543 подписчика

Изолированный драйвер затвора SiC МОП-транзисторов компании Cree

30 октября 202030 окт 2020

10 мин

Транзисторы с изолированным затвором, выполненные на основе такого полупроводникового материала с широкой запрещенной зоной, как карбид кремния (SiC), позволяют реализовывать широкий спектр преобразователей большой мощности для самых разных сфер индустрии. Эти транзисторы отличаются малыми потерями проводимости, низкими коммутационными потерями и могут работать на высоких частотах преобразования от высоковольтных шин постоянного напряжения. Однако чтобы реализовать уникальные возможности этих транзисторов, требуется соответствующее управление. В статье описывается практическая реализация изолированного драйвера затвора, подходящего для тестирования и оценки применения карбид кремниевых (SiC) МОП транзисторов в самых различных конечных приложениях.

Уже много лет компания Cree занимает ведущие позиции на рынке не только светодиодов, с которых она начала свой бизнес в 1987 году, но и силовых полупроводниковых приборов. Компания первая в мире выпустила в 1991 году коммерческие SiC-пластины, начиная с двухдюймовых и заканчивая 200-мм пластинами, обеспечивая самые надежные и высококачественные материалы в отрасли для создания устройств SiC и GaN. Выделение производства силовых и радиочастотных приборов на основе карбида кремния (SiC) в отдельную компанию Wolfspeed, A Cree Company (Wolfspeed), входящую в структуру Cree Inc., дало новый импульс в этом направлении — в 2014 году Cree был представлен первый в отрасли полумостовой SiC-модуль на рабочее напряжение 1700 В, обеспечивающий высокую скорость переключения, что существенно уменьшает габариты индуктивных элементов и емкость конденсаторов фильтров. Достигнутая при этом энергоэффективность силовых SiC МОП-транзисторов компании достаточна для современных инверторов для солнечной энергетики, зарядных устройств и тяговых преобразователей электромобилей, а также промышленных, серверных и телекоммуникационных источников питания, то есть везде, где требуется киловатты энергии в малых габаритах при высоких температурах и гарантированной длительной эксплуатационной надежности.

Основа технической политики компании — высокое качество и универсальность предлагаемых ею решений. Рассматриваемое в рамках настоящей статьи решение изолированного драйвера (оригинал доступен по ссылке [1]), подходящего для тестирования и оценки применения SiC МОП-транзисторов в самых различных приложениях, также отличается универсальностью и заменяет собой предыдущие версии аналогичных драйверов, являясь их значительно усовершенствованной версией. Улучшения, в частности, заключаются в следующем:

Печатная плата была расширена, так что теперь можно использовать DC/DC-преобразователи мощностью 2 и 1 Вт. Это позволяет управлять как более мощными, так и менее мощными SiC МОП-транзисторами.
Расстояния для токов утечки и воздушный зазор, обеспечивающий устойчивость к пробою, значительно увеличены.
Для оптоизолятора добавлен отдельный стабилизатор напряжения. Это позволяет упростить обход преобразователей постоянного тока, когда требуется неизолированный вариант применения драйвера.
Схема выходных резисторов была модифицирована дополнительным диодом для раздельной оптимизации переходных процессов при включении и выключении силового SiC МОП-транзистора.

Новая схема для улучшенного, с повышенной гибкостью драйвера затвора для исследования поведения SiC МОП-транзисторов в разных приложениях показана на рис. 1.

Схема состоит из двух изолированных преобразователей постоянного тока (X2 и X3), оптоизолятора (U1) и интегральной схемы драйвера затвора (U2). В качестве контроллера драйвера затвора использована интегральная схема драйвера IXDN609SI [2] (8-Pin Power SOIC) Clare Inc. (дочерней компании IXYS), которая может обеспечить выходное напряжение 4,5–35 В и втекающий/вытекающий ток до 9 А при типовом выходном сопротивлении 0,8 Ом. Оптоизолятор ACPL-4800-300E [3] компании Avago (дочерняя компания Broadcom Limited) с логическим выходом обладает высокой синфазной помехоустойчивостью вплоть до dv/dt = 30 кВ/мкс и может работать в пределах напряжения 4,5–20 В. Для фильтрации входного напряжения в схеме предусмотрен конденсатор (C4), который используется как опционный и может с тем или иным номиналом быть установлен при необходимости и по желанию проектировщика.

