إرشادات التصميم لاستخدام برامج تشغيل البوابة المعزولة

يشرح دليل التصميم المكون من ثلاثة أجزاء كيفية اختيار محرك البوابة المعزول المناسب لأجهزة تبديل الطاقة في تطبيقات إلكترونيات الطاقة ويشارك الخبرة العملية. هذه المقالة هي الجزء الأول، وتتضمن بشكل أساسي مقدمة ودليل اختيار محركات البوابة المعزولة.

عنوان المرجع لهذه المقالة:

تم تصميم محركات البوابة المعزولة من ON Semiconductor لتلبية الحد الأقصى لسرعة التبديل وقيود حجم النظام المطلوبة بواسطة تقنيات مثل SiC (كربيد السيليكون) وGaN (نتريد الغاليوم) لتوفير تحكم موثوق به في MOSFETs. يتمتع العديد من المصممين في صناعة الإلكترونيات القوية بخبرة واسعة في العمل مع MOSFETs Si وSiC وGaN MOSFETs وهم مستخدمون خبراء. يهتم مصنعو الأنظمة بشكل متزايد بتحسين كفاءة الطاقة في تصميماتهم. لتحقيق مكانة رائدة في السوق، يعد الجمع بين كفاءة الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة أمرًا بالغ الأهمية. من منظور مواد أشباه الموصلات، حقق المجال تقدمًا كبيرًا، وهناك الآن منتجات قادرة على التبديل بسرعات عالية، وبالتالي زيادة كفاءة مستوى النظام مع تقليل الحجم.

برامج تشغيل البوابة المعزولة--ما هي، ولماذا يتم استخدامها وكيف تعمل؟

تعد ترانزستورات MOSFET القوية أجهزة يتم التحكم في جهدها وتستخدم كعناصر تبديل في دوائر الطاقة ومحركات المحركات والأنظمة الأخرى. البوابة هي طرف التحكم المعزول كهربائيًا لكل جهاز. الأطراف الأخرى في ترانزستور MOSFET هي المصدر والمصرف.

لتشغيل MOSFET، يلزم عادةً تطبيق جهد على البوابة (على عكس المصدر أو الباعث). يتم استخدام محرك مخصص لتطبيق الجهد على بوابة جهاز الطاقة وتوفير تيار التشغيل.

تُستخدم محركات البوابة لتشغيل وإيقاف تشغيل أجهزة الطاقة. للقيام بذلك، يقوم محرك البوابة بشحن بوابة جهاز الطاقة إلى جهد التشغيل النهائي VGS(ON)، أو تقوم دائرة المحرك بتفريغ البوابة إلى جهد الإيقاف النهائي VGS(OFF). للتحويل بين مستويي جهد البوابة، يتم تبديد بعض الطاقة في الحلقة بين محرك البوابة، ومقاوم البوابة، وجهاز الطاقة.

اليوم، تستخدم المحولات عالية التردد للتطبيقات ذات القدرة المنخفضة والمتوسطة بشكل أساسي أجهزة التحكم في جهد البوابة مثل MOSFETs.

بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، فإن أفضل الأجهزة المستخدمة حاليًا هي ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC)، والتي تتطلب تيارات دفع أعلى لتشغيل/إيقاف مفاتيح الطاقة هذه بسرعة. لا تصلح محركات البوابة فقط لترانزستورات MOSFET، بل أيضًا للأجهزة الجديدة في فجوة النطاق العريض التي لا يعرفها سوى عدد قليل من الأشخاص حاليًا، مثل ترانزستورات FET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) وترانزستورات FET المصنوعة من نتريد الغاليوم (GaN).

محرك البوابة هو مكبر طاقة يتقبل الإدخال من IC وحدة تحكم ويولد تيارًا عاليًا مناسبًا لتشغيل بوابة جهاز تبديل الطاقة.

