วิธีการเลือกและเริ่มต้นใช้งานไดร์เวอร์อุปกรณ์กำลังไฟฟ้า

อุปกรณ์สวิตชิ่งเพาเวอร์แบบไม่ต่อเนื่องทุกตัวจำเป็นต้องมีไดรเวอร์ ไม่ว่าอุปกรณ์นั้นจะเป็นทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าที่ใช้ออกไซด์โลหะ (มอสเฟต, MOSFET) แบบซิลิกอนไม่ต่อเนื่อง , มอสเฟตซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกทหุ้มฉนวน (IGBT) หรือโมดูล ไดรเวอร์เป็นส่วนประกอบอินเทอร์เฟซหรือ "สะพานเชื่อม" ระหว่างเอาต์พุตแรงดันและกระแสต่ำของโปรเซสเซอร์ระบบที่ทำงานในสถานการณ์ที่มีการควบคุมและไม่เป็นพิษเป็นภัยและในสถานการณ์ที่ยากลำบากของอุปกรณ์สวิตชิ่งโดยมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับกระแส แรงดันไฟฟ้า และจังหวะเวลา

เนื่องจากความแปลกประหลาดของอุปกรณ์จ่ายไฟและโหลดแฝงที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในวงจรและเลย์เอาท์ การเลือกไดรเวอร์ที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์สวิตชิ่งถือเป็นเรื่องท้าทายสำหรับนักออกแบบ ซึ่งจะต้องมีการพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับพารามิเตอร์ของประเภทสวิตช์ (ซิลิคอน (Si) หรือซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)) และการใช้งาน ผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลังมักจะแนะนำและนำเสนอไดรเวอร์ที่เหมาะสม แต่ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับไดรเวอร์บางอย่างต้องได้รับการปรับให้เหมาะกับการใช้งานโดยเฉพาะ

แม้ว่าจะมีขั้นตอนพื้นฐานทางตรรกะที่ส่วนใหญ่ต้องปฏิบัติตาม การตั้งค่าบางอย่าง เช่น ค่าของตัวต้านทานเกตไดรฟ์ ถูกกำหนดโดยการวิเคราะห์ซ้ำ และต้องได้รับการตรวจสอบโดยการทดสอบและการประเมินผลภาคปฏิบัติด้วย ขั้นตอนเหล่านี้สามารถเพิ่มกระบวนการที่ซับซ้อนอยู่แล้วและทำให้การออกแบบช้าลงโดยไม่มีคำแนะนำที่ชัดเจน

บทความนี้จะอธิบายบทบาทของโปรแกรมควบคุมเกตโดยย่อ จากนั้นจะให้คำแนะนำในการเลือกไดรเวอร์และขั้นตอนที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าเข้ากันได้กับอุปกรณ์สวิตช์ไฟฟ้ากำลังที่เลือก และแนะนำตัวอย่างอุปกรณ์ที่มีกำลังต่ำและสูงจาก Infineon Technologies AG เพื่อแสดงประเด็นสำคัญ พร้อมด้วยบอร์ดประเมินผลและชุดอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง

บทบาทของเกตไดร์ฟเวอร์

กล่าวอย่างง่ายที่สุด เกตไดรเวอร์คือตัวขยายกำลังที่รับอินพุตระดับต่ำและพลังงานต่ำจากไอซีคอนโทรลเลอร์ (โดยปกติคือโปรเซสเซอร์) และสร้างเกตไดรฟ์กระแสสูงที่เหมาะสมที่แรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นเพื่อเปิดและปิดอุปกรณ์ไฟฟ้า เบื้องหลังคำจำกัดความที่เรียบง่ายนั้นคือโลกที่ซับซ้อนของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า อัตราสลูว์ โหลดแฝง ภาวะชั่วขณะ และการป้องกัน รวมถึงประเด็นอื่นๆ ไดร์ฟเวอร์จะต้องตรงกับความต้องการของระบบและขับเคลื่อนสวิตช์ไฟอย่างคมชัด โดยไม่มีค่าพุ่งสูงหรือเสียงก้อง แม้ว่าโหลดแฝงและภาวะชั่วขณะจะมีความท้าทายมากขึ้นเมื่อความเร็วในการสลับเพิ่มขึ้น

