ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
Oct 29/9 30/9 # Rohde supersquare
6/2-15/5 # Period: start idag om möjligt 6/2—15/5 egen prenannons, över- och  underdeldel

ETNtv

Watch ECF videos

 
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Ziphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

logotypen

 2022  # square  (4)
TMSNet  advertisement
ETNdigi
Mar Apr May Jun # Farnell sajt skyskrapa
Mar 1-9/4 # Ansys sajt
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Tweet

TECHNICAL ARTICLES

Älykäs hilaohjain helpottaa tehopiirien suunnittelua

Tietoja
Kirjoittanut Veijo Ojanperä
Julkaistu: 03.03.2023
  • Devices
  • Power

Älykkäät hilaohjaimet tuovat paljon etuja tehoelektroniikan suunnitteluun. Uudet UL-sertifioidut ohjaimet integroivat kaikki piiriosat, joita tarvitaan tehopiirien DESAT-vianilmaisuun ja Miller-lukitukseen. Ohjaimet skaalautuvat sekä perinteisiin IGBT- ja pii-MOSFET-kytkentöihin että huippunopeisiin SiC MOSFET -sovelluksiin.

Artikkelin kirjoittaja Matthias Ortmann toimii Toshiba Electronics Europen pääinsinöörinä.

Tehokytkinten ja mikro-ohjainten edistymisen ansiosta tehoelektroniikan suunnittelijat voivat parantaa piiritoteutustensa hyötysuhdetta jopa prosenttiyksikön tuotteen kullakin uudella sukupolvella. Eikä nähtävissä ole määrällisiä rajoituksia sovelluskohteille, jotka voivat hyötyä näistä edistysaskelista. Hyviä esimerkkejä ovat sähköautot (EV) inverttereineen ja latureineen, keskeytymättömän tehonsyötön laitteet (UPS), servokäytöt ja aurinkopaneelien invertterit.

Yleensä nämä parannukset edellyttävät kuitenkin siirtymistä entistä suurempiin kytkentänopeuksiin ja piipohjaisten IGBT- tai MOSFET-kytkimien vaihtamista piikarbidipohjaisiin SiC-kytkimiin. Tämä taas tuo uusia haasteita, jotka on ratkaistava siinä vaiheessa, kun suunnittelijat kartoittavat kasvavien nopeuksien (dv/dt, di/dt) vaikutuksia kytkimien ympärillä.

Erilaiset lähestymistavat tällaisten ongelmien ratkaisemiseksi vaativat ympärillä olevien piirien optimointia. Haasteita voivat olla esimerkiksi hilan ja kollektorin/nielun välillä esiintyvän epälineaarisen Miller-kapasitanssin kautta siirtyvien häiriöiden aiheuttama kytkimen päälle meno tai reagoiminen oikosulkuun tai ylikuormitukseen.

Kaikkien näiden ongelmien määrittäminen, ratkaiseminen ja kvalifiointi vie paljon aikaa. Sen sijaan edullinen ja nopea ratkaisu monissa tapauksissa on valita piiriin integroitu älykäs hilaohjain, jolla on UL/cUL-sertifiointi jo valmiina.

Miller-kapasitanssin vaikutukset

Kun tehokytkin on pois päältä, hilan ja kollektorin/nielun välinen Miller-kapasitanssi syöttää virtaa hilalle. Mikä tahansa sarjaresistanssi hilan ja ohjauspiirin välillä synnyttää jännitteen, joka voi pahimmassa tapauksessa aiheuttaa kytkimen menon uudelleen päälle.

Vaikka IGBT:t ja Si/SiC MOSFETit ovat nimellisesti pois päältä, kun VGS tai VGE on 0 V, hilaohjainpiirit käyttävät usein negatiivista jännitettä ohjatessaan kytkimen pois päältä (vasemmalla kuvassa 1). Tämä jännite on yleensä MOSFETeilla luokkaa -5V ja IGBT-kytkimillä -7 V, mikä estää hilaresistanssin synnyttämän jännitteennousun. Vaikka tämä on täysin hyväksyttävä ratkaisu ongelmaan, se vaatii ylimääräisen syöttölinjan, jota ei välttämättä tarvita suunnitelman lopullisessa muodossa.

