Hướng dẫn thiết kế để sử dụng trình điều khiển cổng cách ly

Hướng dẫn thiết kế gồm ba phần giải thích cách lựa chọn trình điều khiển cổng cách ly phù hợp cho các thiết bị chuyển mạch nguồn trong các ứng dụng điện tử công suất và chia sẻ kinh nghiệm thực tế. Bài viết này là phần đầu tiên, chủ yếu bao gồm phần giới thiệu và hướng dẫn lựa chọn trình điều khiển cổng cách ly.

Địa chỉ tham khảo của bài viết này:

Các trình điều khiển cổng cách ly của ON Semiconductor được thiết kế để đáp ứng tốc độ chuyển mạch tối đa và các hạn chế về kích thước hệ thống theo yêu cầu của các công nghệ như SiC (silicon carbide) và GaN (gallium nitride) để cung cấp khả năng điều khiển đáng tin cậy cho MOSFET. Nhiều nhà thiết kế trong ngành điện tử công suất có nhiều kinh nghiệm làm việc với Si MOSFET, SiC và GaN MOSFET và là những người dùng chuyên nghiệp. Các nhà sản xuất hệ thống ngày càng quan tâm đến việc cải thiện hiệu quả năng lượng của các thiết kế của họ. Để đạt được vị trí dẫn đầu trên thị trường, sự kết hợp giữa hiệu quả năng lượng cao và chi phí thấp là rất quan trọng. Theo quan điểm của vật liệu bán dẫn, lĩnh vực này đã đạt được những tiến bộ đáng kể và hiện có những sản phẩm có khả năng chuyển mạch ở tốc độ cao, do đó tăng hiệu quả cấp hệ thống trong khi giảm kích thước.

Trình điều khiển cổng bị cô lập--Chúng là gì, tại sao lại được sử dụng và chúng hoạt động như thế nào?

MOSFET công suất là thiết bị điều khiển bằng điện áp được sử dụng làm thành phần chuyển mạch trong mạch điện, bộ truyền động động cơ và các hệ thống khác. Cổng là đầu cuối điều khiển được cách điện của mỗi thiết bị. Các đầu cuối khác của MOSFET là nguồn và máng.

Để vận hành MOSFET, điện áp thường cần được áp dụng cho cực cổng (khác với cực nguồn hoặc cực phát). Một trình điều khiển chuyên dụng được sử dụng để áp dụng điện áp cho cực cổng của thiết bị nguồn và cung cấp dòng điện điều khiển.

Trình điều khiển cổng được sử dụng để bật và tắt các thiết bị nguồn. Để thực hiện điều này, trình điều khiển cổng sạc cổng của thiết bị nguồn đến điện áp bật cuối cùng VGS(ON), hoặc mạch trình điều khiển xả cổng đến điện áp tắt cuối cùng VGS(OFF). Để chuyển đổi giữa hai mức điện áp cổng, một số điện năng được tiêu tán trong vòng lặp giữa trình điều khiển cổng, điện trở cổng và thiết bị nguồn.

Ngày nay, bộ biến tần tần số cao cho các ứng dụng công suất thấp và trung bình chủ yếu sử dụng các thiết bị điều khiển điện áp cổng như MOSFET.

Đối với các ứng dụng công suất cao, các thiết bị tốt nhất hiện đang được sử dụng là MOSFET silicon carbide (SiC), yêu cầu dòng điện truyền động cao hơn để bật/tắt nhanh các công tắc nguồn này. Trình điều khiển cổng không chỉ phù hợp với MOSFET mà còn phù hợp với các thiết bị mới trong khoảng cách băng thông rộng mà hiện tại chỉ một số ít người biết đến, chẳng hạn như FET silicon carbide (SiC) và FET gali nitride (GaN).

Bộ điều khiển cổng là bộ khuếch đại công suất tiếp nhận đầu vào từ IC điều khiển và tạo ra dòng điện cao thích hợp để điều khiển cổng của thiết bị chuyển mạch nguồn.

