu terpencil, voltan pengasingan disenaraikan sebagai parameter seperti voltan pengasingan puncak berulang maksimum (VIORM), voltan pengasingan kerja (VIOWM), voltan pengasingan sementara maksimum (VIOTM), voltan pengasingan lonjakan maksimum (VIOSM) dan RMS voltan pengasingan (VISO). Semakin tinggi voltan pengendalian sistem, semakin tinggi keupayaan pengasingan penukar diperlukan.

Pemacu pintu terpencil ON Semiconductor diuji pengeluaran pada penguji MPS (model MSPS-20).

Kapasiti pengasingan

Kapasiti pengasingan ialah kapasitans parasit antara sisi input dan output penukar. Daripada formula berikut, kita dapat melihat bahawa kapasitansi pengasingan adalah berkadar dengan arus bocor.

Antaranya: Ileak: arus bocor, fS: kekerapan operasi, CISO: kemuatan pengasingan. VSYS: voltan pengendalian sistem

Kehilangan kuasa adalah berkadar dengan arus bocor. Jika sistem perlu beroperasi pada frekuensi operasi yang tinggi dan voltan tinggi, kita perlu memberi lebih perhatian kepada saiz kemuatan pengasingan penukar untuk mengelakkan kenaikan suhu yang berlebihan.

Kekebalan sementara mod biasa (CMTI)

Kekebalan sementara mod biasa (CMTI) ialah salah satu ciri utama yang dikaitkan dengan pemacu pintu terpencil, terutamanya apabila sistem beroperasi pada frekuensi pensuisan yang tinggi. Ini penting kerana transien kadar slew tinggi (frekuensi tinggi) boleh merosakkan penghantaran data merentasi halangan pengasingan. Kapasiti merentasi halangan pengasingan (iaitu, antara satah tanah pengasingan) menyediakan laluan bagi transien pantas ini untuk melintasi halangan pengasingan dan merosakkan bentuk gelombang keluaran. Unit parameter ciri ini biasanya kV/uS.

Jika CMTI tidak cukup tinggi, hingar kuasa tinggi boleh berganding merentasi pemacu pintu terpencil, mewujudkan gelung semasa dan menyebabkan cas muncul di pintu suis. Caj ini, jika cukup besar, boleh menyebabkan pemandu pagar salah tafsir bunyi ini sebagai isyarat pemacu, dan tembak-menembak ini boleh menyebabkan kegagalan litar yang serius.

Pertimbangan Keupayaan Pemanduan Semasa

Semakin tinggi arus get yang boleh diperolehi/ditenggelamkan dalam tempoh yang singkat, semakin singkat masa pensuisan pemacu get dan semakin rendah kehilangan kuasa pensuisan dalam transistor yang dipacu.

Punca puncak dan arus tenggelam (ISOURCE dan ISINK) hendaklah lebih tinggi daripada arus purata (IG, AV), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah 3. Definisi keupayaan pemacu semasa

Untuk setiap kadaran semasa pemandu, anggaran cas gerbang maksimum QG yang boleh ditukar dalam masa yang ditunjukkan boleh dikira seperti berikut: Kadar arus pemandu yang diperlukan bergantung pada berapa banyak cas gerbang QG mesti dialihkan dalam berapa banyak masa penukaran tSW−ON/ MATI, kerana purata arus get semasa pensuisan ialah IG.

Di mana tSW,ON/OFF mewakili kelajuan MOSFET harus ditukar. Jika tidak diketahui, mulakan dengan 2% daripada tempoh penukaran tSW.

Anggaran punca puncak pemacu pintu dan arus sink boleh dikira menggunakan formula berikut.

Hidup (Sumber Semasa)

Apabila mati (arus tenggelam)

Di mana QG ialah cas get pada VGS=VCC, tSW, ON/OFF=masa hidup/mati, 1.5=faktor yang ditentukan secara empirik (dijejaskan oleh kelewatan melalui peringkat input pemacu dan komponen parasit)

Pertimbangan Perintang Pintu

Apabila saiz perintang pintu, adalah penting untuk mempertimbangkan untuk mengurangkan voltan deringan yang disebabkan oleh kearuhan dan kemuatan parasit. Walau bagaimanapun, ia akan mengehadkan keupayaan semasa keluaran pemacu pintu. Nilai keupayaan arus yang terhad disebabkan oleh perintang get turn-on dan turn-off boleh didapati menggunakan formula berikut.

Antaranya: ISOOURCE: arus punca puncak, ISINK: arus sinki puncak, VOH: penurunan voltan keluaran peringkat tinggi, VOL: penurunan voltan keluaran peringkat rendah

ON Pemacu Pintu Terpencil Semikonduktor

ON Semiconductor menawarkan pelbagai pemacu get terpencil berdasarkan transformer tanpa teras berganding magnet bersepadu, sesuai untuk aplikasi di mana kelajuan pensuisan sangat tinggi dan kekangan saiz sistem wujud, dan boleh mengawal Si MOSFET dan SiC FET dengan pasti.

Kami menawarkan produk pengasingan berfungsi dan diperkukuh yang diperakui UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 dan CQC GB 4943.1. Pemacu pintu terpencil kami termasuk produk yang diperakui industri dan automotif.

Pemacu pintu terpencil ini menyepadukan pelbagai ciri untuk menahan tahap CMTI yang tinggi, mempunyai berbilang pilihan UVLO dan memberikan kelewatan perambatan pantas (termasuk ketidakpadanan kelewatan pendek) dan herotan lebar nadi yang minimum.

Khususnya, produk baharu ON Semiconductor yang akan datang akan menyediakan kaedah mudah untuk menjana bias negatif dalam gelung pemacu pintu, sesuai untuk memandu MOSFET SiC. Pincang negatif ini berguna jika susun atur PCB dan/atau petunjuk pakej mencipta deringan tinggi dalam transistor kuasa Vg. Deringan voltan get ini biasanya berlaku di bawah keadaan penukaran di/dt dan dv/dt tinggi. Untuk mengekalkan deringan di bawah voltan ambang untuk mengelakkan penyalaan palsu, bias negatif biasanya digunakan pada pemandu pagar. Pilihan yang berbeza tersedia untuk menjana -2V, -3V, -4V dan -5V untuk disesuaikan dengan semua konfigurasi. Pemacu get terpencil ON Semiconductor tersedia dalam pelbagai pilihan pakej, termasuk LGA dan SOIC 8-pin ke 16-varian kecil.

Di bawah ialah ciri utama, spesifikasi elektrik dan pensijilan berkaitan keselamatan bagi keluarga pemandu pintu terpencil ON Semiconductor.

Jadual 1.

- Dalam pembangunan

- Pilihan, tersedia atas permintaan

- Terancang

Alat sokongan pemandu pintu terpencil

Semua dokumen berkaitan untuk pemacu pintu terpencil galvanik tersedia di halaman utama ON Semiconductor, termasuk lembaran data, alat reka bentuk dan pembangunan, model simulasi, nota aplikasi, dokumentasi papan penilaian, laporan pematuhan, dsb.

Pemacu berkaitan utama termasuk:

● NCP51560

● NCP51561 和 NCV51561

● NCP51563 和 NCV51563