Gate driver что это

Обновлено: 09.01.2025

В мире существует большое количество компаний, предлагающих готовые изолированные драйверы затворов MOSFET и IGBT, наиболее известными из которых на российском рынке являются ON Semiconductor, Infineon, Broadcom Limited (ранее имела название Avago Technologies), International Rectifier, Analog Devices, Toshiba Semiconductor, Vishay.

Главная задача, решаемая драйвером, — преобразование слаботочного логического сигнала контроллера в сигнал управления, чьей мощности должно хватать для быстрой перезарядки емкостей изолированного затвора. Кроме того, поскольку силовые ключи работают при напряжениях, существенно превышающих уровни сигналов контроллера, драйвер должен осуществлять гальваническую развязку (передачу энергии или сигнала между электрическими цепями, не имеющими непосредственного электрического контакта) входных импульсов управления и затворных напряжений. Гальваническая развязка необходима, например, в схемах, где мощный силовой каскад питается от сетевого напряжения, а сигналы управления формируются контроллером, связанным с различными периферийными устройствами. При этом изоляция силовой части и схемы управления устраняет коммутационные помехи и позволяет в экстремальных случаях защитить управляющий контроллер и другие логические устройства.

Основные параметры и требования, на основании которых производится выбор типа драйвера, следующие:

пиковое значение выходного тока силовых ключей и допустимая рассеиваемая мощность преобразователя;
конфигурация используемой схемы: одиночный ключ, драйверы верхнего и нижнего ключей (плеч) мостовой схемы, драйверы верхнего и нижнего ключей с независимым управлением каждого из них, полумостовые драйверы, которые часто имеют только один управляющий вход и могут использоваться для симметричного закона управления, драйверы управления всеми транзисторами мостовой схемы и т. п.;
требуемые функции защиты ключей;
напряжение изоляции и т. д.

Драйверы выпускают в виде интегральных микросхем, которые, помимо мощных каскадов, содержат вспомогательную логику, узлы преобразования уровня и задержки (для пропуска «мертвого» времени, Dead Time), а также схемы защиты от перегрузки по току, короткого замыкания, снижения напряжения питания и ряд других.

При проектировании выходного узла драйвера, управляющего изолированным затвором MOSFET и IGBT, нужно учитывать следующее:

для увеличения входного напряжения до оптимального уровня необходимо обеспечить в цепи затвора соответствующий заряд;
динамические характеристики переключения определяются скоростью перезарядки паразитных конденсаторов транзистора. Минимальные значения времени обеспечиваются в режиме перезарядки постоянным динамическим током;
для ограничения скорости нарастания тока и уменьшения динамических помех следует использовать включенные последовательно резисторы в цепи затвора.

Для надежной изоляции сигналов при управлении затворами MOSFET и IGBT широкое применение нашли оптоэлектронные драйверы различных производителей. С их рассмотрения и начнем наш обзор.

Оптоэлектронные пары (оптроны) зарекомендовали себя как незаменимые элементы не только для гальванической развязки, но и для подавления помех, поступающих через паразитные контуры.

Безопасная оптическая развязка с использованием оптронов присутствует в самых разнообразных устройствах:

высокоскоростной цифровой передачи данных;
аналогового измерения тока и напряжения;
обратной связи и управления;
управления инверторами на MOSFET и IGBT;
управления интеллектуальными модулями питания, рассчитанными на отдачу или потребление больших токов;
порогового детектирования переменных и постоянных напряжений и др.

Если одной из первых областей применения развязки на оптронах была аппаратура цифровой передачи данных, где они использовались для подавления синфазных помех и защиты от бросков напряжения, то затем широкое распространение они получили в том числе в электронных приводах электродвигателей.

Важнейшая задача таких оптронов — обеспечивать необходимый ток затвора MOSFET и IGBT для их переключения в низкоимпедансное состояние. Так, драйвер затвора с пиковым током 2,5 А может управлять транзистором с напряжением до 1200 В и током до 100 А.

Обзор начнем с рассмотрения микросхемы FOD3184 [1] фирмы Fairchild Semiconductor (ныне поглощена фирмой ON Semiconductor) — обновленной версии весьма популярного оптоэлектронного драйвера затвора FOD3120.

Микросхема имеет пиковый выходной рабочий ток 3 A, быстродействующую коммутацию и высокую стойкость к электромагнитным шумам: ослабление синфазной помехи составляет не менее 35 кВ/мкс как при больших, так и при малых напряжениях.