Tämän välttämiseksi voidaan käyttää Miller-tasolukkoa. Ottamalla käyttöön ylimääräinen MOSFET hilan ja emitterin/lähteen väliin, hilajännitteen taso saadaan lukituksi sen jälkeen, kun ohjaussignaali on siirtynyt ennalta määrätyn tason alapuolelle (oikealla kuvassa 1). Kun kollektori/nielu on vakautunut off-jännitetasolleen, tasolukko voidaan kytkeä pois päältä. Tämän vaiheen ajoitus ei ole kovin kriittinen, mutta sen on oltava valmis ennen seuraavaa kytkentää on-tilaan.

Kuva 1. Jotta MOSFET ei kytkeytyisi uudelleen päälle Miller-ilmiön vuoksi, hilaohjain voi ohjata hilan negatiiviseen jännitteeseen (vasemmalla) tai lukita hilajännitteen emitteri/lähdetasoon, tässä tapauksessa käyttämällä ylimääräistä kytkintä (oikealla).

Ylikuormitukselta suojautuminen

Tehokytkin voi vioittua, kun siihen kohdistuu oikosulku tai kun käytettävä hilajännite ei ohjaa sitä täysin kyllästysalueelle. Valvomalla kollektori/nielujännitettä johtavan tilan aikana on mahdollista pakottaa kytkin takaisin off-tilaan ohjainpiirin avulla, jos ennalta määrätty kynnysjännite ylitetään.

Tämä tekniikka tunnetaan nimellä DESAT (de-saturation). Koska oikosulkujen kestoajat ovat hyvin lyhyitä (enimmillään muutama millisekunti), tämän mekanismin on reagoitava hyvin nopeasti. Tämä on kuitenkin erittäin haastavaa laitteilla, jotka kytkevät tehoa useiden kilohertsien taajuuksilla ja sähköisten häiriöiden alaisissa ympäristöissä.

DESAT-ominaisuuksilla varustetut integroidut hilaohjaimet vaativat vain minimaalisen määrän lisäkomponentteja tällaisen suojauksen toteuttamiseksi. Pitää vain kytkeä RC-piiri diodin kera kollektorin/nielun ja hilaohjaimen DESAT-nastan väliin (kuva 2). Kun tehokytkin on kyllästyneessä tilassa, diodi on myötäkytkettynä ja vetää DESAT-nastan alas. Vertaamalla tätä jännitettä hilaohjaimen VDESAT,max -asetukseen ja ohjaussignaalin tilaan hilaohjain voi määrittää, onko vikatilanne ilmennyt.

 

Kuva 2. Kun mukaan lisätään diodi RC-verkon kera, älykäs hilaohjain voi havaita MOSFETin kyllästymisen DESAT-valvontanastan kautta.

Diodin jännitekestoisuuden tulee olla mitoitettu täydelle DC-syötölle plus marginaalille, joka voi helposti yltää 1000 volttiin tai jopa ylikin joissakin sovelluksissa, vaikka myötäsuuntaisen virran arvo olisi luokiteltu pieneksi. Diodin tulee myös olla nopeatoiminen eli omata hyvin alhainen kapasitanssiarvo ja estosuunnan elpymisaika.

Koska näitä ominaisuuksia on vaikea löytää yhdestä diodista, niitä kytketään usein sarjaan. Näin jänniteluokitusta voidaan nostaa samalla, kun kapasitanssia pienennetään, mutta toisaalta tämä myös kasvattaa myötäsuuntaista jännitehäviötä ja vastaavasti DESAT-kynnystä. Piikarbidipohjainen SiC-diodi on myös vaihtoehto, mutta on muistettava, että niiden myötäjännite on suurempi kuin perinteisten piidiodien.

DESAT-nastan suojaamiseksi Zener-diodi on ihanteellinen valinta hilaohjausjännitteen lukitsemiseksi turvalliselle tasolle, kun taas Schottky-diodi saattaa painaa signaalitason maapotentiaalin alapuolelle.

DESAT-komponenttien määritys

DESAT-piirin suunnittelun aloittamiseksi on selvitettävä MOSFETin siirto-ominaisuudet. Tässä vaiheessa voidaan laskea arvot DESAT-piirin vastukselle ja kondensaattorille. Kun esimerkiksi tarkastellaan SiC MOSFETin ID – VDS -käyrää, nielu-lähdejännite normaalille ja maksimitoimintapisteelle määritetään kiinteällä VGS-jännitteellä (vasemmalla kuvassa 3).

