Sähköajoneuvojen ja teollisuuden tehojärjestelmien uusimmat kehitystrendit vaativat entistä korkeampia jännite- ja hyötysuhdelukemia, mutta lisäksi tarvitaan parempaa turvallisuutta. Eristetyt hilaohjaimet ovat tässä avainasemassa. Samalla hilaohjaimella on mahdollista ajaa sekä piikarbidi- että piipohjaisia MOSFET-tehokytkimiä.

Tehokytkimille tarkoitettujen hilaohjainten harvojen eristysvaihtoehtojen joukossa sydämettömän muuntajatekniikan viimeisimmät innovaatiot avaavat tietä pienikokoisille ja tehokkaille ohjaimille, jotka soveltuvat suurijännitteisiin järjestelmiin. Tavanomaiset eristetyt hilaohjaustekniikat, kuten erillismuuntajat, optoeristimeen perustuvat ja kapasitiiviset ratkaisut, ovat käyttökelpoisia joissakin sovelluksissa, mutta niiden käyttö tuo haasteita teollisuuden ja sähköautojen uusimmille tehojärjestelmille.

Esimerkiksi erilliset muuntajat ovat kustannustehokkaita, mutta ne mahdollistavat vain yksisuuntaisen tiedonsiirron mikro-ohjaimelta tehoyksikölle eivätkä anna mahdollisuutta siirtää mikro-ohjaimelle takaisin informaatiota esimerkiksi lämpötilasta, ylivirrasta tai oikosulusta. Optoeristimien tapauksessa menettely taas kärsii käytettävän ledin kirkkauden hiipumisesta korkean lämpötilan tai ikääntymisen vuoksi, jolloin tarvitaan ajan mittaan suurempi tulovirta heikentymisen kompensoimiseksi. Kapasitiivisesti toimivat hilaohjaimet puolestaan vaativat tulopuolelle sinimuotoisen signaalin lähdön kytkemiseksi johtavaan tilaan, mikä saattaa aiheuttaa häiriöitä langattomaan viestintään, kuten WiFi-yhteyksiin.

SYDÄMETÖN MUUNTAJAERISTYS

Sydämettömän muuntajan avulla toteutettuun eristykseen perustuvat hilaohjaimet sen sijaan eivät tuo mukanaan ainuttakaan niistä haasteista, joita muut eristetyt hilaohjaustekniikat joutuvat kohtaamaan. Lisäksi innovatiivisella suunnittelulla ne voivat tarjota lukuisia parannuksia järjestelmän ominaisuuksiin.

Markkinoilla on tarjolla erilaisia sydämettömään muuntajaan perustuvia toteutuksia, mutta ROHM:n kehittämä tekniikka perustuu kolmeen sisäiseen kerroslaattaan, joista matalajännitteinen osa tarjoaa piiyhteyden mikro-ohjaimeen tai DSP-piiriin ja suurijännitteinen osa ohjaa IGBT- tai MOSFET-transistoria. Muuntajan kuparikäämit on erotettu toisistaan piidioksidilaatalla, joka on erittäin vankka eriste. Sen sulamispiste on hyvin korkea ja muutkin ominaisuudet kuten kvartsilla. Matalajännitteinen osa toimii 3,3 ja 5 voltin signaaleilla ja on siten yhteensopiva lukuisten 3,3 tai 5 voltin jännitteellä toimivien mikro-ohjainten ja DSP-piirien kanssa.

Toisin kuin optoeristimeen perustuvat hilaohjaimet, sydämetöntä muuntajaa hyödyntävät ohjaimet tarjoavat suhteellisen tasaiset päälle- ja poiskytkentäajat eri lämpötiloissa. Sen sijaan optoeristinpohjaisilla hilaohjaimilla on taipumus muuttaa käyttäytymistään merkittävästi lämpötilan vaihdellessa niin, että päälle- ja poiskytkeytymisen ajat eroavat paljon enemmän. Tämä johtaa alenevaan hyötysuhteeseen pidempien kuolleiden jaksojen vuoksi.