Микросхема FOD3184 содержит светодиод на основе арсенида алюминия-галлия (AlGaAs), оптически связанный с ним фотоприемник, КМОП-детектор и выходной каскад, выполненный на двух MOSFET разной проводимости, что позволило добиться размаха выходного напряжения, близкого к уровню напряжения питания (выход типа Rail-to-Rail), благодаря чему была повышена эффективность системы. Этому также способствует малое выходное сопротивление драйвера.

Микросхема обладает улучшенными характеристиками быстродействия коммутации: задержка распространения составляет 210 нс, а разброс длительности импульса — 65 нс при максимальной частоте коммутации 250 кГц. Высокая скорость нарастания/спада импульса обеспечивает малое динамическое рассеяние мощности. Рабочие характеристики гарантируются в диапазоне температур –40…+100 °C. В микросхему встроена схема защиты от недопустимого понижения напряжения управления и питания UVLO (Under Voltage Lock Out) с гистерезисом.

Этот драйвер идеально подходит для высокочастотного управления мощными MOSFET и IGBT в плазменных панелях, инверторах управления двигателями и высокопроизводительных DC/DC-преобразователях.

Микросхема соответствует международным стандартам безопасности:

UL 1577 — тест на прочность изоляции при напряжении 3750 В (среднеквадратичное значение RMS) переменного тока в течение 1 мин;
IEC/DIN EN 60747-5-2 — максимальное рабочее напряжение изоляции 1440 В.

Рис. 1. Структурная схема микросхемы FOD3184

Структурная схема микросхемы FOD3184 приведена на рис. 1, а назначение ее выводов — в таблице 1. Она выпускается в корпусах DIP-8 и SMT-8.

Номер вывода

Обозначение вывода

Описание назначения вывода

Анод внутреннего светодиода

Катод внутреннего светодиода

Отрицательный вывод напряжения питания (общий провод)

Выходное напряжение 1

Выходное напряжение 2 (соединен с выводом V_O₁)

Ряд оптоэлектронных драйверов затворов мощных MOSFET и IGBT, обладающих высокой скоростью переключения, большим пиковым током и помехоустойчивостью, выпускает компания Broadcom Limited (Avago Technologies). Она производит две линейки оптоэлектронных драйверов: стандартные и интегрированные. Вторые, помимо функции опторазвязки, имеют схемы защиты, представляя, таким образом, готовое решение изолированного управления затворами, не требующее дополнительных внешних элементов.

В таблице 2 приведены основные параметры и возможности некоторых интегрированных драйверов фирмы Broadcom Limited (Avago Technologies).

Параметры и возможности

Тип микросхемы драйвера

ACPL-330J,
ACPL-331J

ACPL-339J

HCPL-316J

ACPL-332J, ACPL-333J

ACPL-336J

ACPL-302J

ACPL-337J

Пиковый выходной ток, А

Прямое или через буферный каскад

Через буферный каскад

Прямое или через буферный каскад

Защита от короткого замыкания

Наличие схемы ограничения эффекта Миллера

Интегрированные драйверы обеспечивают защиту от помех, высокий выходной ток, защиту от паразитных эффектов, мягкое выключение силовых ключей и другие функции.

Уровень подавления синфазного сигнала драйверов достигает 30–50 кВ/мкс, что гарантирует высокую стойкость к наведенным переходным перенапряжениям. Драйверы способны эффективно передавать дифференциальный сигнал, блокируя влияние паразитных синфазных токов и напряжений смещения, возникающих при протекании петлевых заземляющих токов.

Помимо своего основного элемента — оптрона, осуществляющего гальваническую развязку управляющего сигнала, интегрированные драйверы имеют встроенные дополнительные схемы защиты и диагностики, выполняющие следующие функции:

защиты от перенапряжений на затворе при переключениях из-за эффекта Миллера AMC (Active Miller Clamping) — возникновения сквозного тока в полумостовых каскадах, вызванного ложным открыванием MOSFET или IGBT из-за наличия емкости Миллера в его структуре. Наличие схемы AMC упрощает драйвер, так как позволяет не использовать отрицательное запирающее напряжение при выключении MOSFET или IGBT и упростить источник питания драйвера верхнего ключа, применив простую схему подкачки заряда, состоящую из диода и конденсатора (бутстрепную схему);
защиты UVLO, которая выключает выход драйвера в случае понижения питающих напряжений ниже определенного уровня, что очень важно для MOSFET и IGBT, так как такое снижение приводит к их переключению из рабочего состояния в режим линейной проводимости;
защиты по напряжению насыщения (защиты силового ключа от короткого замыкания) DESAT, то есть когда ток истока (коллектора) превышает номинальный ток в пять раз и более. В этом случае выход драйвера выключается независимо от входного управляющего сигнала и активируется сигнал на выходе FAULT («Ошибка»);
обратной связи для индикации ошибки состояния затвора и невключении драйвера;
обратной связи для сигнализации пониженного напряжения.

