Sterownik tranzystora Semicon ST50-1500-xx

Opracowany i produkowany w firmie Semicon sterownik ST50-1500 jest przeznaczony do sterowania tranzystorami dużej mocy: krzemowymi MOSFET, MOSFET SiC, a także tranzystorami krzemowymi IGBT pracującymi w układach mostkowych przekształtników energii, przy napięciu zasilania sięgającym 1200-1700 V. Układ sterownika zapewnia izolację galwaniczną o wytrzymałości na przebicie certyfikowanej na 2500 V i ma wbudowane zabezpieczenie UVLO blokujące jego pracę przy zbyt niskim napięciu zasilającym (dla obu stron sterowania – pierwotnej i wtórnej). Pojedynczy sterownik obsługuje jeden tranzystor mocy i jest wykonany w formie niewielkiej kompaktowej płytki drukowanej o wielkości zbliżonej do obudowy tranzystora TO-246.

Konstrukcja sterownika bazuje na układzie drivera o dużej wydajności prądowej, układu separatora galwanicznego oddzielającego elektrycznie obwód sterowania i przetwornicy DC-DC dostarczającej stabilizowanego napięcia zasilającego niezbędnego do pracy układu drivera.

Sterownik ma charakter uniwersalny, tzn. nadaje się do współpracy z krzemowymi tranzystorami MOSFET i IGBT oraz MOSFET-ami z węglika krzemu (SiC). W tym celu sterownik dostarcza wymaganego przez te elementy napięcia sterującego o poziomie dopasowanym do ich wymagań, tj. MOSFET krzemowy 0…20 V, IGBT ±15 V i MOSFET SiC +20…-5 V.

Sterownik ST50-1500 jest w stanie dostarczyć do 5 A chwilowego prądu sterującego bramką, co zapewnia możliwość jego współpracy z tranzystorami o dużej mocy i tym samym o dużej pojemności bramka-źródło. Jednocześnie układ umożliwia szybkie przeładowanie pojemności wejściowej tranzystorów, dzięki czemu z jego użyciem można uzyskać niskie straty komutacyjne.

W porównaniu do innych rozwiązań tego typu będących na rynku ST50-1500 zapewnia też bardzo wysoką częstotliwość przełączania. Maksymalna wartość częstotliwości przełączania determinowana jest głównie przez dopuszczalną moc wbudowanej w sterownik przetwornicy zasilającej układ drivera sterownika i może sięgać w skrajnym przypadku nawet 300 kHz.

Możliwości sterowania tranzystorów mocy

Możliwość sterowania konkretnym tranzystorem mocy za pomocą sterownika Semicon ST50-1500 zależy od kilku kluczowych parametrów. Najważniejszy to pojemność bramka-źródło C_GS tranzystora, która razem z wymaganą szybkością przełączania determinuje niezbędną wydajność prądową sterownika dla zapewnienia sprawnego (szybkiego) przeładowania pojemności wejściowej.

Zostanie to zilustrowane na przykładzie tranzystora SiC, który z uwagi na niesymetryczne wymagania, co do poziomu napięć sterujących włączania (+20 V) i wyłączania (-5 V), jest jednocześnie przykładem najbardziej skomplikowanym układowo.

Utrzymanie takich poziomów napięć sterujących jest istotne przede wszystkim dla ujemnego napięcia, a więc tego gwarantującego stan wyłączenia tranzystora, ponieważ oscylacje pasożytnicze i przepięcia, które powstają w układzie podczas przełączania i nakładają się na napięcie sterujące, są w stanie zwiększyć chwilową wartość ponad 0 V.

Taki stan może spowodować niekontrolowane załączenie MOSFET-a i w dalszej kolejności przepływ niszczącego prądu skrośnego między górnymi a dolnymi elementami mostka.

Tranzystory dużej mocy są elementami kosztownymi, nierzadko ich ceny przekraczają 100 euro, przez co źle dobrany układ sterowania jest w stanie wyrządzić ogromne straty finansowe w wielofazowych układach pełnomostkowych, nie mówiąc o niebezpieczeństwie utraty kontroli nad działaniem urządzenia operującego napięciami przekraczającymi kilowolt i prądami rzędu setek amperów.

Każdy błąd lub zaniechanie może wyrządzić też krzywdę użytkownikowi urządzenia i w konsekwencji producent oraz w kolejności projektant mogą zostać pociągnięci do odpowiedzialności karnej. Stąd stabilne działanie sterownika jest kluczowym czynnikiem związanym z wielowymiarowym bezpieczeństwem.