فيما يلي ملخص موجز لأسباب استخدام برامج تشغيل البوابة:

معاوقة محرك البوابة

تتمثل وظيفة محرك البوابة في تشغيل وإيقاف تشغيل أجهزة الطاقة بسرعة لتقليل الخسائر. لتجنب خسائر التوصيل المتبادل الناجمة عن تأثير ميللر أو التبديل البطيء تحت أحمال معينة، يجب على المحرك إنشاء حالة إيقاف التشغيل بممانعة أقل من حالة التشغيل على الترانزستور المعاكس. تلعب هامش محرك البوابة السالب دورًا مهمًا في تقليل هذه الخسائر.

محاثة المصدر

هذا هو المحاثة المشتركة بين حلقة تيار محرك البوابة وحلقة تيار الخرج. إن هامش جهد محرك البوابة السالب المقترن بمحاثة سلك المصدر له تأثير مباشر على سرعة تبديل الخرج تحت الحمل، وهو تأثير تدهور المصدر لمحاثة المصدر (يربط محاثة سلك المصدر تيار تبديل الخرج مرة أخرى بمحرك البوابة، وبالتالي إبطاء محرك البوابة).

يقوم محرك البوابة بتطبيق إشارة جهد (VGS) بين البوابة (G) والمصدر (S) لـ MOSFET الطاقة أثناء توصيل نبضة تيار عالية، كما هو موضح في الشكل 1.

·تمكين الشحن السريع/التفريغ لـ CGS وCGD

·تشغيل/إيقاف تشغيل MOSFET سريعًا

الشكل 1. مسار تيار محرك البوابة

لماذا العزل الجلفاني؟

تتطلب التطبيقات عالية الطاقة عزلًا جلفانيًا لمنع حدوث حلقات أرضية خطيرة، مما قد يتسبب في حدوث ضوضاء، مما يتسبب في وجود أرضيات الدائرتين عند إمكانات مختلفة وبالتالي تعريض سلامة النظام للخطر. يمكن أن تكون التيارات في مثل هذه الأنظمة قاتلة للبشر، لذلك يجب ضمان أعلى مستوى من السلامة. يشير العزل الكهربائي أو الجلفاني إلى الحالة التي لا يدور فيها تيار مستمر بين نقطتين عند إمكانات مختلفة.

وبشكل أكثر دقة، في حالة العزل الجلفاني، من المستحيل نقل الناقلات من نقطة إلى أخرى، ولكن لا يزال من الممكن تبادل الطاقة الكهربائية (أو الإشارات) من خلال ظواهر فيزيائية أخرى مثل الحث الكهرومغناطيسي، أو الاقتران السعوي، أو الضوء. هذه الحالة تعادل مقاومة لا نهائية بين النقطتين؛ في الممارسة العملية، تكون المقاومات التي تصل إلى حوالي 100 MΩ كافية. إذا كان الضرر يقتصر على المكونات الإلكترونية، فقد لا يكون العزل الآمن ضروريًا، ولكن إذا كان هناك نشاط بشري في جانب التحكم، فإن العزل الجلفاني مطلوب بين جانب الطاقة العالية ودائرة التحكم ذات الجهد المنخفض. إنه يحمي من أي أعطال في جانب الجهد العالي، لأنه حتى في حالة حدوث تلف أو فشل في المكونات، فإن حاجز العزل يمنع الطاقة من الوصول إلى المستخدم. العزل إلزامي من قبل الهيئات التنظيمية وهيئات إصدار شهادات السلامة لمنع خطر الصدمة الكهربائية. فيما يلي ملخص لأسباب استخدام وطرق العزل الجلفاني في العديد من تطبيقات الطاقة.

·منع وتحمل ارتفاعات الجهد الكهربائي بشكل آمن والتي قد تؤدي إلى إتلاف المعدات أو تعريض البشر للخطر.