สามารถใช้ไดรเวอร์ในการรูปแบบที่แตกต่างกัน ไดรเวอร์ที่พบบ่อยที่สุดคือไดรเวอร์ด้านต่ำเดี่ยว ไดรเวอร์ด้านสูงเดี่ยว และไดรเวอร์ด้านสูง/ต่ำคู่

ในกรณีแรก อุปกรณ์กำลังไฟฟ้า (สวิตช์) จะเชื่อมต่อระหว่างโหลดและกราวด์ ในขณะที่โหลดอยู่ระหว่างรางจ่ายไฟและสวิตช์ (รูปที่ 1) (โปรดทราบว่ากราวด์นี้ควรถูกเรียกอย่างถูกต้องว่า "คอมมอน" เนื่องจากไม่มีกราวด์จริง แต่เป็นจุดวงจรทั่วไปที่กำหนดจุดอ้างอิง 0 โวลต์)

รูปที่ 1: ในรูปแบบด้านต่ำ ไดรเวอร์และสวิตช์จะอยู่ระหว่างโหลดและกราวด์/คอมมอนของวงจร (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

ในการจัดเรียงด้านสูง สวิตช์จะเชื่อมต่อโดยตรงกับรางไฟฟ้า ในขณะที่โหลดอยู่ระหว่างสวิตช์และกราวด์/คอมมอน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: รูปแบบด้านสูงจะกลับตำแหน่งของสวิตช์โดยสัมพันธ์กับโหลดและรางส่งกำลัง (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

โทโพโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายอีกประการหนึ่งคือการจับคู่ด้านสูง/ด้านต่ำที่ใช้ในการขับเคลื่อนสวิตช์สองตัวที่เชื่อมต่อกันในการจัดเรียงบริดจ์ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ในการจับคู่ด้านสูง/ด้านต่ำที่รวมกัน สวิตช์สองตัวจะถูกขับเคลื่อนสลับกัน โดยมีโหลดอยู่ระหว่างสวิตช์ทั้งสอง (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

แล้วการแยกล่ะ?

การจัดเรียงสูง/ต่ำจำเป็นต้องเพิ่มฟังก์ชันวงจรสองตัว ดังแสดงในรูปที่ 4:

รูปที่ 4: การจัดเรียงด้านสูง/ด้านต่ำยังต้องใช้แหล่งจ่ายไฟแบบลอยสำหรับด้านสูงและตัวเปลี่ยนระดับสำหรับสัญญาณควบคุม (แหล่งที่มาภาพ: กลุ่ม Talema)

ไดรเวอร์ด้านบน (ด้านสูง) และอุปกรณ์สวิตชิ่ง "ลอย" โดยไม่มีกราวด์อ้างอิง นำไปสู่ข้อกำหนดอื่นในการจัดการไดรเวอร์เกต/สวิตช์ไฟ: ความจำเป็นในการแยกกัลวานิก (โอห์มมิก) ระหว่างฟังก์ชันไดรเวอร์และสวิตช์ขับเคลื่อน

การแยกออกจากกันหมายความว่าไม่มีเส้นทางไฟฟ้าสำหรับการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างทั้งสองด้านของแผงกั้นแยก แต่ข้อมูลสัญญาณจะต้องยังคงผ่านไปได้ การแยกนี้สามารถทำได้โดยใช้ออปโตคัปเปลอร์ หม้อแปลง หรือตัวเก็บประจุ

การแยกทางไฟฟ้าระหว่างวงจรการทำงานต่างๆ ในระบบจะป้องกันเส้นทางการนำไฟฟ้าโดยตรงระหว่างวงจรเหล่านั้น ทำให้แต่ละวงจรมีศักย์กราวด์ที่แตกต่างกัน แผงกั้นจะต้องทนต่อแรงดันไฟฟ้ารางสูงสุด (บวกระยะปลอดภัย) ซึ่งสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่สิบถึงหลายพันโวลต์ จากการออกแบบแล้ว ตัวแยกส่วนใหญ่มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดจำนวนหลายพันโวลต์ขึ้นไปได้อย่างง่ายดาย