Kuva 3. ID – VDS -käyrät SiC MOSFET -transistorille TW070J120B.

TW070J120B-transistorin tapauksessa VDS on 1,1 V, kun ID on 20 A, ja VDS on 2,35 V, kun ID-virta on maksimiarvossaan 40 A.

Seuraava vaihe on löytää valittujen diodien VF-arvo. Kahdelle nopealle CRF03A-tyyppiselle elpymisdiodille tämä on 2 x 1,4 V, kuten kuvasta 3 (oikealla) nähdään.

Viimeinen vaihe on määrittää VDESAT,max ja ICHG valitun älykkään hilaohjaimen datalehdestä. Toshiban TLP5214A-ohjaimelle nämä lukemat ovat 6,5 V ja 250 µA. Tämän perusteella voidaan laskea RDESAT (kuva 4).

Kuva 4. Kaava vastuksen RDESAT resistanssiarvon laskemiseksi.

Jäljelle jää enää kondensaattorin CBLANK kapasitanssiarvon laskeminen. Käyttämällä valitun SiC MOSFETin oikosulunsietoaikoja, jotka ovat välillä 2 - 4 µs, tämä voidaan määrittää kuvan 5 kaavan mukaisesti.

Kuva 5. Kaava kondensaattorin CBLANK kapasitanssiarvon laskemiseksi.

Toiminnan aikana oikosulku- ja ylivirtasuojaukset reagoivat kuvan 6 mukaisesti.

Kuva 6. Aaltomuodot kuvaavat DESAT-piirin vastetta oikosulun ja/tai ylivirtatilanteen aikana.

TLP5214A-piirin kaltaiset älykkäät hilaohjaimet synnyttävät eristetyn signaalin vikalähtönastan kautta. Tämä ilmaisee ongelman ohjainpiirille, kun pehmeä sammutus on kytkettynä (kuva 7). Ohjain voi sen jälkeen määrittää parhaan toimintatavan, esimerkiksi yrittää kytkeä tehokytkimen päälle ohjelmoidun viiveen jälkeen varmistaakseen, ettei keskimääräinen tehohäviö ole liian suuri.

Jos DESAT-toiminnan ja pehmeän sammutuksen ajoitukset ovat liian hitaita sovellukselle (ehkä siksi, että huippukuorma ja häiriötaso ovat alhaisia), suunnittelijat voivat harkita TLP5214-piiriä. Se tarjoaa muuten samat ominaisuudet mutta lyhyemmällä ajoituksella näille parametreille.

Molemmat ohjainpiirit antavat lähtöön maksimissaan ±4,0 ampeerin huippuvirran ja niiden lähtösignaali yltää täyteen syöttöjännitteeseen asti molemmin puolin. Alhaisempia hilavirtoja hyödyntäviä sovelluksia varten tai vaadittaessa taaksepäin yhteensopivuutta edellisiin hilaohjaimiin, tarjolla on TLP5212-ohjainpiiri. Se antaa lähtöön maksimissaan ±2,5 ampeerin huippuvirran eikä sen lähtösignaali yllä syöttöjännitteeseen asti kummallakaan puolella.

Kuva 7. TLP5214(A)-ohjainpiirin lohkokaavio, jossa näkyvät UVLO-, Miller-lukitus- ja DESAT-lohkot.

Hilaohjaimet toimitetaan SO-16L-kotelossa, jonka nastojen sijoittelu tarjoaa 8 mm eristysvälin. Vähintään 5000 voltin (rms) eristysjännitteen ansiosta tämä älykkäiden hilaohjainten perhe soveltuu kaikkiin 600 voltin vaihtojännitteellä toimiviin järjestelmiin ja täyttää turvastandardit UL 1577 ja EN 60747. IGBT-sovelluksissa ohjain tukee enimmillään 50 kilohertsin kytkentätaajuuksia, mutta SiC MOSFETia voidaan ohjata jopa 600 kHz taajuudella.

Etenemisviive on ±150ns TLP5212-piirille sekä ±80ns TLP5214:lle ja TLP5214A:lle. Suurempien hilavirtojen hyödyntämiseksi tarjolla on myös älykäs esiohjainpiiri TLP5231, jonka avulla suunnittelutiimit voivat määrittää hilaohjatut MOSFET-kytkimensä skaalautumaan kunkin sovelluksen asettamiin vaatimuksiin.