Питание обеспечивается изолированными DC/DC-преобразователями. При этом один преобразователь используется для формирования положительного смещения, а другой — для отрицательного. Оба DC/DC-преобразователя, X2 и X3, выбраны из хорошо зарекомендовавшей себя серии 1-Вт нестабилизированных изолированных DC/DC-преобразователей серии RP [4] или серии 2 Вт нестабилизированных изолированных DC/DC-преобразователей RxxP2xx [5]. Оба типа от компании RECOM [1] и имеют основную изоляцию с электрической прочностью 5,2 кВ/1 с в компактном корпусе SIP7. Кроме того, эти DC/DC-преобразователи имеют очень низкую емкость изоляции, что уменьшает ток утечки по высокой частоте. Гибкость схемы предлагаемого драйвера в зависимости от конечного приложения позволяет без проблем использовать любой вариант. В этой конкретной конфигурации, приведенной на рис. 1, DC/DC-преобразователь X2 представляет собой преобразователь «12 в 5 В», а X3 — преобразователь «12 в ±12 В». Как показано на схеме, выходы преобразователей соединены последовательно, а общее соединение связано с истоком силового SiC МОП-транзистора (контакт SOURCE). Следовательно, напряжение шины VCC определяет положительное напряжение импульса затвора, а шина отрицательного напряжения – VEE — отрицательное напряжение импульса затвора. Эта шина также используется в качестве опорного заземления и для оптоизолятора (U1) и интегральной схемы драйвера затвора (U2). Поскольку рекомендованное максимальное рабочее напряжение оптоизолятора ACPL-4800-300E согласно [2] составляет 20 В, что может быть ниже, чем сумма напряжений между шинами VCC и – VEE, то для ограничения напряжения оптоизолятора на уровне 17,3 В в схему добавлен параметрический стабилизатор на стабилитроне D1 и эмиттерный повторитель на транзисторе Q1. Если для эмиттерного повторителя потребуется дополнительное демпфирование, то в схеме для Q1 предусмотрен последовательно включенный базовый резистор R16. По умолчанию здесь стоит нулевая перемычка, поскольку в большинстве случаев на практике резистор с нулевым сопротивлением здесь работает нормально. Резисторы R2, R4, R5, R9–R15 и диод D2 могут быть установлены для обеспечения оптималь- ных характеристик включения и выключения. По умолчанию резисторы установлены только на позиции R2, R4 и R5 (используются рези- сторы с номинальным сопротивлением 20 Ом, рассчитанные на мощность 0,3 Вт). Чтобы минимизировать паразитную индуктивность ли- ний связи, конденсаторы C8 и C10 расположены предельно близко к выходному выводу истока (контакт SOURCE) и непосредственно к драйверу затвора (контакт GATE) внешнего силового SiC МОП-транзистора. Это необходимо для того, чтобы обеспечить самую минимальную линию подключения между выходной клеммой для подсоединения истока данного транзистора и шиной отрицательного напряжения – VEE.

Работа драйвера затвора заключается в следующем. Импульс напряжения амплитудой в пределах от +10 до +12 В, приложенный к оптрону (между контактами INPUT HIGH и INPUT LOW), приводит к тому, что на выходе управления затвором внешнего силового SiC МОП-транзистора (контакт GATE) устанавливается высокий уровень напряжения. Поскольку одна из целей этой схемы — универсальность и обеспечение максимальной гибкости, то для его формирования использованы нестабилизированные DC/DC- преобразователи. Таким образом, необходимые для управления затвором положительные и отрицательные уровни выходного импульса драйвера можно устанавливать относительно «земли». Положительный уровень напряжения на затворе регулируется изменением напряжения между контактами VCC HIGH и VCC HIGH RTN, а уровень напряжения отрицательного импульса регулируется изменением напряжения между контактами VCC LOW и VCC LOW RTN. Процедура заключается в наблюдении за выходом платы драйвера затвора с помощью осциллографа и настройке входных напряжений VCC HIGH и VCC LOW до тех пор, пока импульс управления затвора не будет установлен на желаемые значения. Во время регулировки необходимо соблюдать осторожность, поскольку следует быть уверенным, что напряжение между шинами VCC и –VEE не превышает максимальные значения рабочего напряжения микросхемы драйвера U2, которое согласно [2] равно 35 В.

