[RAQ] Sterowanie IGBT za pomocą drivera zasilanego jednym napięciem

Driver IGBT nie jest podzespołem powszechnie obecnym w świadomości konstruktorów. Kto i do czego powinien ich używać?

Pytanie:

Czy żeby móc podać na bramkę tranzystora zarówno dodatnie jak i ujemne napięcie potrzebny jest specjalny driver IGBT?


Odpowiedź:

Niekoniecznie, można dostosować do tego driver o jednym napięciu zasilania.

Jeśli do elementu mocy niezbędne wysterowanie ujemne i dodatnie, to nie ma potrzeby poszukiwania dedykowanego drivera. Wystarczy skorzystać z prostej sztuczki, by driver o zasilaniu tylko dodatnim mógł podawać napięcie o obu polaryzacjach.

Podczas sterowania tranzystorami MOSFET oraz IGBT o średniej i dużej mocy istnieje ryzyko wystąpienia efektu Millera, spowodowanego dużą częstotliwością zmian napięcia na elemencie. Prąd wpływa do bramki elementu mocy poprzez pojemność między bramką a drenem lub bramką a kolektorem. Jeśli prąd jest wystarczająco duży, aby napięcie na pojemności przekroczyło napięcie progowe, można zaobserwować jego włączanie, które zaowocuje niższą wydajnością elementu lub nawet jego uszkodzeniem.

Problemy

Efekt Millera można zmniejszyć poprzez redukcję impedancji ścieżki między bramką elementu zasilanego a jego źródłem lub drenem, albo przez ujemne wysterowanie bramki podczas wyłączania. Celem tych technik jest utrzymanie napięcia na bramce poniżej określonego progu kiedy pojawi się impuls prądu na pojemności Millera.

Niektóre elementy mocy wymagają ujemnego napięcia, żeby w pełni się wyłączyć. Producenci zalecają podawanie ujemnego napięcia na bramki takich elementów jak: tranzystory MOSFET, IGBT, oraz elementy wykonane z użyciem węglika krzemu SiC i azotku galu GaN.

Istnieje szeroki wybór driverów IGBT, które mogą sterować bramkę pojedynczym zasilaniem, ale o wiele mniej takich układów pozwala bez dodatkowych zabiegów wykorzystać dwa napięcia zasilania – dodatnie i ujemne. Jednym ze sposobów ominięcia tego problemu jest przesunięcie napięcia zasilania drivera w stosunku do zasilania elementu mocy, uzyskując w ten sposób ujemne wysterowanie bramki elementu mocy, podczas gdy sterownik widzi tylko pojedyncze napięcie zasilania. Przebieg napięcia bramki sterowanej napięciem o jednej polaryzacji oraz o obu polaryzacjach pokazano na rysunku 1.

 

Rysunek 1. Przebieg czasowy napięcia na bramce sterowanej napięciem o jednej (a) i obu polaryzacjach (b)

Przykładowe rozwiązanie

Schemat elektryczny z idealnymi źródłami napięcia przedstawiono na rysunku 2. W tym przykładzie napięcie zasilania sterownika ma wartość V1 i V2, podczas gdy tranzystor MOSFET jest sterowany napięciami:

  • +V1 w stanie włączenia i
  • -V2 w stanie wyłączenia.

Warto zauważyć, że w tym przykładzie oba źródła zasilania są odsprzężone za pomocą osobnych kondensatorów. Efektywna pojemność odsprzęgająca widziana przez driver jest szeregowym połączeniem pojemności tych dwóch kondensatorów. Jest ona mniejsza niż pojemność każdego z nich. Można w razie potrzeby dodać dodatkowe odsprzężenie pomiędzy VDD a masą. Bardzo istotne jest aby C1 i C2 stanowiły łatwą ścieżkę dla prądu podczas włączania i wyłączania.

Rysunek 2. Przykładowy układ z dwoma napięciami zasilania – dodatnim i ujemnym

Scalone drivery IGBT

Układy scalone driverów IGBT zazwyczaj posiadają mechanizm odcięcia przy niskim napięciu (UVLO, ang. undervoltage lockout). Zapobiega to sterowaniu bramki IGBT zbyt niskim napięciem. W przypadku sterowania pokazego na rysunku 2, trzeba zwracać uwagę na działanie UVLO. Moduł ten najczęściej mierzy napięcie między masą a wyjściem drivera.

Rozpatrzmy przypadek gdy V1=15V a V2=9V i napięcie odcięcia wynosi około 11V. Jest to typowa wartości w przypadku tranzystorów IGBT. Jeśli V1 spadnie o więcej niż 4V, UVLO nie zadziała, ale tranzystor IGBT będzie sterowany napięciem poniżej 11V w stanie włączenia, czyli zbyt niskim.