·حماية وحدات التحكم باهظة الثمن - الأنظمة الذكية

·التسامح مع فروق الجهد الكبيرة وحلقات الأرض المدمرة في الدوائر ذات الطاقة العالية أو الفواصل الطويلة

·التواصل بشكل موثوق مع المكونات ذات الجانب العالي في الجهد العالي والأداء العالي

الحلول

الشكل 2. غير المعزولة والمعزولة

دليل اختيار سائق البوابة المعزولة

فيما يلي شرح لكيفية اختيار محرك بوابة معزول. على سبيل المثال، بالنسبة لنظام بجهد تشغيل أقل، يمكن توصيل جهاز التبديل مباشرة بوحدة التحكم طالما أن جهد تحمل وحدة التحكم ضمن النطاق المسموح به. ومع ذلك، فإن محرك البوابة هو مكون شائع في معظم محولات الطاقة. نظرًا لأن دائرة التحكم تعمل بجهد منخفض، فلا يمكن لوحدة التحكم توفير طاقة كافية لفتح أو إغلاق مفتاح الطاقة بسرعة وأمان. لذلك، يتم إرسال إشارة وحدة التحكم إلى محرك البوابة، والذي يكون قادرًا على تحمل طاقة أعلى ويمكنه تشغيل بوابة MOSFET حسب الحاجة. في التطبيقات عالية الطاقة أو عالية الجهد، تتعرض المكونات في الدائرة لانحرافات كبيرة في الجهد والتيارات العالية. إذا تسرب التيار من MOSFET الطاقة إلى دائرة التحكم، يمكن للجهد العالي والتيار في دائرة تحويل الطاقة أن يحرقا الترانزستور بسهولة، مما يتسبب في انهيار خطير لدائرة التحكم. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تحتوي التطبيقات عالية الطاقة على عزل جلفاني بين المدخل والمخرج لحماية المستخدمين والأجهزة الأخرى.

نطاق جهد محرك البوابة

يعتمد جهد التشغيل للمحول على مواصفات عنصر التبديل (مثل Si MOSFET أو SiC MOSFET). يجب التأكد من أن جهد خرج المحول لا يتجاوز القيمة القصوى لجهد البوابة لعنصر التبديل.

يجب أن يكون الجهد الموجب لمحرك البوابة مرتفعًا بدرجة كافية لضمان تشغيل البوابة بالكامل. من الضروري أيضًا التأكد من أن جهد القيادة لا يتجاوز الحد الأقصى المطلق لجهد البوابة. تستخدم Si-MOSFETs عادةً جهد قيادة يبلغ +12 فولت، ويُستخدم +15 فولت بشكل شائع لتشغيل SiC، وجهد البوابة لـ GaN هو +5 فولت. يمكن لجهد البوابة 0- فولت إبقاء جميع الأجهزة في حالة إيقاف التشغيل. بشكل عام، لا تتطلب MOSFETs محرك بوابة تحيز سلبي، والذي يستخدم أحيانًا لـ SiC وGaN MOSFETs. في تطبيقات التبديل، يوصى بشدة باستخدام محرك بوابة تحيز سلبي لـ SiC وGaN MOSFETs لأن المحاثة الطفيلية التي يتم إدخالها بواسطة تخطيط PCB غير المثالي أثناء التبديل العالي di/dt وdv/dt يمكن أن تسبب رنينًا في جهد محرك البوابة-المصدر للترانزستور الكهربائي. فيما يلي جهدات محرك البوابة القابلة للتطبيق لكل جهاز تبديل.

القدرة على العزل

يتم تحديد هذه القدرة من خلال جهد التشغيل للنظام. يتناسب جهد تشغيل النظام بشكل مباشر مع قدرة العزل. أحد المعلمات الرئيسية لمحرك البوابة المعزولة هو تصنيف جهد العزل الخاص به. تم تصميم تصنيف العزل لمنع التغيرات غير المتوقعة في الجهد من إتلاف الدوائر الأخرى المتصلة بمصدر الطاقة، لذا فإن الحصول على تصنيف العزل الصحيح هو مفتاح لحماية المستخدم من تفريغ التيار الضار المحتمل. بالإضافة إلى ذلك، يحمي هذا التصنيف الإشارات داخل المحول من التشويش بسبب الضوضاء أو التغيرات غير المتوقعة في الجهد في الوضع المشترك. عادة ما يتم التعبير عن قيمة العزل على أنها مقدار الجهد الذي يمكن أن يتحمله حاجز العزل. في معظم أوراق بيانات محرك البوابة المعزولة، يتم سرد جهد العزل كمعلمات مثل أقصى جهد عزل الذروة المتكررة (VIORM) وجهد عزل العمل (VIOWM) وأقصى جهد عزل التقلبات (VIOTM) وأقصى جهد عزل الارتفاع المفاجئ (VIOSM) وجهد عزل RMS (VISO). كلما زاد جهد تشغيل النظام، زادت الحاجة إلى قدرة عزل المحول.