YKSIKANAVAISET ERISTETYT HILAOHJAIMET

Puolisiltamuodossa toimivan tehoyksikön ohjaamiseen tarvitaan kaksi kanavaa, yksi alapuolista ja toinen yläpuolista lohkoa varten. Kehittäjät ovat usein hämmentyneitä joutuessaan valitsemaan joko kompaktin kaksikanavaisen hilaohjainratkaisun tai kaksi yksikanavaista ohjainta piirilevysijoittelun helpottamiseksi.

ROHM tarjoaa laajan valikoiman molempiin vaihtoehtoihin. Yleensä yhtiö suosittelee yksikanavaisia ohjaimia eri syistä. Koska kahden yksikanavaisen ohjaimen välistä etäisyyttä voidaan lisätä sijoittelun mukaisesti, kanavien välisen ylikuulumisen mahdollisuudet vähenevät. Tämä voi merkittävästi vähentää ulkoisten suodinelementtien tarvetta vahvan EMI-suojauksen toteuttamisessa. Lisäksi kahden itsenäisen kanavan käyttö tarjoaa enemmän joustavuutta suunnitteluun, mikä myös helpottaa osien sijoittelua vankan rakenteen luomiseksi.

XOR-FUNKTIO ERISTÄÄ RISTIINJOHTAMISEN

Puolisiltamuotoisen hilaohjaimen XOR-tulojen ristikytkentä estää sekä alemman että ylemmän osan kytkeytymisen päälle samanaikaisesti. Tämä on sydämettömään muuntajaan perustuvien hilaohjaimien etu optoeristinversioihin nähden, sillä niillä se ei ole mahdollista. Ilman tätä ominaisuutta ohjain saattaa joutua tuhoisaan tilaan, jossa sekä ylä- että alapuolinen lohko ovat yhtaikaa päällä. Tämä saattaa laitevaurion lisäksi johtaa jopa pienmuotoiseen räjähdykseen.

INTEGROITU TASOLUKITUS ESTÄÄ ITSEKÄYNNISTYKSEN

Tyypillisissä puolisiltalaitteissa esiintyy hyvin äkillinen dv/dt-nousu, vain kymmenissä nanosekunneissa nollasta 800 volttiin, kun alapuolinen osa kytketään pois päältä ja yläpuolinen osa on kytketty alemman puolen nielujännitteeseen. Tämä on ongelmallista, koska alemman puolen sisäinen hila-nielu-kapasitanssi (Miller-kapasitanssi) saattaa varautua ja synnyttää jännitetöyssyn, joka yltää 2 – 2,5 volttiin lähestyen alemman puolen hilan kynnysjännitettä.

Jännitehyppyä poiskytketyn puolen hilalla saattaa johtaa niin sanottuun läpisyttymiseen (shoot through), jolloin puolisillan alapuolinen ja yläpuolinen osa kytkeytyvät kumpikin päälle samanaikaisesti. Mitä suurempi on teholaitteen kytkentänopeus, sitä suurempi on Miller-virran amplitudi ja sitä suurempi on myös mahdollisuus laitteen itsekäynnistykseen.

Hilalle syötettävän negatiivisen katkaisujännitteen käyttäminen on yksi tapa estää tämä tapahtuma, samoin Miller-tasolukituksen käyttö. Koska negatiivisen syöttölähteen käyttöön liittyy lisäkustannuksia ja suunnittelun monimutkaisuutta, edullinen menetelmä monissa sovelluksissa on Miller-tasolukituksen hyödyntäminen. Miller-tasolukko on transistori, joka tarjoaa alhaisen resistanssin polun MOSFETin hilalta estäen näin korkean jännitteen syntymisen hilan ja nielun välille sillan alemmassa puoliskossa.

Joissakin hilaohjaimissa Miller-tasolukitus on valmiiksi integroituna ja joissakin on tarjolla ohjausportti, jonka kautta voidaan ohjata tasolukituspiirin ulkopuolista MOSFETia. ROHM-yhtiön hilaohjain BM61S41RFV-C sisältää integroidun Miller-lukituspiirin.