Рассмотрим подробнее не показанные в таблице 2 оптоэлектронные драйверы затворов, выполненные на микросхемах ACPL-352J, ACFJ-3520 [2] и ACNW3430. Это простые в использовании, содержащие AlGaAs-светодиод интеллектуальные драйверы с максимальным пиковым выходным током 5 А, идеально подходящие для управления IGBT и карбидо-кремниевыми (SiC) и нитрид-галлиевыми (GaN) MOSFET в промышленных преобразователях, инверторах, системах управления двигателями и других силовых устройствах.

Микросхемы обладают такими функциями, как обнаружение перегрузки по току, защита от пониженного напряжения UVLO, «мягкое» отключение и изолированная обратная связь при неисправности.

Драйверы отличаются высоким рабочим напряжением изоляции V_IORM (1414 В), широким температурным диапазоном T_A (–40… +105 °С), высоким быстродействием, то есть временем нарастания/спада сигнала t_PLH /t_PHL (менее 150 нс в микросхемах ACPL-352J и ACFJ-3520, менее 100 нс — в микросхеме ACNW3430) и высокой устойчивостью к синфазным помехам CMR (более 50 кВ/мкс в микросхемах ACPL-352J и ACFJ-3520 при напряжении 1500 В, свыше 100 кВ/мкс — в микросхеме ACNW3430).

Все три драйвера соответствуют требованиям ряда стандартов и сертификатов по безопасности и электромагнитной совместимости, в том числе UL1577 и IEC/DIN EN 60747-5-5.

Микросхема ACPL-352J выполнена в корпусе SO-16, ACFJ-3520 — в корпусе SO-20, а ACNW3430 — в корпусах DIP-8 или SOP-8. Длина пути утечки/электрического зазора (Сreepage/Сlearance) по корпусу и между выводами составляет 8,3 мм.

Рис. 2. Структурная схема микросхемы ACPL-352J

Структурная схема микросхемы ACPL-352J приведена на рис. 2, а назначение ее выводов — в таблице 3.

Номер вывода

Обозначение вывода

Описание назначения вывода

Общий провод входных цепей

Выход сигнала блокировки при пониженном напряжении питания V_DD₂

Выход сигнала обратной связи по току при неисправности

Выход сигнала обратной связи в зависимости от статуса MOSFET/IGBT

Напряжение питания входных цепей

Выход драйвера нижнего ключа

Положительное напряжение питания

Отрицательное напряжение питания

Производство оптоизолированных драйверов затворов MOSFET и IGBT с диапазоном пикового выходного тока 0,6–6 А является одним из ключевых направлений компании Toshiba Semiconductor. Их большой выходной ток способен напрямую управлять мощными MOSFET и IGBT с напряжением 1200 В и током 200 А.

В таблице 4 представлены основные типы микросхем драйверов затворов производства этой фирмы, их параметры и возможности.

Длина пути утечки/электрический зазор, мм

Тип корпуса

Пиковый выходной ток, А

Время задержки распространения сигнала, нс

Тип микросхемы

500

150

2,5

500

200

150

0,6

700

500

200

Все микросхемы этой линейки гарантируют высокий уровень помехозащищенности (подавление синфазных помех CMR достигает 40 кВ/мкс), что идеально для промышленных применений в среде с сильными электромагнитными шумами. Напряжение изоляции составляет 5 кВ (RMS в течение 1 мин), диапазон рабочих температур –40…+125 °С.

Почти во все из них встроена схема ULVO, которая удерживает выход драйвера на низком уровне до тех пор, пока напряжение питания не превысит необходимый порог, что предотвращает выход из строя управляемого транзистора.

В линейке рассматриваемых драйверов есть модели с выходом типа Rail-to-Rail, у которых выходное напряжение высокого уровня почти эквивалентно входному. Это позволяет уменьшить как коммутационные потери в MOSFET и IGBT, так и потери энергии в самом оптроне.

Ниже подробнее рассмотрена микросхема TLP5214 [3], которая предназначена для работы в цепях с высокой индуктивной нагрузкой и требует минимального количества внешних элементов. Помимо схемы ULVO, она содержит и другие узлы, обеспечивающие дополнительные защитные функции.

Рис. 3. Структурная схема микросхемы TLP5214

Структурная схема микросхемы TLP5214 приведена на рис. 3, а назначение ее выводов — в таблице 5.