แม้ว่าตัวขับเกตด้านข้างสูงอาจต้องมีการแยกส่วนเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานถูกต้องนั้นขึ้นอยู่กับโทโพโลยีเฉพาะ วงจรเกตไดรฟ์สำหรับอินเวอร์เตอร์กำลังและตัวแปลงมักจะต้องมีการแยกทางไฟฟ้าเพื่อความปลอดภัยที่ไม่เกี่ยวข้องกับสถานะ "กราวด์" โดยการแยกส่วนได้รับคำสั่งจากหน่วยงานออกใบรับรองด้านกฎระเบียบและความปลอดภัย เพื่อป้องกันอันตรายจากไฟฟ้าช็อต โดยทำให้แน่ใจว่าไฟฟ้าแรงสูงจะไม่สามารถเข้าถึงผู้ใช้ได้ นอกจากนี้ยังปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แรงดันต่ำจากความเสียหายใดๆ อันเนื่องมาจากความผิดพลาดของวงจรไฟฟ้าแรงสูงและข้อผิดพลาดของมนุษย์ที่ฝั่งควบคุม

การกำหนดค่าอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายอย่างต้องใช้วงจรเกตไดรฟ์แบบแยกส่วน ตัวอย่างเช่น มีสวิตช์สูงและสวิตช์ต่ำในโทโพโลยีตัวแปลงกำลัง เช่น ฮาล์ฟบริดจ์ ฟูลบริดจ์ บั๊ก ฟอร์เวิร์ดสองสวิตช์ และฟอร์เวิร์ดแคลมป์แบบแอคทีฟ เนื่องจากไดรเวอร์ด้านต่ำไม่สามารถใช้ขับเคลื่อนอุปกรณ์กำลังด้านบนได้โดยตรง

อุปกรณ์กำลังด้านสูงจำเป็นต้องมีตัวขับเกตแบบแยกและสัญญาณ "ลอย" เนื่องจากไม่มีการเชื่อมต่อกับศักย์ไฟฟ้ากราว์น ซึ่งทำให้เกิดการลัดวงจรไดรเวอร์เสริมและสวิตช์ไฟฟ้ากำลัง จากข้อกำหนดนี้ และด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ทำให้มีไดรเวอร์เกตที่รวมการแยกไว้ด้วย ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีอุปกรณ์แยกแยกกัน ในทางกลับกัน ช่วยลดความซับซ้อนของรูปแบบไฟฟ้าแรงสูงในขณะที่ปฏิบัติตามข้อบังคับด้านกฎระเบียบได้ง่ายขึ้น

การปรับความสัมพันธ์ระหว่างอุปกรณ์สวิตช์ไดรเวอร์และสวิตช์อย่างละเอียด

ไอซีตัวขับเกตจำเป็นต้องรองรับความเร็วในการสวิตช์ที่สูงของมอสเฟต SiC ซึ่งสามารถให้อัตราการสลูว์ที่ 50 กิโลโวลต์ต่อไมโครวินาที (kV/µs) หรือมากกว่า และสามารถเปลี่ยนได้เร็วกว่า 100 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) อุปกรณ์ Si ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าทั่วไป 12 โวลต์เพื่อเปิด และใช้ 0 โวลต์เพื่อปิด

มอสเฟต SiC มักจะต้องใช้ไฟ +15 ถึง +20 โวลต์เพื่อเปิด และ -5 ถึง 0 โวลต์เพื่อปิด ซึ่งต่างจากอุปกรณ์ Si ดังนั้นอาจต้องใช้ไอซีไดรเวอร์ที่มีอินพุตคู่ หนึ่งอินพุตสำหรับแรงดันไฟเปิด และอีกหนึ่งสำหรับแรงดันไฟปิด มอสเฟต SiC มีความต้านทานสถานะออนต่ำเฉพาะเมื่อขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าเกต 18 ถึง 20 โวลต์ที่แนะนำ (V_gs) ซึ่งสูงกว่าค่า 10 ถึง 15 โวลต์ของ V_gs อย่างมีนัยสำคัญจำเป็นในการขับเคลื่อนมอสเฟต Si หรือ IGBT