Sau đây là tóm tắt ngắn gọn về lý do nên sử dụng trình điều khiển cổng:

Trở kháng ổ cổng

Chức năng của trình điều khiển cổng là bật và tắt nhanh các thiết bị nguồn để giảm tổn thất. Để tránh tổn thất dẫn điện chéo do hiệu ứng Miller hoặc chuyển mạch chậm dưới một số tải nhất định, trình điều khiển phải thiết lập trạng thái tắt với trở kháng thấp hơn trạng thái bật trên bóng bán dẫn đối diện. Biên độ truyền động cổng âm đóng vai trò quan trọng trong việc giảm các tổn thất này.

Độ tự cảm của nguồn

Đây là độ tự cảm được chia sẻ bởi vòng lặp dòng điện của bộ điều khiển cổng và vòng lặp dòng điện đầu ra. Biên độ điện áp điều khiển cổng âm kết hợp với độ tự cảm dẫn nguồn có tác động trực tiếp đến tốc độ chuyển mạch của đầu ra khi có tải, đây là hiệu ứng suy giảm nguồn của độ tự cảm nguồn (độ tự cảm dẫn nguồn kết hợp dòng điện chuyển mạch đầu ra trở lại bộ điều khiển cổng, do đó làm chậm bộ điều khiển cổng).

Bộ điều khiển cổng áp dụng tín hiệu điện áp (VGS) giữa cổng (G) và nguồn (S) của MOSFET công suất trong khi cung cấp xung dòng điện cao, như thể hiện trong Hình 1.

·Cho phép sạc/xả nhanh CGS và CGD

·MOSFET nguồn bật/tắt nhanh

Hình 1. Đường dẫn dòng điện của ổ cổng

Tại sao phải dùng phương pháp cách điện Galvanic?

Các ứng dụng công suất cao đòi hỏi phải cách ly điện hóa để ngăn chặn các vòng lặp nối đất nguy hiểm bị kích hoạt, có thể gây ra tiếng ồn, khiến đất của hai mạch có điện thế khác nhau và do đó làm giảm sự an toàn của hệ thống. Dòng điện trong các hệ thống như vậy có thể gây tử vong cho con người, vì vậy phải đảm bảo mức độ an toàn cao nhất. Cách ly điện hoặc cách ly điện hóa đề cập đến trạng thái không có dòng điện DC nào lưu thông giữa hai điểm có điện thế khác nhau.

Chính xác hơn, ở trạng thái cách ly galvanic, không thể di chuyển các hạt mang điện từ điểm này sang điểm khác, nhưng năng lượng điện (hoặc tín hiệu) vẫn có thể được trao đổi thông qua các hiện tượng vật lý khác như cảm ứng điện từ, ghép điện dung hoặc ánh sáng. Điều kiện này tương đương với điện trở vô hạn giữa hai điểm; trên thực tế, điện trở lên đến khoảng 100 MΩ là đủ. Nếu hư hỏng chỉ giới hạn ở các thành phần điện tử, có thể không cần cách ly an toàn, nhưng nếu có hoạt động của con người ở phía điều khiển, thì cần cách ly galvanic giữa phía công suất cao và mạch điều khiển điện áp thấp. Nó bảo vệ chống lại mọi lỗi ở phía điện áp cao, vì ngay cả khi có hư hỏng hoặc hỏng hóc các thành phần, rào cản cách ly vẫn ngăn không cho điện đến người dùng. Các cơ quan quản lý và tổ chức chứng nhận an toàn bắt buộc phải cách ly để ngăn ngừa nguy cơ điện giật. Dưới đây là tóm tắt về lý do sử dụng và phương pháp cách ly galvanic trong nhiều ứng dụng điện.

·Ngăn ngừa và chịu được an toàn các đợt tăng điện áp cao có thể làm hỏng thiết bị hoặc gây nguy hiểm cho con người.