Гибкость предложенного решения позволяет вносить в него изменения, например для изменения схемы, чтобы реализовать подключение шин VCC и –VEE напрямую к внешним источникам питания, а изолированные DC/DC-преобразователи удалить. Удаление преобразователей выполняется путем их замены. Такая модифицированная схема показана на рис. 2. Здесь модули DC/DC-преобразователей X2 и X3 были удалены и заменены перемычками, выделенными толстыми линиями синего цвета.

Также обратите внимание, что предлагаемое решение драйвера затвора можно сконфигурировать на исключение отрицательного смещения затвора. Для этого необходимо просто исключить DC/DC-преобразователь, формирующий отрицательное смещение затвора, как показано на рис. 3, заменив его перемычкой. Здесь модуль DC/DC-преобразователя X3 удален и заменен перемычкой, также выделенной толстыми линиями синего цвета.

Перечень элементов для предлагаемого компанией Cree изолированного драйвера затвора силового SiC МОП-транзистора приведен в таблице. Обратите внимание, что это не догма, здесь могут использоваться и другие варианты DC/DC-преобразователей от компании RECOM. В перечне указаны номинальные значения и тип для элементов C4, D2 и R9–R15, поскольку их выбор и номиналы зависят от тех или иных требований конкретного приложения и, в зависимости от последнего, выбираются проектировщиком.

На рис. 4 приведена фото общего вида представление рассмотренного в рамках статьи драйвера, вариант которого поставляется компанией Wolfspeed под каталожным номером CRD-001 [6], а на рис. 5 приведены чертежи печатной платы, габариты которой составляют всего лишь 37,6×33,5×19,6 мм. Увеличение воздушного зазора достигает- ся с помощью канавки на печатной плате. Часть компонентов это, элементы C4, D2 и R9-R15 изначально не установлены, так как они предназначены для достижения необходимой гибкости при конфигурировании выходной схемы драйвера под конкретный ис- следуемый силовой SiC МОП-транзистор.

CRD 0001. Изолированный драйвер затвора SiC МОП транзисторов, основные технические характеристики:

Электрическая прочность изоляции — 1700 В
Выход — шесть контактов (штыревой разъем)
Пиковый выходной ток — 9 А
Число каналов управления — 1
Максимально допустимая скорость нарастания синфазной помехи dv/dt — до 30 кВ/мкс
Габариты платы: 33,5×37,6 мм
Доступен полный комплект конструкторской документации.

Заключение

Достоинством предлагаемого компанией Wolfspeed решения изолированного драйвера, предназначенного для оперативной оценки поведения силовых SiC МОП-транзисторов в разных режимах управления, являются DC/DC-преобразователи без стабилизации их выходного напряжения. Это позволяет легко и просто устанавливать необходимые уровни отпирающего и запирающего силовой транзистор напряжения относительно «земли». Уровень положительного напряжения устанавливается по входу VCC HIGH относительно контакта VCC HIGH RTN, а низкого (отрицательного) — по входу VCC LOW относительно контакта VCC LOW RTN. Процедура состоит в том, чтобы наблюдать выходной сигнал платы драйвера затвора с помощью осциллографа и регулировать уровни VCC HIGH и VCC LOW, пока желаемый результат не будет достигнут.

Использование предлагаемого компанией Wolfspeed универсального изолированного драйвера силовых SiC МОП-транзисторов позволит исследовать и отладить на прототипе их управление, что откроет возможности для разработки оптимального решения и сэкономит время и деньги при проектировании конечного продукта.

Авторы: Владимир Рентюк, Валерия Смирнова

Литература