ความแตกต่างอีกประการระหว่าง Si และ SiC ก็คือประจุฟื้นตัวกลับ (Q_rr) ของไดโอดตัวภายในแบบ "หมุนอิสระ" ของอุปกรณ์ SiC ค่อนข้างต่ำ ซึ่งต้องการไดรฟ์เกตกระแสสูงเพื่อจ่ายประจุเกต (Q_g) สูงสุดอย่างรวดเร็ว

การสร้างความสัมพันธ์ที่เหมาะสมระหว่างไดรเวอร์เกตและเกตอุปกรณ์สวิตชิ่งถือเป็นสิ่งสำคัญ ขั้นตอนสำคัญประการหนึ่งที่นี่คือการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดของตัวต้านทานเกตภายนอก ซึ่งแสดงเป็น R_G,ext ระหว่างไดรเวอร์และอุปกรณ์สวิตช์ (รูปที่ 5) นอกจากนี้ยังมีความต้านทานเกตภายในภายในอุปกรณ์จ่ายไฟซึ่งกำหนดให้เป็น R_G,int ซึ่งต่ออนุกรมกับตัวต้านทานภายนอก แต่ผู้ใช้ไม่สามารถควบคุมค่านี้ได้ แม้ว่าจะยังมีความสำคัญอยู่ก็ตาม

รูปที่ 5: จำเป็นต้องกำหนดค่าที่เหมาะสมสำหรับตัวต้านทานเกตภายนอกระหว่างไดรเวอร์และอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของทั้งคู่ (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

การกำหนดค่าตัวต้านทานนี้เป็นกระบวนการสี่ขั้นตอนที่มักจะเกี่ยวข้องกับการวนซ้ำ เนื่องจากลักษณะบางอย่างของประสิทธิภาพของทั้งคู่ต้องได้รับการประเมิน "บนแท่นทดสอบ" หลังจากการวิเคราะห์และการสร้างแบบจำลอง โดยสรุป ขั้นตอนทั่วไปคือ:

ขั้นตอนที่ 1 : กำหนดกระแสสูงสุด (I_g) ขึ้นอยู่กับค่าในเอกสารข้อมูลและเลือกไดรเวอร์เกตที่เหมาะสม

ขั้นตอนที่ 2 : คำนวณค่าของตัวต้านทานเกตภายนอก (R_G,ext) ขึ้นอยู่กับการสวิงแรงดันเกตของการใช้งาน

ขั้นตอนที่ 3 : คำนวณการกระจายพลังงานที่คาด (P_D) ของ IC ตัวขับเกตและตัวต้านทานเกตภายนอก

ขั้นตอนที่ 4: ตรวจสอบการคำนวณที่แท่นทดสอบเพื่อดูว่าไดรเวอร์มีพลังเพียงพอที่จะขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์หรือไม่ และการกระจายพลังงานอยู่ภายในขีดจำกัดที่อนุญาตหรือไม่:

1. ตรวจสอบว่าไม่มีเหตุการณ์การเปิดใช้งานแฝงที่ถูกกระตุ้นโดยภาวะชั่วคราว dv/dt ภายใต้เงื่อนไขกรณีที่เลวร้ายที่สุด
2. วัดอุณหภูมิของไอซีเกตไดร์ฟเวอร์ระหว่างการทำงานในสภาวะคงที่
3. คำนวณกำลังไฟฟ้าสูงสุดของตัวต้านทานและตรวจสอบเทียบกับพิกัดพัลส์เดี่ยว

การวัดเหล่านี้จะยืนยันได้ว่าสมมติฐานและการคำนวณส่งผลให้เกิดพฤติกรรมการสวิชต์อย่างปลอดภัย (ไม่มีการแกว่ง และจังหวะเวลาที่เหมาะสม) ของมอสเฟต SiC หรือไม่ ถ้าไม่เช่นนั้น ผู้ออกแบบจะต้องทำซ้ำขั้นตอนที่ 1 ถึง 4 ด้วยค่าที่ปรับแล้วสำหรับตัวต้านทานเกตภายนอก