Helpotusta suunnitteluun

Erillisten komponenttien avulla voidaan hoitaa vianilmaisut ja Miller-kapasitanssin vaikutukset tehopiireissä. Tällainen lähestymistapa vaatii kuitenkin reilusti piirilevyalaa ja paljon osia sekä runsaasti aikaa toteutuksen testaamiseen ja optimointiin. Suunnitelmalta vaaditaan myös turvasertifikaatti.

Älykkäät hilaohjaimet sen sijaan integroivat kaikki piiriosat, joita tarvitaan DESAT-vianilmaisuun samalla, kun voidaan välttää negatiivisen syötön tarve Miller-lukitusta hyödyntämällä. Tässä esitellyn turvasertifioidun hilaohjainvalikoiman skaalautuvuus tarjoaa tuen monenlaisiin tehotarpeisiin sekä perinteisille IGBT- ja pii-MOSFET-sovelluksille että niille, jotka ovat siirtymässä nopeisiin kytkentäsovelluksiin SiC MOSFETien avulla.

back to top
MORE NEWS

Vuoden teknologiajohtajat Wärtsilästä ja kvanttitietokoneyrityksestä

Suomalaisista teknologiavaikuttajista koostuva tuomaristo valitsi vuoden 2023 teknologiajohtajiksi Wärtsilän Juha Kytölän (kuvassa) ja IQM Quantum Computersin Kuan Yen Tanin. Vuoden 2023 innovaatioprofessorin palkinto myönnettiin Tampereen yliopiston Mircea Guinalle.

Tekoäly tulee perustason valvontakameraan

Piilaaksosta ponnistava Arbarella on jo saanut nimeä energiatehokkaista kuvantamispiireistään, joilla voidaan ajaa myös koneoppimismalleja. Yhtiön uusin tulokas on CV72S-järjestelmäpiiri, joka tuo tekoälyn myös perustason valvontakameroihin.

Oskilloskooppitietoa ilmaiseksi

Kuinka käytetään oskilloskoopin mittapäitä? Mikä on paras tapa suunnitella tehoelektroniikan suotimet? Miten virranlaatu vaikuttaa signaalin eheyteen? Mitä työkaluja voidaan käyttää virheenkorjaukseen? Nämä ja paljon muuta selviävät huhtikuussa Rohde & Schwarzin ilmaisissa Oscilloscope Days -virtuaalitapahtumassa.

Silicon Labs kutisti Bluetooth-radion

Teksasilainen Silicon Labs on esitellyt kaksi uutta piiriperhettä, jotka on suunniteltu markkinoiden pienimpien IoT-laitteiden toteutukseen. Uutuudet ovat xG27-radiopiiri ja BB50-mikro-ohjainyksikkö. Sirujen koot vaihtelevat kahdesta neliömillistä viiteen.

CanSat-tölkkisatelliitteja kilometrin korkeuteen

ESERO Finland ja Tiedekeskus Heureka järjestävät nuorille suunnatun CanSat-kilpailun, jossa lähetetään tölkkisatelliitteja pienoiskantoraketin kyydissä ensimmäistä kertaa kilometrin korkeuteen. CanSat on juomatölkkiin koottu täysin toimiva satelliitin pienoismalli, joka yläilmoissa kerää tutkimuksellista havaintotietoa ilmakehän ilmiöistä.

Ohjaa Raspberry Pi -korttia ajatuksen voimalla

Lontoolaisen Imperial Collegen tutkimusassistentti Ildar Rakhmatulin on työstänyt Raspberry Pi -korttiin lisäosan, jonka avulla korttia voidaan käyttää EEG-mittaukseen. Kovimmissa visioissa suosittua Pi-korttia voidaan käyttää laitteiden ohjaamiseen ajatuksen voimalla.

Nämä kiintolevyt pettävät useimmin

Uudessa läppärissä data tallennetaan jo pääosin flash-piireihin perustuville SSD-levyille, mutta esimerkiksi varmuuskopioinnissa tai edullisemmassa lisätallennustilassa perinteinen mekaaninen HDD-levy on edelleen suosittu. Mutta ovatko ne kestäviä? Uusimman selvityksen mukaan levyissä on selviä eroja ja osa pettää selvästi muita useammin.