·Bảo vệ bộ điều khiển đắt tiền - hệ thống thông minh

·Chịu được sự chênh lệch điện thế lớn và vòng lặp tiếp đất phá hủy trong các mạch có năng lượng cao hoặc khoảng cách xa

·Giao tiếp đáng tin cậy với các thành phần phía cao trong hiệu suất cao điện áp cao

Giải pháp

Hình 2. Không cô lập và cô lập

Hướng dẫn lựa chọn trình điều khiển cổng biệt lập

Sau đây giải thích cách chọn trình điều khiển cổng bị cô lập. Ví dụ, đối với hệ thống có điện áp hoạt động thấp hơn, thiết bị chuyển mạch có thể được kết nối trực tiếp với bộ điều khiển miễn là điện áp chịu đựng của bộ điều khiển nằm trong phạm vi cho phép. Tuy nhiên, trình điều khiển cổng là một thành phần phổ biến trong hầu hết các bộ chuyển đổi nguồn. Vì mạch điều khiển hoạt động ở điện áp thấp nên bộ điều khiển không thể cung cấp đủ điện để đóng hoặc mở công tắc nguồn một cách nhanh chóng và an toàn. Do đó, tín hiệu của bộ điều khiển được gửi đến trình điều khiển cổng, có khả năng chịu được công suất cao hơn và có thể điều khiển cổng của MOSFET khi cần. Trong các ứng dụng công suất cao hoặc điện áp cao, các thành phần trong mạch phải chịu các dao động điện áp lớn và dòng điện cao. Nếu dòng điện rò rỉ từ MOSFET công suất đến mạch điều khiển, điện áp và dòng điện cao trong mạch chuyển đổi nguồn có thể dễ dàng làm cháy bóng bán dẫn, gây ra sự cố nghiêm trọng cho mạch điều khiển. Ngoài ra, các ứng dụng công suất cao phải có cách ly điện hóa giữa đầu vào và đầu ra để bảo vệ người dùng và các thiết bị khác.

Phạm vi điện áp ổ đĩa cổng

Điện áp hoạt động của bộ chuyển đổi phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của phần tử chuyển mạch (như Si MOSFET hoặc SiC MOSFET). Cần xác nhận rằng điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi không vượt quá giá trị tối đa của điện áp cổng của phần tử chuyển mạch.

Điện áp dương của trình điều khiển cổng phải đủ cao để đảm bảo rằng cổng được bật hoàn toàn. Cũng cần đảm bảo rằng điện áp truyền động không vượt quá điện áp cổng cực đại tuyệt đối. Si-MOSFET thường sử dụng điện áp truyền động là +12V, +15V thường được sử dụng để truyền động SiC và điện áp cổng cho GaN là +5V. Điện áp cổng 0-V có thể giữ tất cả các thiết bị ở trạng thái tắt. Nói chung, MOSFET không yêu cầu truyền động cổng phân cực âm, đôi khi được sử dụng cho MOSFET SiC và GaN. Trong các ứng dụng chuyển mạch, rất khuyến khích sử dụng truyền động cổng phân cực âm cho MOSFET SiC và GaN vì độ tự cảm ký sinh do bố trí PCB không lý tưởng trong quá trình chuyển mạch di/dt và dv/dt cao có thể gây ra tiếng chuông trong điện áp truyền động cổng-nguồn của bóng bán dẫn công suất. Sau đây là các điện áp truyền động cổng áp dụng cho từng thiết bị chuyển mạch.

Khả năng cô lập

Khả năng này được xác định bởi điện áp hoạt động của hệ thống. Điện áp hoạt động của hệ thống tỷ lệ thuận với khả năng cách ly. Một trong những thông số chính của trình điều khiển cổng cách ly là định mức điện áp cách ly của nó. Định mức cách ly được thiết kế để ngăn chặn các xung điện áp bất ngờ làm hỏng các mạch khác được kết nối với nguồn điện, do đó, việc có định mức cách ly chính xác là chìa khóa để bảo vệ người dùng khỏi các dòng điện có khả năng gây hại. Ngoài ra, định mức này bảo vệ các tín hiệu bên trong bộ chuyển đổi khỏi bị nhiễu hoặc các xung điện áp chế độ chung bất ngờ. Giá trị cách ly thường được biểu thị là lượng điện áp mà rào cản cách ly có thể chịu được. Trong hầu hết các bảng dữ liệu trình điều khiển cổng cách ly, điện áp cách ly được liệt kê dưới dạng các thông số như điện áp cách ly đỉnh lặp lại tối đa (VIORM), điện áp cách ly làm việc (VIOWM), điện áp cách ly thoáng qua tối đa (VIOTM), điện áp cách ly đột biến tối đa (VIOSM) và điện áp cách ly RMS (VISO). Điện áp hoạt động của hệ thống càng cao thì khả năng cách ly của bộ chuyển đổi càng cao.