เช่นเดียวกับการตัดสินใจทางวิศวกรรมเกือบทั้งหมด การเลือกค่าส่วนประกอบย่อมต้องแลกมาด้วยปัจจัยด้านประสิทธิภาพหลายประการ ตัวอย่างเช่น หากมีการแกว่ง การเปลี่ยนค่าของตัวต้านทานเกตอาจกำจัดสิ่งเหล่านั้นได้ การเพิ่มค่าจะลดอัตราการสลูว์ของ dv/dt เนื่องจากความเร็วของทรานซิสเตอร์จะช้าลง ค่าตัวต้านทานที่ต่ำกว่าจะนำไปสู่การสวิชต์อุปกรณ์ SiC เร็วขึ้น ส่งผลให้ค่าชั่วคราวของ dv/dt สูงขึ้น

ผลกระทบที่กว้างขึ้นของการเพิ่มหรือลดค่าของตัวต้านทานเกตภายนอกต่อการพิจารณาประสิทธิภาพของตัวขับเกตที่สำคัญจะแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6: การเพิ่มหรือลดค่าของตัวต้านทานเกตภายนอกส่งผลต่อคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพหลายประการ ดังนั้นนักออกแบบจึงต้องประเมินข้อดีข้อเสีย (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

ไม่จำเป็นต้องมีการแลกเปลี่ยน

แม้ว่าการแลกเปลี่ยนจะเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบระบบ แต่ส่วนประกอบที่เหมาะสมสามารถลดการแลกเปลี่ยนนั้นได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น ไอซีเกตไดรเวอร์ EiceDRIVER ของ Infineon ให้ประสิทธิภาพพลังงานสูง การป้องกันเสียงรบกวน และความทนทาน นอกจากนี้ยังใช้งานง่ายด้วยคุณสมบัติต่างๆ เช่น การป้องกันการลัดวงจรที่รวดเร็ว การตรวจจับและการป้องกันข้อบกพร่อง Desaturation (DESAT), แคลมป์มิลเลอร์แบบแอคทีฟ, การควบคุมอัตราการสลูว์, การป้องกันการยิงทะลุ, ข้อบกพร่อง, การปิดระบบ และการป้องกันกระแสเกิน และรูปแบบดิจิตอล I²C

ไดรเวอร์นี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับทั้งอุปกรณ์ซิลิคอนและอุปกรณ์จ่ายไฟแบบแถบความถี่กว้าง มีตั้งแต่ไดรเวอร์ด้านต่ำที่มีกำลังต่ำ แรงดันต่ำ แบบไม่แยกส่วน ไปจนถึงอุปกรณ์แยกกิโลโวลต์/กิโลวัตต์ (kV/kW) นอกจากนี้ยังมีไดรเวอร์แบบคู่และหลายช่องให้เลือกด้วย ซึ่งเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับบางสถานการณ์

เกตไดร์ฟเวอร์ด้านต่ำ 25 โวลต์

การเลือกจากอุปกรณ์ที่หลากหลาย 1ED44176N01FXUMA1 เป็นเกตไดร์เวอร์ด้านต่ำขนาด 25 โวลต์ ในชุด DS-O8 (รูปที่ 7) มอสเฟตกำลังแรงดันต่ำและเกตไดร์ฟเวอร์แบบไม่กลับด้าน IGBT นี้มีเทคโนโลยี CMOS ภูมิคุ้มกันสลักที่เป็นเอกสิทธิ์ ซึ่งช่วยให้มีการติดตั้งระบบแบบเป็นกลุ่มเดียวที่ทนทาน อินพุตลอจิกเข้ากันได้กับเอาต์พุต CMOS หรือ LSTTL มาตรฐาน 3.3, 5 และ 15 โวลต์ และมีอินพุตที่กระตุ้นโดย Schmitt เพื่อลดการเดินทางของสัญญาณผิดพลาด ในขณะที่ไดรเวอร์เอาต์พุตมีระยะบัฟเฟอร์กระแส สามารถขับเคลื่อนอุปกรณ์ 50 แอมแปร์ (A)/650 โวลต์ที่ความเร็วสูงสุด 50 kHz และกำหนดเป้าหมายเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านและโครงสร้างพื้นฐานที่ใช้ไฟ AC เช่น ปั๊มความร้อน