SIC-KYTKIN VAATII PAREMMAN ALIJÄNNITESUOJAN

Alijännitesulku eli UVLO (undervoltage lockout) on yksi hilaohjainten perustason suojaustoiminnoista. Se valvoo syöttöjännitettä ja varmistaa, että vika tunnistetaan ja laitteen toiminta estetään välittömästi, kun jännitetaso laskee tietyn rajan alapuolelle. Tämä turvaa sen, että käytettävä tehopuolijohde ei tuhoudu ylikuumenemisen vuoksi.

Koska useimpia IGBT-pohjaisia laitteita käytetään 15 voltin käyttöjännitteellä, viime vuosina on esitelty paljon hilaohjaimia, joiden UVLO-rajat ovat noin 10-12 volttia. Useimmille piipohjaisille MOSFET-laitteille riittäisi UVLO-rajaksi 8-10 volttia.

Koska suurinta osaa piikarbidiin perustuvista SiC MOSFET -kytkimistä tulisi kuitenkin käyttää suuremmilla hilajännitteillä parhaan hyötysuhteen varmistamiseksi, 10-13 voltin UVLO-taso ei tarjoa niille riittävää suojaa. Rohm onkin kehittänyt sarjan hilaohjaimia, joilla on korkeammat UVLO-raja-arvot erityisesti tähän käyttöön.

Hilaohjaimien BM61S41RFV-C ja BM61S40RFV-C tarjoama UVLO-raja on 14,5 volttia ja ne ovat myös yhteensopivia 8,5 voltin UVLO-rajan tarjoavan BM61M41RFV-C: n kanssa. Tämä nastayhteensopivuus antaa tehoasteiden suunnittelijoille mahdollisuuden suunnitella joustavasti samalle hilaohjaimelle sekä pii- että piikarbidipohjaisia MOSFET-ratkaisuja.

Piikarbidin ja IGBT:n asettamat UVLO-vaatimukset.

YLIJÄNNITESUOJA KOVIIN TURVAVAATIMUKSIIN

Suurin osa hilaohjaimista suojaa ohjattavat tehopuolijohteet alijännitteen tunnistuksella, mutta jättää huomiotta sen tosiasian, että syöttöjännite voi olla myös liian korkea. Noussut syöttöjännite on yhtä vaarallinen, koska se voi johtaa hallitsemattomiin oikosulkuihin tai lyhentää tehopuolijohteiden elinikää.

ROHM tarjoaa tähän hilaohjaimen BM61S40RFV-C, joka soveltuu ratkaisuihin, joissa tarvitaan poikkeavia turvaominaisuuksia. Tämän ohjaimen ylijännitevalvonnan rajataso on 21,5 volttia, joten se mahdollistaa turvallisemman suunnittelun.

LUKUISIA ETUJA

ROHM-yhtiön uusimmat sydämettömään muuntajaan perustuvat hilaohjaimet tarjoavat lukuisia ominaisuuksia ja suorituskykyetuja sähköajoneuvojen ja teollisuuden tehojärjestelmien sovelluksiin.

Korkean eristystason lisäksi ROHM:n nastayhteensopiva hilaohjainsarja BM61x4xRFV varmistaa lukuisten eri kohteiden turvallisuuden, järjestelmätason hyötysuhteen sekä tarjoaa joustavuutta ulkoisten latauslaitteiden, teollisuustason teholähteiden ja ajoneuvojen suunnitteluun: piirilevytason laturit, DC-DC-muuntimet, sähkökompressorit, lämmittimet jne.

Ajoneuvojen voimansiirron sovellukset saattavat vaatia lisätoiminnoin varustettuja vieläkin monimutkaisempia hilaohjaimia. Näitä ovat esimerkiksi ROHM:n ohjainpiirit BM60060FV-C ja BM6112FV-C.

ROHM Semiconductrosin Vikneswaran Thayumanasamyn ja Kevin Lenzin artikkeli on ilmestynyt uudessa ETNdigi-lehdessä. Sitä pääset lukemaan täällä.