يتم اختبار محركات البوابة المعزولة الخاصة بشركة ON Semiconductor على جهاز اختبار MPS (طراز MSPS-20).

سعة العزل

سعة العزل هي السعة الطفيلية بين جانبي الإدخال والإخراج للمحول. ومن الصيغة التالية، يمكننا أن نرى أن سعة العزل تتناسب طرديًا مع تيار التسرب.

ومنها: Ileak: تيار التسرب، fS: تردد التشغيل، CISO: سعة العزل، VSYS: جهد تشغيل النظام

إن فقدان الطاقة يتناسب طرديًا مع تيار التسرب. إذا كان النظام يحتاج إلى التشغيل بتردد تشغيل مرتفع وجهد عالي، فيجب علينا إيلاء المزيد من الاهتمام لحجم سعة عزل المحول لتجنب ارتفاع درجة الحرارة المفرط.

المناعة العابرة ذات الوضع المشترك (CMTI)

تُعد مناعة التداخلات العابرة للوضع المشترك (CMTI) واحدة من الخصائص الرئيسية المرتبطة بمحركات البوابة المعزولة، وخاصةً عندما يعمل النظام بترددات تبديل عالية. وهذا مهم لأن التداخلات العابرة ذات معدل الانحراف العالي (التردد العالي) يمكن أن تفسد نقل البيانات عبر حاجز العزل. توفر السعة عبر حاجز العزل (أي بين مستويات أرضية العزل) مسارًا لهذه التداخلات العابرة السريعة لعبور حاجز العزل وإفساد شكل الموجة الناتج. وحدة هذه المعلمة المميزة هي عادةً كيلو فولت/ميكروثانية.

إذا لم يكن CMTI مرتفعًا بدرجة كافية، فقد تتداخل الضوضاء عالية الطاقة عبر محرك البوابة المعزول، مما يؤدي إلى إنشاء حلقة تيار وتسبب ظهور شحنة عند بوابة التبديل. يمكن أن تتسبب هذه الشحنة، إذا كانت كبيرة بدرجة كافية، في تفسير محرك البوابة لهذه الضوضاء بشكل خاطئ على أنها إشارة تشغيل، وقد يؤدي هذا التسرب إلى حدوث فشل خطير في الدائرة.

اعتبارات حول قدرة القيادة الحالية

كلما زاد تيار البوابة الذي يمكن الحصول عليه/إغراقه في فترة زمنية قصيرة، كلما كان وقت تبديل محرك البوابة أقصر وانخفض فقدان طاقة التبديل في الترانزستور المحرك.

يجب أن تكون تيارات الذروة المصدر والمصرف (ISOURCE وISINK) أعلى من التيارات المتوسطة (IG، AV)، كما هو موضح في الشكل 3.

الشكل 3. تعريف قدرة الدفع الحالية

بالنسبة لكل تصنيف تيار السائق، يمكن حساب الحد الأقصى التقريبي لشحنة البوابة QG التي يمكن تبديلها في الوقت الموضح على النحو التالي: يعتمد تصنيف تيار السائق المطلوب على مقدار شحنة البوابة QG التي يجب تحريكها في مقدار وقت التبديل tSW−ON/OFF، حيث أن متوسط ​​تيار البوابة أثناء التبديل هو IG.

حيث يمثل tSW,ON/OFF مدى السرعة التي يجب أن يتم بها تبديل MOSFET. إذا لم يكن معروفًا، فابدأ بـ 2% من فترة التبديل tSW.

يمكن حساب ذروة التيارات المصدرية والمصرفية التقريبية لمحرك البوابة باستخدام الصيغ التالية.