รูปที่ 7: 1ED44176N01FXUMA1 เป็นเกตไดรเวอร์ขนาดเล็กในแพ็คเกจ DS-08 สำหรับการใช้งานแรงดันไฟฟ้า/พลังงานต่ำที่มีเทคโนโลยี CMOS ภูมิคุ้มกันสลักที่เป็นเอกสิทธิ์ (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญของ 1ED44176N01FXUMA1 ได้แก่ กระแสพัลส์ลัดวงจรของเอาต์พุตทั่วไป (<10 µsec พัลส์) ที่ 0.8 A ที่ 0 โวลต์ ในขณะที่กระแสพัลส์ลัดวงจรที่เอาท์พุตจมอยู่ที่ 1.75 A ที่ 15 โวลต์ ข้อมูลจำเพาะแบบไดนามิกที่สำคัญประกอบด้วยเวลาเปิดและปิด 50 นาโนวินาที (ns) (ทั่วไป)/95 ns (สูงสุด) ในขณะที่เวลาที่เพิ่มขึ้นในการเปิดคือ 50/80 ns (ทั่วไป/สูงสุด) และการเลี้ยว - เวลาหยุดทำงานคือ 25/35 ns (ทั่วไป/สูงสุด)

การเชื่อมต่อ 1ED44176N01F ค่อนข้างตรงไปตรงมา โดยมีพินสำหรับตรวจจับกระแสเกิน (OCP) และเอาต์พุตสถานะ FAULT (รูปที่ 8) นอกจากนี้ยังมีพินเฉพาะสำหรับตั้งโปรแกรมเวลาแก้ไขข้อผิดพลาด ต้องดึงพิน EN/FLT ขึ้นเพื่อให้การทำงานเป็นปกติ ในขณะที่การดึงพินลงต่ำจะปิดการทำงานของไดรเวอร์ วงจรภายในของพิน V_CC ให้การป้องกันการล็อคแรงดันตกซึ่งจะรักษาเอาต์พุตให้ต่ำจนถึงค่า V_CC แรงดันไฟจ่ายกลับอยู่ภายในช่วงการทำงานที่ต้องการ ลอจิกและกราวด์ไฟฟ้ากำลังที่แยกจากกันช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกันสัญญาณรบกวน

รูปที่ 8: ด้วยพินเพียงแปดพิน ไดรเวอร์เกต 1ED44176N01F จึงค่อนข้างง่ายต่อการเชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์และอุปกรณ์จ่ายไฟ (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

แม้ว่าการเชื่อมต่อจะค่อนข้างง่าย แต่ผู้ใช้เกตไดรเวอร์นี้และอุปกรณ์จ่ายไฟที่เกี่ยวข้องจะได้รับประโยชน์จากบอร์ดประเมินผล EVAL1ED44176N01FTOBO1 (ภาพที่ 9) เมื่อใช้บอร์ดนี้ นักออกแบบสามารถเลือกและประเมินตัวต้านทานชันท์ตรวจวัดกระแสไฟฟ้า (R_CS ) ตัวกรองตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ (RC) สำหรับ OCP และการป้องกันการลัดวงจร และตัวเก็บประจุเวลาเคลียร์ข้อผิดพลาด

รูปที่ 9: บอร์ดประเมินผล EVAL1ED44176N01FTOBO1 ช่วยให้นักออกแบบสามารถตั้งค่าและวัดจุดการทำงานของไดรเวอร์เกตหลักด้วยอุปกรณ์สวิตชิ่งที่เกี่ยวข้อง (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

เกตไดร์ฟเวอร์มอสเฟต SiC แรงดันสูง

ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าเกตไดร์ฟเวอร์เครื่องใช้ในบ้านของสาย AC และอุปกรณ์ไฟฟ้าคือ1EDI3031ASXUMA1 ซึ่งเป็นเกตไดร์ฟเวอร์มอสเฟต SiC 12 A ช่องเดี่ยวแบบแยกที่มีพิกัดที่ 5700 V_RMS (ภาพที่ 10) ไดรเวอร์นี้เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงที่ออกแบบมาสำหรับมอเตอร์ขับเคลื่อนที่มีกำลังสูงกว่า 5 kW ของยานยนต์ ซึ่งรองรับมอสเฟต SiC 400, 600 และ 1200 โวลต์

