Водитель ворот - Gate driver

А водитель ворот это усилитель мощности который принимает маломощный вход от контроллера IC и производит сильноточный управляющий вход для затвора мощного транзистора, такого как IGBT или силовой MOSFET. Драйверы затвора могут быть встроены в микросхему или в виде дискретного модуля. По сути, драйвер ворот состоит из переключатель уровня в сочетании с усилитель мощности. ИС драйвера затвора служит интерфейсом между управляющими сигналами (цифровыми или аналоговыми контроллерами) и переключателями мощности (IGBT, MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT). Интегрированное решение драйвера затвора снижает сложность конструкции, время разработки, перечень материалов (BOM) и пространство на плате, одновременно повышая надежность по сравнению с дискретно реализованными решениями с приводом затвора.[1]

История

В 1989 г. Международный выпрямитель (IR) представила первый монолитный драйвер затвора HVIC, технология высоковольтных интегральных схем (HVIC), использующая запатентованные и запатентованные монолитные структуры, объединяющие биполярные, CMOS и боковые устройства DMOS с напряжениями пробоя выше 700 В и 1400 В для рабочих напряжений смещения 600 В. и 1200 В. [2] Позже в 2015 году компания International Rectifier (IR) была куплена Infineon Technologies.

Используя эту технологию HVIC со смешанными сигналами, можно реализовать как высоковольтные схемы смещения уровня, так и низковольтные аналоговые и цифровые схемы. Благодаря возможности разместить высоковольтные схемы (в «колодце», образованном поликремниевыми кольцами), которые могут «плавать» 600 В или 1200 В, на том же кремнии вдали от остальной низковольтной схемы, сторона высокого напряжения силовые полевые МОП-транзисторы или IGBT используются во многих популярных топологиях автономных схем, таких как понижающий, синхронный повышающий, полумостовой, полный мост и трехфазный. Драйверы затворов HVIC с плавающими переключателями хорошо подходят для топологий, требующих конфигураций с высокой стороной, полумостовых и трехфазных конфигураций.[3]

Цель

В отличие от биполярные транзисторы, Полевые МОП-транзисторы не требуют постоянного питания, пока они не включаются или не выключаются. Изолированный электрод затвора полевого МОП-транзистора образует конденсатор (конденсатор затвора), который необходимо заряжать или разряжать каждый раз, когда полевой МОП-транзистор включается или выключается. Поскольку для включения транзистору требуется определенное напряжение затвора, конденсатор затвора должен быть заряжен, по крайней мере, до требуемого напряжения затвора для включения транзистора. Точно так же, чтобы выключить транзистор, этот заряд должен быть рассеян, то есть конденсатор затвора должен быть разряжен.

Когда транзистор включается или выключается, он не сразу переключается из непроводящего состояния в проводящее; и может временно поддерживать как высокое напряжение, так и проводить большой ток. Следовательно, когда ток затвора прикладывается к транзистору, чтобы вызвать его переключение, генерируется определенное количество тепла, которого в некоторых случаях может быть достаточно для разрушения транзистора. Следовательно, необходимо сохранять время переключения как можно короче, чтобы минимизировать потери переключения. Типичное время переключения находится в диапазоне микросекунд. Время переключения транзистора обратно пропорционально количеству текущий используется для зарядки ворот. Поэтому коммутационные токи часто требуются в пределах нескольких сотен. миллиамперы, или даже в диапазоне амперы. Для типичных напряжений затвора примерно 10-15 В несколько Вт мощности может потребоваться для управления переключателем. Когда большие токи переключаются на высоких частотах, например в Преобразователи постоянного тока в постоянный или большой электродвигатели иногда несколько транзисторов устанавливаются параллельно, чтобы обеспечить достаточно высокие токи переключения и мощность переключения.

Сигнал переключения для транзистора обычно генерируется логической схемой или микроконтроллер, который обеспечивает выходной сигнал, который обычно ограничен током в несколько миллиампер. Следовательно, транзистор, который напрямую управляется таким сигналом, будет переключаться очень медленно с соответствующими большими потерями мощности. Во время переключения затворный конденсатор транзистора может потреблять ток настолько быстро, что вызывает перегрузку тока в логической схеме или микроконтроллере, вызывая перегрев, который приводит к необратимому повреждению или даже полному разрушению микросхемы. Чтобы этого не произошло, между выходным сигналом микроконтроллера и силовым транзистором предусмотрен драйвер затвора.

Зарядные насосы часто используются в H-мосты в высокие боковые драйверы для управления воротами n-образного канала высокой стороны силовые МОП-транзисторы и БТИЗ. Эти устройства используются из-за их хороших характеристик, но для них требуется напряжение привода затвора на несколько вольт выше шины питания. Когда центр полумоста понижается, конденсатор заряжается через диод, и этот заряд используется для последующего управления затвором полевого транзистора верхнего плеча на несколько вольт выше напряжения истока или эмиттера, чтобы включить его. Эта стратегия хорошо работает при условии, что мост регулярно переключается, и позволяет избежать сложностей, связанных с использованием отдельного источника питания, и позволяет использовать более эффективные n-канальные устройства как для переключения высокого, так и низкого уровня.

использованная литература

  1. ^ https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Selection_Guide_Gate_Driver_ICs-SG-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46250cc1fdf015110069cb90f49
  2. ^ https://www.infineon.com/cms/en/product/power/gate-driver-ics/
  3. ^ https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Selection_Guide_Gate_Driver_ICs-SG-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46250cc1fdf015110069cb90f49

внешние ссылки