Poza maksymalnym prądem wyjściowym drivera, częstotliwością kluczowania i pojemnością bramki oraz typem tranzystora (a więc pośrednio poziomem napięć sterujących), na wybór układu sterującego mają też wpływ żądane czasy przełączania tranzystora, wpływające na wartość strat mocy podczas komutacji.

Pomiary procesu włączania

Do testowania procesu wyłączenia tranzystora i pomiarów czasu włączenia i wyłączenie wykorzystano następujący zestaw badawczy zawierający:

• Układ FPGA Altera Cyclone 4 odpowiedzialny za generowanie sygnałów sterujących,
• Sterownik ST-50-1500-20-5 dla tranzystora,
• Zestaw kondensatorów ceramicznych symulujących pojemność wejściową bramki tranzystora mocy MOSFET.

W pierwszym teście użyto kondensatora ceramicznego o pojemności 15 nF, co jest równoważne sterowaniu tranzystora o dopuszczalnym napięciu U_DS= 650 V i prądzie maksymalnym 130 A, np. STY139N65M5. Częstotliwość przełączania wyniosła 25 kHz, a współczynnik wypełnienia impulsu sterującego ustalono na 50%.

Sterownik zapewnia szybkie załączenie i tym samym niskie straty komutacyjne bez zagrożenia ze strony możliwości przewodzenia skrośnego tranzystora przy pracy w układzie mostkowym. Osiągany czas 74 ns to wartość znacząco mniejsza od dopuszczalnej wartości 120 ns w tym przypadku.

Kolejne pomiary ilustrują zmiany czasów przełączania w zależności od wartości pojemności bramki. Na początku pomiary zostały dokonane dla sterownika nieobciążonego (rys. 3).

Z oscylogramu pokazanego na rysunku 3 widać, że napięcie wyjściowe sterownika nieobciążonego ma dość znaczny przerzut, co wynika z dużej szybkości zmiany napięcia wyjściowego w czasie i tym samym znacznego wpływu pasożytniczych reaktancji na wyjściu na proces. Im krótszy czas włączenia (a więc szybsza zmiana napięcia w jednostce czasu), tym przepięcia spowodowane obecnością pasożytniczej indukcyjności wyprowadzeń są większe.

Czas opadania napięcia wyjściowego sterownika ST50 dla nieobciążonego wyjścia wyniósł 2,1 ns. To bardzo mała wartość. Podobnie jak poprzednio, na oscylogramie widoczne są oscylacje pasożytnicze wywołane szybką zmianą napięcia wyjściowego wywołującą gasnące drgania nakładające się na sygnał sterujący.

W kolejnym kroku dokonano pomiarów czasów po obciążeniu sterownika pojemnością 1 nF, co odpowiada dołączeniu do wyjścia typowego MOSFET-a SiC 1200 V 30 A (rys. 5).

Z rysunku 5 widać, że obciążenie pojemnością 1 nF sterownika zmniejsza przerzut napięcia, ponieważ wydłuża się czas narastania napięcia do 9 ns i tym samym maleje szybkość jego zmian w czasie. Aby oszacować, jaka wartość prądu wyjściowego sterownika będzie w tym czasie, można posłużyć się zależnością:

gdzie: ΔQ – zmiana ładunku pojemności bramki (C), C – pojemność bramki (F), ΔUC – wzrost napięcia na wyjściu sterownika (V) i IC – prąd wyjściowy (A).

Zatem:

Sterownik ST50-1500-2005 jest w stanie dostarczyć na wyjściu chwilowego prądu 5 A, innymi słowy jest w stanie wysterować tranzystor MOSFET o takiej wartości C_GS z żądaną szybkością. Należy jednak mieć świadomość, że gdy prąd wyjściowy sterownika (przeładowujący pojemność bramki tranzystora) będzie zbyt duży, tranzystor może ulec uszkodzeniu na skutek uszkodzenia połączeń wewnętrznych.

Konieczne jest ograniczanie prądu przeładowana do bezpiecznej wartości dla MOSFET-a, np. za pomocą szeregowej rezystancji RG o niewielkiej wartości, do ok. 20 Ω. Taki rezystor wydłuża oczywiście czas narastania napięcia na bramce, ale powoduje spadek prądu IC oraz zmniejsza amplitudę oscylacji pasożytniczych.

Prąd potrzebny do wyłączenia tranzystora oblicza się analogicznie do poprzedniego:

Ponownie wartość ta leży od w zakresie dopuszczalnym dla sterownika.

Energia wymagana do sterowania tranzystorem pobierana w jednym cyklu przełączania jest sumą dwóch składowych dla czasu włączania i wyłączania:

W następnym kroku przeanalizujmy działania tranzystora o pojemności bramki wynoszącej aż 15 nF.