รูปที่ 10: EDI3031AS เป็นเกตมอสเฟต SiC ขนาด 12 A แบบแยกช่องเดียวที่ออกแบบมาสำหรับไดรฟ์มอเตอร์ของยานยนต์ที่มีขนาดสูงกว่า 5 kW (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

อุปกรณ์ดังกล่าวใช้เทคโนโลยีหม้อแปลงไร้คอร์ (CT) ของ Infineon เพื่อใช้การแยกกระแสไฟฟ้า (รูปที่ 11)

รูปที่ 11: มีการใช้หม้อแปลงไร้คอร์ที่เป็นกรรมสิทธิ์เพื่อแยกกระแสไฟฟ้า ดังภาพ (ซ้าย) และตามที่สร้างขึ้น (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

เทคโนโลยีนี้มีคุณสมบัติหลายประการ โดยยอมให้แรงดันไฟฟ้าสวิงขนาดใหญ่ได้ตั้งแต่ ±2300 โวลต์ขึ้นไป มีภูมิคุ้มกันต่อภาวะชั่วครู่ด้านลบและบวก และมีการสูญเสียพลังงานต่ำ นอกจากนี้ ยังมีการถ่ายโอนสัญญาณที่แข็งแกร่งอย่างยิ่ง ซึ่งเป็นอิสระจากสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป และรองรับภูมิคุ้มกันการขนส่งในโหมดทั่วไป (CMTI) สูงถึง 300 V/ns นอกจากนี้การจับคู่ความล่าช้าในการขยายพันธุ์ที่แน่นหนายังให้ความทนทานและความทนทานโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอันเนื่องมาจากอายุ กระแสไฟฟ้า และอุณหภูมิ

ไดรเวอร์ 1EDI3031ASXUMA1 รองรับมอสเฟต SiC MOSFET สูงถึง 1200 โวลต์ โดยมีเอาต์พุตแบบรางต่อรางด้วยกระแสสูงสุด 12 A และความล่าช้าในการแพร่กระจายโดยทั่วไปที่ 60 ns มี CMTI สูงถึง 150 V/ns ที่ 1,000 โวลต์ และแคลมป์มิลเลอร์แบบแอคทีฟในตัวขนาด 10 A รองรับการสวิตช์ขั้วเดียว

ไดรเวอร์เฉพาะนี้มุ่งเป้าไปที่แทรคชันอินเวอร์เตอร์สำหรับยานพาหนะไฟฟ้า (EV), EV แบบไฮบริด (HEV) และอินเวอร์เตอร์เสริมสำหรับทั้งสองรุ่น ด้วยเหตุนี้ จึงได้รวมคุณลักษณะด้านความปลอดภัยหลายประการเพื่อรองรับการจัดระดับ ASIL B(D) ตลอดจนการตรวจสอบผลิตภัณฑ์ตาม AEC-Q100 คุณสมบัติเหล่านี้รวมถึง DESAT และ OCP ที่ซ้ำซ้อน การตรวจสอบเกตและเอาท์พุต การป้องกันการยิงทะลุ การตรวจสอบแหล่งจ่ายไฟปฐมภูมิและทุติยภูมิ และการกำกับดูแลภายใน ฉนวนพื้นฐาน 8 kV ตรงตามมาตรฐาน VDE V 0884-11:2017-01 และได้รับการรับรอง UL 1577

เนื่องจากระดับพลังงานและเพื่อตอบสนองความต้องการของยานยนต์ ไดรเวอร์ 1EDI3031ASXUMA1 จึงเป็นมากกว่าอุปกรณ์ที่ทรงพลังแต่ "ไร้ประโยชน์" นอกเหนือจากคุณลักษณะด้านความปลอดภัยทั้งหมดแล้ว ยังใช้แผนผังสถานะเพื่อให้แน่ใจว่ามีการทำงานที่เหมาะสม (รูปที่ 12) คุณสมบัติการวินิจฉัยที่ "ล่วงล้ำ" ช่วยให้สามารถเข้าสู่ "สถานะปลอดภัย" ในกรณีที่ระบบล้มเหลว

