Gate drivrutin

En grinddrivenhet är en effektförstärkare som accepterar en lågeffektingång från en styrenhets IC och producerar en högströmsdrivinsignal för grinden på en högeffekttransistor, såsom en IGBT eller effekt MOSFET . Gate-drivrutiner kan tillhandahållas antingen on-chip eller som en diskret modul. I huvudsak består en gate-drivrutin av en nivåväxling i kombination med en förstärkare . En grinddrivkrets IC fungerar som gränssnittet mellan styrsignaler (digitala eller analoga styrenheter) och strömbrytare (IGBT, MOSFET, SiC MOSFET och GaN HEMT ). En integrerad gate-drivrutinlösning minskar designkomplexitet, utvecklingstid, stycklist (BOM) och kortutrymme samtidigt som tillförlitligheten förbättras jämfört med diskret implementerade gate-drive-lösningar.

Historia

1989 introducerade International Rectifier (IR) den första monolitiska HVIC-grinddrivningsprodukten, teknologin för högspänningsintegrerade kretsar (HVIC) använder patenterade och proprietära monolitiska strukturer som integrerar bipolära, CMOS- och laterala DMOS-enheter med genomslagsspänningar över 700 V och 1400 V för driftoffsetspänningar på 600 V och 1200 V.

Genom att använda denna HVIC-teknik med blandade signaler kan både högspänningsnivåskiftande kretsar och analoga och digitala lågspänningskretsar implementeras. Med förmågan att placera högspänningskretsar (i en "brunn" bildad av polykiselringar), som kan "flyta" 600 V eller 1200 V, på samma kisel bort från resten av lågspänningskretsen, hög sida Power MOSFETs eller IGBTs finns i många populära offline-kretstopologier som buck, synkron boost, halvbrygga, helbrygga och trefas. HVIC-grinddrivrutinerna med flytande switchar är väl lämpade för topologier som kräver högsida, halvbrygga och trefaskonfigurationer.

Syfte

I motsats till bipolära transistorer kräver MOSFETs inte konstant strömingång, så länge de inte slås på eller av. Den isolerade gate-elektroden på MOSFET bildar en kondensator (gate-kondensator), som måste laddas eller laddas ur varje gång MOSFET slås på eller av. Eftersom en transistor kräver en viss gate-spänning för att slå på, måste gate-kondensatorn laddas till åtminstone den erforderliga gate-spänningen för att transistorn ska kunna slås på. På liknande sätt, för att stänga av transistorn, måste denna laddning försvinna, dvs. gatekondensatorn måste laddas ur.

När en transistor slås på eller av växlar den inte omedelbart från ett icke-ledande till ett ledande tillstånd; och kan övergående stödja både en hög spänning och leda en hög ström. Följaktligen, när gate-ström appliceras på en transistor för att få den att växla, genereras en viss mängd värme som i vissa fall kan vara tillräckligt för att förstöra transistorn. Därför är det nödvändigt att hålla kopplingstiden så kort som möjligt för att minimera kopplingsförlusten . Typiska kopplingstider ligger inom området mikrosekunder. Omkopplingstiden för en transistor är omvänt proportionell mot mängden ström som används för att ladda grinden. Därför krävs ofta omkopplingsströmmar i intervallet flera hundra milliampere, eller till och med i intervallet ampere . För typiska gate-spänningar på cirka 10-15V kan flera watts effekt krävas för att driva switchen. När stora strömmar kopplas om vid höga frekvenser, t.ex. i DC-till-DC-omvandlare eller stora elmotorer , tillhandahålls ibland flera transistorer parallellt för att tillhandahålla tillräckligt höga omkopplingsströmmar och omkopplingseffekt.

Omkopplingssignalen för en transistor genereras vanligtvis av en logisk krets eller en mikrokontroller , som ger en utsignal som vanligtvis är begränsad till några milliampere ström. Följaktligen skulle en transistor som är direkt driven av en sådan signal växla mycket långsamt, med motsvarande hög effektförlust. Under omkoppling kan transistorns gate-kondensator dra ström så snabbt att den orsakar ett strömöverdrag i logikkretsen eller mikrokontrollern, vilket orsakar överhettning som leder till permanent skada eller till och med fullständig förstörelse av chipet. För att förhindra att detta inträffar finns en grinddrivrutin mellan mikrokontrollerns utsignal och effekttransistorn.

Laddningspumpar används ofta i H-broar i högsidesdrivrutiner för grinddrivning av högsidans n-kanals effekt MOSFET och IGBT . Dessa enheter används på grund av deras goda prestanda, men kräver en gate-drivspänning några volt över kraftskenan. När mitten av en halvbrygga blir låg laddas kondensatorn via en diod, och denna laddning används för att senare driva grinden på den höga FET-grinden några volt över källans eller emitterstiftets spänning för att slå på den. Denna strategi fungerar bra förutsatt att bryggan växlas regelbundet och undviker komplexiteten med att behöva köra en separat strömförsörjning och tillåter att de mer effektiva n-kanalsenheterna kan användas för både höga och låga switchar.

externa länkar

• Gate Driver ICs för IGBT och MOSFET
• Power MOSFET Gate-drivrutiner