Yhä tarkempi ohjaus kännykkälataamiseen

Navitas Semiconductor tunnetaan huippunopeiden galliumnitridi-pohjaisten laturipiirien kehittäjänä. Yhtiö on nyt esitellyt APEC 2023 -tapahtumassa uuden ohjainpiiriperheen GaNSense Control -sarjaan. Ne lisäävät latauspiirien suorituskykyä ja nostavat laitteiston integrointiastetta entisestään.

Valmis työkalupaketti RISC-V-kehitykseen

Yksi viime viikon Embedded World -messujen kuumia puheenaiheita oli avoin RISC-V-arkkitehtuuri ja sen kasvava tarjonta sulautetuissa sovelluksissa. Kehitystyökaluja tarjoava Imperas esitteli messuilla paketin, jolla voidaan kehittää RISC-V-pohjainen suunnittelu konseptista piille.

100 wattia useasta portista

Latureista tulee yhä tehokkaampia ja monikäyttöisempiä. Sandiegolainen Silanna Semiconductor on nyt esitellyt laitevalmistajille referenssialustan, jonka avulla voidaan ensimmäistä kertaa suunnitella moniporttisia 100 watin USB-latureita.

 2022  # mobilbox
TMSNet  advertisement
6/2—15/5 # egenannons mobilbox ecf
Mar Apr May Jun # Rohde mobilbox
Mar Apr May Jun  # Farnell  mobilbox f skyskrapa
Mar 1-9/4 # Ansys sajt

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Valitse langaton teknologia oikein - osa 1

Nykyisin on käytössä useita erilaisia langattoman tiedonsiirron standardeja ja protokollia, jolloin saattaa olla vaikea valita oikeanlainen, tiettyyn sovellukseen soveltuva teknologia. Tässä artikkelissa tuodaan esiin eräitä tärkeimpiä kriteerejä, joita on syytä ottaa tarkastelun kohteeksi, kun valittavana on neljä suosittua vaihtoehtoa: Wi-Fi, Bluetooth Low Energy, valmistajakohtainen RF-tekniikka ja Connectivity Standards Alliancen protokolla Green Power.

Lue lisää...

OPINION

Poliitikot eivät kykene ratkaisemaan autoalan verotusta

Autoalan tiedotuskeskus järjesti tänään Nollasta sataan -paneelikeskustelun, jossa poliitikot keskustelivat sekä liikenteen päästöistä että sen verottamisesta. Paneeli osoitti ennen kaikkea, että poliitikoilla tulee olemaan suuria vaikeuksia laatia kestäviä, tasapuolisia ja järkeviä ratkaisuja ongelmiin.

Lue lisää...

LATEST NEWS

  • Vuoden teknologiajohtajat Wärtsilästä ja kvanttitietokoneyrityksestä
  • Tekoäly tulee perustason valvontakameraan
  • Oskilloskooppitietoa ilmaiseksi
  • Silicon Labs kutisti Bluetooth-radion
  • CanSat-tölkkisatelliitteja kilometrin korkeuteen

NEW PRODUCTS

  • Lähes gigatavu sekunnissa muistikorteille
  • 65 watin laturiproto nopeasti
  • Intelin ARC-näytönohjaimen saa nyt Rutronikilta
  • Sovellus lataa sähköauton automaattisesti halvimmalla sähkönhinnalla
  • Farnellilta nyt tekoälyä verkon reunalle
 

NEWSFLASH

twitter
ETN_fi @ETN_fi
ETN_fi RT @joeprkns: Last night I used GPT-4 to write code for 5 micro services for a new product. A (very good) dev quoted £5k and 2 weeks. G…
maalis 17 • reply • retweet • favorite
ETN_fi This is why Nokia lost the game in mobile phones - an insiders view https://t.co/NB5Wndkx5p
joulu 12 • reply • retweet • favorite
ETN_fi @OnePlus_FI lahjoittaa Pelastusarmeijalle 50 puhelinta jouluapuun. Iso- Britanniassa samanlainen lahjoitus tehdään… https://t.co/LKdl2Pywie
joulu 07 • reply • retweet • favorite
ETN_fi Finnish PM Sanna Marin: We need to cut our dependence on China. https://t.co/598gQXKvlj #Slush2022 #China #electronics #semiconductors
marras 17 • reply • retweet • favorite
ETN_fi https://t.co/ugg6A09vln Need cm level accuracy in your positioning device? Now you can explore this with #ublox two… https://t.co/5rQNxsAu5V
loka 07 • reply • retweet • favorite
web design services
 

Section Tapet