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.

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.