รูปที่ 12: ความซับซ้อนและการตรวจสอบตนเองสำหรับความสมบูรณ์ของไดรเวอร์เกต 1EDI3031ASXUMA1 นั้นแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนด้วยแผนภาพสถานะของโหมดการทำงาน (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

นักออกแบบที่ทำงานกับ 1EDI3031ASXUMA1 สามารถเริ่มต้นใช้งานได้อย่างรวดเร็วด้วยบอร์ดประเมินผล 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 สำหรับเกตไดรเวอร์ตะกูล EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER (รูปที่ 13)

รูปที่ 13: บอร์ดประเมินผล 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 สำหรับตระกูลเกตไดรเวอร์ EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER ช่วยให้นักออกแบบสามารถประเมินไดรเวอร์กำลังสูงนี้ด้วยอุปกรณ์จ่ายไฟที่เกี่ยวข้อง (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

แพลตฟอร์มการประเมินอเนกประสงค์นี้มีการกำหนดค่าแบบฮาล์ฟบริดจ์ ดังแสดงในรูปที่ 14 ช่วยให้สามารถติดตั้งโมดูล HybridPACK DSC IGBT หรืออุปกรณ์จ่ายไฟ PG-TO247-3 แบบแยกได้

รูปที่ 14: บอร์ดประเมินผล 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 ใช้การจัดเรียงฮาล์ฟบริดจ์แบบแยกเดี่ยว และสามารถใช้ได้กับโมดูลหรืออุปกรณ์แยก (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies AG)

เอกสารข้อมูลโดยละเอียดสำหรับบอร์ดประเมินผลนี้ประกอบด้วยแผนผัง รายการวัสดุ รายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการและสถานที่ที่จะเชื่อมต่อการเชื่อมต่อต่างๆ รายละเอียดการกำหนดค่า ลำดับการทำงาน และคำอธิบายสัญญาณไฟ LED และอื่นๆ อีกมากมาย

สรุป

เกตไดรเวอร์เป็นอินเตอร์เฟสที่สำคัญระหว่างเอาต์พุตตัวประมวลผลดิจิทัลระดับต่ำและพลังงานต่ำกับข้อกำหนดระดับสูง กำลังไฟสูง และกระแสสูงของเกตของอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลัง เช่น Si หรือมอสเฟต SiC การจับคู่ไดรเวอร์กับคุณลักษณะและความต้องการของอุปกรณ์ไฟฟ้าอย่างเหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จของวงจรสวิตชิ่งสำหรับระบบไฟฟ้า เช่น อินเวอร์เตอร์ มอเตอร์ขับเคลื่อน และตัวควบคุมไฟส่องสว่าง ดังที่แสดงไว้ข้างต้น ไดรเวอร์ที่หลากหลายและลึกซึ่งใช้เทคโนโลยีขั้นสูงและเป็นกรรมสิทธิ์หลายรายการ และได้รับการสนับสนุนจากบอร์ดประเมินผลและชุดอุปกรณ์ ช่วยให้นักออกแบบมั่นใจได้ถึงการจับคู่ที่เหมาะสมที่สุด

เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง

1. เลือกไดรเวอร์เกตสำหรับมอสเฟตซิลิคอนคาร์ไบด์ของคุณในไม่กี่ขั้นตอน
2. สวิตช์ทุกตัวต้องมีไดรเวอร์
3. คู่มือการเลือก IC ไดรเวอร์เกต Infineon EiceDRIVER™ ปี 2022
4. ไอซีเกตไดรเวอร์: ไอซีเกตไดรเวอร์ EiceDRIVER™ สำหรับ MOSFET, IGBT, SiC MOSFET และ GaN HEMT
5. คำอธิบายทางเทคนิคของ AN2018-03 ไดรเวอร์ด้านต่ำพร้อมการป้องกันกระแสเกินและข้อผิดพลาด/เปิดใช้งาน 1ED44176N01F