Các trình điều khiển cổng cách ly của ON Semiconductor được thử nghiệm sản xuất trên máy kiểm tra MPS (model MSPS-20).

Điện dung cách ly

Điện dung cách ly là điện dung ký sinh giữa đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi. Từ công thức sau, chúng ta có thể thấy rằng điện dung cách ly tỷ lệ thuận với dòng rò rỉ.

Trong đó: Ileak: dòng rò, fS: tần số hoạt động, CISO: điện dung cách ly. VSYS: điện áp hoạt động của hệ thống

Tổn thất điện năng tỷ lệ thuận với dòng điện rò rỉ. Nếu hệ thống cần hoạt động ở tần số hoạt động cao và điện áp cao, chúng ta cần chú ý nhiều hơn đến kích thước của điện dung cách ly bộ biến đổi để tránh nhiệt độ tăng quá mức.

Miễn dịch tạm thời chế độ chung (CMTI)

Miễn nhiễm thoáng qua chế độ chung (CMTI) là một trong những đặc điểm chính liên quan đến trình điều khiển cổng bị cô lập, đặc biệt là khi hệ thống hoạt động ở tần số chuyển mạch cao. Điều này rất quan trọng vì các thoáng qua tốc độ thay đổi cao (tần số cao) có thể làm hỏng quá trình truyền dữ liệu qua rào cản cô lập. Điện dung qua rào cản cô lập (tức là giữa các mặt phẳng đất cô lập) cung cấp một đường dẫn cho các thoáng qua nhanh này vượt qua rào cản cô lập và làm hỏng dạng sóng đầu ra. Đơn vị của tham số đặc trưng này thường là kV/uS.

Nếu CMTI không đủ cao, nhiễu công suất cao có thể kết hợp qua trình điều khiển cổng bị cô lập, tạo ra một vòng lặp dòng điện và khiến điện tích xuất hiện tại cổng chuyển mạch. Điện tích này, nếu đủ lớn, có thể khiến trình điều khiển cổng hiểu sai tiếng ồn này là tín hiệu truyền động và sự bắn xuyên này có thể gây ra lỗi mạch nghiêm trọng.

Cân nhắc về khả năng truyền động hiện tại

Dòng điện cổng có thể được cung cấp/tiêu thụ trong thời gian ngắn càng cao thì thời gian chuyển mạch của bộ điều khiển cổng càng ngắn và tổn thất công suất chuyển mạch trong bóng bán dẫn được điều khiển càng thấp.

Dòng điện cực đại của nguồn và dòng điện cực tiểu (ISOURCE và ISINK) phải cao hơn dòng điện trung bình (IG, AV), như thể hiện trong Hình 3.

Hình 3. Định nghĩa khả năng truyền động hiện tại

Đối với mỗi định mức dòng điện của trình điều khiển, điện tích cổng tối đa gần đúng QG có thể được chuyển đổi trong thời gian hiển thị có thể được tính như sau: Định mức dòng điện của trình điều khiển cần thiết phụ thuộc vào lượng điện tích cổng QG phải được di chuyển trong thời gian chuyển đổi tSW−ON/OFF, vì dòng điện cổng trung bình trong quá trình chuyển đổi là IG.

Trong đó tSW,ON/OFF biểu thị tốc độ chuyển mạch MOSFET. Nếu không biết, hãy bắt đầu với 2% chu kỳ chuyển mạch tSW.

Dòng điện cực đại nguồn và dòng điện cực chìm của bộ điều khiển cổng có thể được tính toán bằng các công thức sau.