Uzyskanie dwóch odrębnych źródeł zasilania byłoby w tym przypadku możliwe poprzez zastosowanie dwóch izolowanych zasilaczy. W takich sytuacjach przeszkodę często stanowią koszty takiego rozwiązania. Jeśli natomiast zastosujemy topologię flyback, można uzyskać różne napięcia wykorzystując transformator z kilkoma odczepami na uzwojeniu wtórnym.

Istnieją źródła napięcia, które dostarczają izolowane zasilanie i niektórzy producenci dysponują zasilaczami dostosowanymi do potrzeb elementów mocy. Jednym z przykładów jest firma RECOM, produkująca zasilacze przeznaczone do sterowania IGBT, wyposażone w odizolowane szyny o napięciach +15 V i -9 V.

Dla tak dużej różnicy napięć, driver musi być w stanie znieść o wiele większy zakres napięcia niż ten, na który projektowane są inne urządzenia. Dwa przykładowe drivery bramkowe, które dobrze pracują z takimi napięciami to ADuM4135 i ADuM4136 firmy Analog Digital, z technologią iCoupler, które mogą być zasilane napięciem do 30 V. Oba dysponują dedykowanym, wyjściowym pinem masy, mogącym służyć jako punkt odniesienia przy pomiarze napięcia przez UVLO. ADuM4135 ma dodatkowo zacisk, służący do powstrzymywania związanych z efektem Millera skoków napięcia przy włączaniu bramki.

Prostym sposobem na uzyskanie dwóch napięć zasilania z pojedynczego źródła jest utworzenie drugiego źródła przy pomocy spolaryzowanej diody Zenera. Pomimo, że driver dostarcza duży prąd podczas włączania i wyłączania elementu mocy, średnie zapotrzebowanie na prąd jest relatywnie niskie. W większości zastosowań ma ono wartość rzędu dziesiątek miliamperów.

Dioda Zenera może posłużyć do stabilizacji dodatniego lub ujemnego napięcia, w zależności od tego gdzie potrzebna jest większa dokładność. Przykład z rysunku 3 będzie lepiej stabilizował napięcie dodatnie niż ujemne. Jednym z powodów stabilizacji napięcia dodatniego może być mała tolerancja napięcia sterowania bramki. Ma to miejsce na przykład w przypadku niektórych elementów wykonanych z użyciem azotku galu. Stabilizacja dodatniego zasilania umożliwia też poprawne działanie mechanizmu odcięcia niskiego napięcia UVLO. Fluktuacje napięcia V3 są stłumione przez diodę Zenera aż do momentu spadku napięcia poniżej napięcia Zenera.

Metoda wykorzystująca diodę Zenera pozwala także na zaoszczędzenie miejsca w układzie. Dzieje się tak nie tylko dlatego, że dioda Zenera i jeden rezystor zastępują cały układ źródła napięciowego. Dzieje się tak także dlatego, że jako sterownik bramki może posłużyć układ w sześciopinowej obudowie. Może to być na przykład ADuM4120 z technologią iCoupler – co pozwoli oszczędzić jeszcze więcej miejsca wokół układu drivera.

 

Rysunek 3. Przykładowy układ z diodą Zenera

Rozwiązanie półmostkowe

Referencyjny układ sterownika z diodą Zenera, z wykorzystaniem układów ADuM4121 i GS66508T opartego na GaN, tworzy półmostek. Układ zaprojektowano tak, aby sterować napięciami +5 V i -4 V w stosunku do źródła elementu. Można go łatwo przerobić na napięcia +6 V i -3 V, wykorzystując inną diodę Zenera i takie samo izolowane źródło napięcia 9 V. Na wykresie widać spory okres nieaktywny, aby ułatwić wizualne odróżnienie skoku Millera od innych przejść związanych z przełączaniem. W praktyce ADuM4121 pozwala na dużo krótsze „czasy martwe” rzędu dziesiątek ns. Jest to istotne dla wysokowydajnych układów, wykorzystujących technologię GaN.

Rysunek 4. Wyniki działania układu wykorzystującego ADuM4121 i GS66508T

Uzyskanie ujemnego wysterowania bramki, które pozwala uniknąć skutków efektu Millera przy przełączaniu układu nie musi wcale być skomplikowane. Wiele istniejących driverów z pojedynczym napięciem zasilania może łatwo podać na bramkę napięcie ujemne przy minimalnej liczbie elementów. Trzeba pamiętać o pewnych konsekwencjach, takich jak efektywne działanie UVLO, ale korzyści płynące z takiego działania są niemałe.

O autorze

Inżynier aplikacyjny w Analog Devices. Jest odpowiedzialny między innymi za sterowniki IGBT wykorzystujące technologię iCoupler do osiągnięcia izolacji, a także za różne produkty z zakresu zarządzania mocą. Posiada tytuł magistra inżyniera z elektrotechniki oraz doktorat z elektroniki mocy Uniwersytetu Kolorado.

www.analog.com