على (المصدر الحالي)

عند إيقاف التشغيل (التيار الغارق)

حيث QG هي شحنة البوابة عند VGS=VCC، tSW، وقت تشغيل/إيقاف تشغيل المفتاح =، 1.5=عامل محدد تجريبيًا (يتأثر بالتأخيرات خلال مرحلة إدخال المحرك والمكونات الطفيلية)

اعتبارات حول مقاومة البوابة

عند تحديد حجم مقاومة البوابة، من المهم مراعاة تقليل جهد الرنين الناتج عن المحاثة الطفيلية والسعة. ومع ذلك، فإن هذا سيحد من قدرة التيار لمخرجات محرك البوابة. يمكن الحصول على قيم قدرة التيار المحدودة بسبب مقاومات تشغيل وإيقاف تشغيل البوابة باستخدام الصيغ التالية.

ومن بينها: ISOOURCE: ذروة تيار المصدر، ISINK: ذروة تيار الحوض، VOH: انخفاض جهد الخرج عالي المستوى، VOL: انخفاض جهد الخرج منخفض المستوى

محركات البوابة المعزولة من شركة ON Semiconductor

تقدم ON Semiconductor مجموعة متنوعة من محركات البوابة المعزولة القائمة على المحولات عديمة النواة المقترنة مغناطيسيًا المتكاملة، وهي مناسبة للتطبيقات التي تكون فيها سرعات التبديل عالية جدًا وتوجد قيود على حجم النظام، ويمكنها التحكم بشكل موثوق في Si MOSFETs و SiC FETs.

نحن نقدم منتجات عزل وظيفية ومعززة معتمدة وفقًا لمعايير UL 1577 وSGS FIMKO IEC 62368-1 وCQC GB 4943.1. تتضمن برامج تشغيل البوابات المعزولة لدينا منتجات معتمدة للاستخدام الصناعي والسيارات.

تدمج برامج تشغيل البوابة المعزولة هذه مجموعة متنوعة من الميزات لتحمل مستويات CMTI العالية، وتحتوي على خيارات UVLO متعددة، وتوفر تأخيرات انتشار سريعة (بما في ذلك عدم تطابق التأخير القصير) وتشويه عرض النبضة الأدنى.

على وجه الخصوص، ستوفر المنتجات الجديدة القادمة من ON Semiconductor طريقة بسيطة لتوليد تحيز سلبي في حلقة محرك البوابة، وهي مناسبة لتشغيل MOSFETs SiC. يكون هذا التحيز السلبي مفيدًا إذا كان تخطيط PCB و/أو توصيلات الحزمة يخلقان رنينًا عاليًا في الترانزستور الكهربائي Vg. يحدث رنين جهد البوابة هذا عادةً في ظل ظروف تبديل di/dt وdv/dt عالية. للحفاظ على الرنين أقل من جهد العتبة لمنع التشغيل الزائف، يتم عادةً تطبيق تحيز سلبي على محرك البوابة. تتوفر خيارات مختلفة لتوليد -2 فولت و-3 فولت و-4 فولت و-5 فولت لتناسب جميع التكوينات. تتوفر محركات البوابة المعزولة من ON Semiconductor في مجموعة متنوعة من خيارات الحزمة، بما في ذلك متغيرات LGA الصغيرة وSOIC 8- دبوس إلى 16- دبوس.

فيما يلي الميزات الرئيسية والمواصفات الكهربائية وشهادات السلامة المتعلقة بعائلة محركات البوابة المعزولة من ON Semiconductor.

الجدول 1.

- تحت التطوير

- اختياري، متاح عند الطلب

- مخطط

أدوات دعم سائق البوابة المعزولة

تتوفر جميع المستندات ذات الصلة بمحركات البوابة المعزولة الجلفانية على الصفحة الرئيسية لشركة ON Semiconductor، بما في ذلك أوراق البيانات، وأدوات التصميم والتطوير، ونماذج المحاكاة، وملاحظات التطبيق، ووثائق لوحة التقييم، وتقارير الامتثال، وما إلى ذلك.

تشمل العوامل المحركة الرئيسية ذات الصلة ما يلي:

● NCP51560

● NCP51561 وNCV51561

● NCP51563 وNCV51563