Trên (Nguồn hiện tại)

Khi tắt (dòng điện chìm)

Trong đó QG là điện tích cổng tại VGS=VCC, tSW, ON/OFF=thời gian bật/tắt, 1.5=hệ số xác định theo kinh nghiệm (bị ảnh hưởng bởi độ trễ thông qua giai đoạn đầu vào của trình điều khiển và các thành phần ký sinh)

Cân nhắc về điện trở cổng

Khi định cỡ điện trở cổng, điều quan trọng là phải xem xét giảm điện áp chuông do độ tự cảm và điện dung ký sinh gây ra. Tuy nhiên, điều này sẽ hạn chế khả năng dòng điện của đầu ra trình điều khiển cổng. Các giá trị khả năng dòng điện hạn chế do điện trở cổng bật và tắt có thể thu được bằng cách sử dụng các công thức sau.

Trong số đó: ISOOURCE: dòng điện nguồn đỉnh, ISINK: dòng điện chìm đỉnh, VOH: độ sụt điện áp đầu ra mức cao, VOL: độ sụt điện áp đầu ra mức thấp

Trình điều khiển cổng cách ly của ON Semiconductor

ON Semiconductor cung cấp nhiều loại trình điều khiển cổng cách ly dựa trên máy biến áp không lõi kết nối từ tính tích hợp, phù hợp với các ứng dụng có tốc độ chuyển mạch rất cao và có hạn chế về kích thước hệ thống, đồng thời có thể điều khiển đáng tin cậy Si MOSFET và SiC FET.

Chúng tôi cung cấp các sản phẩm cách ly chức năng và gia cố được chứng nhận theo UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 và CQC GB 4943.1. Các trình điều khiển cổng cách ly của chúng tôi bao gồm cả các sản phẩm được chứng nhận công nghiệp và ô tô.

Các trình điều khiển cổng biệt lập này tích hợp nhiều tính năng để chịu được mức CMTI cao, có nhiều tùy chọn UVLO và cung cấp độ trễ lan truyền nhanh (bao gồm cả độ trễ không khớp ngắn) và độ méo xung tối thiểu.

Đặc biệt, các sản phẩm mới sắp ra mắt của ON Semiconductor sẽ cung cấp một phương pháp đơn giản để tạo ra độ lệch âm trong vòng truyền động cực cổng, phù hợp để điều khiển SiC MOSFET. Độ lệch âm này hữu ích nếu bố cục PCB và/hoặc dây dẫn đóng gói tạo ra tiếng chuông cao trong bóng bán dẫn công suất Vg. Tiếng chuông điện áp cực cổng này thường xảy ra trong điều kiện chuyển mạch di/dt và dv/dt cao. Để giữ tiếng chuông dưới ngưỡng điện áp nhằm ngăn ngừa bật ngẫu nhiên, độ lệch âm thường được áp dụng cho bộ điều khiển cực cổng. Có nhiều tùy chọn khác nhau để tạo ra -2V, -3V, -4V và -5V để phù hợp với mọi cấu hình. Bộ điều khiển cực cổng bị cô lập của ON Semiconductor có nhiều tùy chọn đóng gói khác nhau, bao gồm các biến thể LGA và SOIC 8-chân đến 16-chân nhỏ.

Dưới đây là các tính năng chính, thông số kỹ thuật điện và chứng nhận liên quan đến an toàn của dòng sản phẩm trình điều khiển cổng cách ly của ON Semiconductor.

Bảng 1.

- Đang phát triển

- Tùy chọn, có sẵn theo yêu cầu

- Đã lên kế hoạch

Công cụ hỗ trợ trình điều khiển cổng bị cô lập

Tất cả các tài liệu liên quan đến trình điều khiển cổng cách điện đều có sẵn trên trang chủ của ON Semiconductor, bao gồm bảng dữ liệu, công cụ thiết kế và phát triển, mô hình mô phỏng, ghi chú ứng dụng, tài liệu về bảng đánh giá, báo cáo tuân thủ, v.v.

Các trình điều khiển liên quan chính bao gồm:

● NCP51560

● NCP51561 và NCV51561

● NCP51563 và NCV51563