Zgodnie z rysunkiem 7 czas narastania napięcia na wyjściu sterownika dla pojemności bramki 15 nF wyniósł 84 ns, natomiast prąd i energia wymagana do komutacji tranzystora to:

Jak widać, energia potrzebna do załączenia tranzystora rośnie proporcjonalnie do jego pojemności wejściowej.

Zgodnie z rysunkiem 8 czas opadania napięcia na wyjściu sterownika dla obciążenia 15 nF wyniósł 99 ns, a więc:

Przy zwiększeniu pojemności bramki rośnie czas włączenia i wyłączenia tranzystora i wzrasta także prąd potrzebny do przełączenia.

Na koniec dokonane zostaną analogiczne rozważania dla maksymalnej pojemności bramki wynoszącej aż 49 nF (rys. 9 i 10).

Dla zmierzonego czasu narastania 221 ns prąd i energia niezbędna do włączenia MOSFET-a o pojemności C_GS =49 nF wynoszą:

Dla procesu wyłączania czas opadania napięcia na wyjściu wyniósł 270 ns, a prąd dalej mieści się w zakresie dopuszczalnych warunków pracy:

Nietrudno dostrzec, że energia niezbędna do włączenia tranzystora rośnie wraz z pojemnością bramka-źródło, niemniej nie należy rozumieć zagadnienia w taki sposób, że skoro sterownik ST50-1500 ma prąd maksymalny na poziomie 5 A, to nie będzie żadnego problemu w sterowaniu tranzystorami nawet dla C_GS>30 nF.

Konieczne jest jeszcze zwrócenie uwagi na maksymalną moc, jaką sterownik jest w stanie dostarczyć w długim czasie, a więc w okresie wykraczającym poza jeden cykl przełączenia.

Wyobraźmy sobie następujący przykład. Trzeba zaprojektować ładowarkę akumulatorów do pojazdu elektrycznego o mocy 80 kW i z racji zachowania małej wagi konieczne jest, aby pracowała ona na dużej częstotliwości, najlepiej maksymalnej osiągalnej przez sterownik, a więc 300 kHz.

Załóżmy, że do stopnia mocy wybór padł na tranzystory BSM120D12P2C005-ND o parametrach 1200 V i 120 A, które są zdolne przenieść taką moc w układzie mostkowym. Dla zapewnienia dużej szybkości działania można dodatkowo przyjąć, że początkowo szeregowa rezystancja ograniczająca prąd ładowania RG będzie równa 0.

Przy C_GS=15 nF dla wspomnianego tranzystora prąd potrzebny na bramce jest 4,7 A, a więc dalej leżący w zakresie dopuszczalnym dla sterownika (5 A). Niemniej średnia moc pobierana przez sterownik jest już zbyt duża. Widać to z poniższych zależności:

• Energia potrzebna na włączenie i wyłączenie w jednym cyklu to:

• Zatem moc, jaką musi dysponować sterownik w czasie jednej sekundy, to:

To niestety sporo za dużo, bo wbudowana w ST50-1500 przetwornica DC-DC jest w stanie dostarczyć jedynie 1,16 W. Zmusza to do weryfikacji założeń projektowych. Dla tego tranzystora przy tym poziomie mocy częstotliwość kluczowania może wynosić maksymalnie 49 kHz lub trzeba wybrać inny tranzystor o niższej pojemności C_GS.

To drugie działanie jest korzystniejsze, bo czas załączenia tranzystora o dużej pojemności wejściowej jest na tyle duży, że realnie wpływa na straty przełączania i należy się liczyć z tym, że straty te znacząco przekroczą straty wynikające z przewodzenia i prawdopodobna sprawność układu może spaść poniżej dopuszczalnej.

Na koniec warto jeszcze spojrzeć na to, jak sterownik radzi sobie z przełączaniem krótkich impulsów i przy dużej częstotliwości przełączania (rys. 11 i 12). Jak widać, takie warunki pracy nie stanowią ograniczenia aplikacyjnego.

Na rysunku 11, widać minimalny czas włączenia sterownika przy obciążeniu 1 nF.

Podsumowanie

Sterownik ST50 to tani układ sterujący dla tranzystorów MOSFET, który zawiera przetwornicę izolowaną DC-DC dostarczającą zasilania do jego pracy i stąd niewymagający stosowania układu bootstrapu.

Jego wielkość nie przekracza obrysu obudowy tranzystora TO-246, co zapewnia łatwość integracji i małe reaktancje pasożytnicze. Mimo małej wielkości i ceny jego parametry nie odbiegają, a w wielu przypadkach przekraczają parametry produktów konkurencyjnych.

Ryszard Chmielewski
Semicon