Номер вывода

Обозначение вывода

Описание назначения вывода

Общий провод входных цепей

Напряжение питания входных цепей

Выход обратной связи при неисправности

Общий провод входных цепей

Положительное напряжение питания

Токовый вход обратной связи для защиты силового ключа от короткого замыкания

Анод светодиода обратной связи

Отрицательное напряжение питания

Несмотря на ряд достоинств, высоковольтные драйверы затворов, выполненные на основе оптронов, имеют ряд ограничений. Это, прежде всего, не самые лучшие временные характеристики:

невысокая скорость переключения, приводящая к увеличению времени непроизводительной паузы («мертвого» времени), что уменьшает общую эффективность;
задержки распространения сигнала превышают 350 нс;
разброс временных характеристик разных компонентов одной серии может превышать 200 нс;
существенная разница между временем нарастания и спада, иногда превышающая 100 нс.

Другой недостаток таких драйверов, ограничивающий срок их службы при высоких температурах, — износ потребляющего значительную мощность и подверженного эффекту старения светодиода оптрона.

Наконец, третий недостаток связан с образованием эффекта защелкивания, когда кратковременные импульсные помехи выходят за диапазон напряжения питания и могут приводить к разрушению изоляции p-n-перехода.

Этих недостатков лишены обеспечивающие в настоящее время наилучшие быстродействие, надежность и производительность изолированные драйверы затворов MOSFET и IGBT, выполненные на основе проверенной временем и удостоенной наград современной технологии цифровой гальванической изоляции iCoupler компании Analog Devices, — сегодня они используются в сотнях приложений, число которых постоянно растет.

Компанией, являющейся мировым лидером в производстве цифровых изоляторов, в качестве альтернативы установленным в оптронах светодиодам и фотодиодам применяются миниатюрные трансформаторы, которые по сравнению с оптронами обеспечивают большую пропускную способность, потребляют меньшую мощность и более стабильны во времени. Трансформаторы iCoupler реализованы непосредственно на кристалле и представляют собой планарные структуры, выполненные из CMOS-слоев и металлизации золотом. Полиамидный слой с высоким напряжением пробоя под слоем металлизации изолирует верхнюю обмотку трансформатора от нижней, за счет чего обеспечивается максимальная надежность и наибольший уровень изоляции цифровых сигналов.

Изолированные драйверы затворов компании Analog Devices обеспечивают гальваническую развязку при пиковом выходном токе до 4 А, высокое быстродействие с максимальной задержкой распространения сигналов 55 нс и погрешностью временного согласования каналов менее 5 нс, устойчивость к синфазным помехам 100 кВ/мкс, а также срок службы не менее 50 лет при работе в сети переменного тока напряжением 400 В (RMS) и в сети постоянного тока напряжением до 1130 В.

Они удовлетворяют стандартам качества, обеспечивая гарантированную гальваническую изоляцию напряжений до 5 кВ (RMS) в каждом отдельном канале и пиковых напряжений до 700 В между выходами каналов драйвера, что минимизирует вероятность возникновения перекрестной проводимости, повышает надежность и безопасность оборудования.

Такие драйверы предназначены для улучшения характеристик и повышения КПД источников питания на основе преобразователей напряжений переменного (AC/DC) и постоянного тока (DC/DC), инверторов для солнечных панелей и схем управления двигателями, в которых необходимо обеспечить выполнение требований к безопасности.

При использовании этих драйверов, например в построении источников питания, удается получить значительное повышение их надежности в широком рабочем температурном диапазоне, используя корпуса меньших габаритов. За счет этого достигается увеличение компактности и общего КПД системы питания.

Все выпускаемые по технологии iCoupler драйверы соответствуют стандартам безопасности и электромагнитной совместимости, в том числе UL1577 и IEC 61000-4-4.

В таблице 6 представлены типы микросхем драйверов затворов компании Analog Devices, выполненных по технологии iCoupler, и их некоторые параметры.

gate driver

Golden Gate Ferry — Infobox Public transit name = Golden Gate Transit locale = San Francisco Bay Area (North Bay) transit type = Ferry began operation = 15 August 1970 (ferry service) lines = 2 ferry routes ridership = 1.87 million yearly (FY 2006) operator = Golden … Wikipedia

Device driver synthesis and verification — The device driver is a program which allows the software or higher level computer programs to interact with a hardware device. These software components act as a link between the devices and the operating systems, communicating with each of these … Wikipedia

Golden Gate Bridge — Pour les articles homonymes, voir Golden Gate (homonymie). Golden Gate Bridge Pays … Wikipédia en Français

gate driver

Golden Gate Bridge — Pour les articles homonymes, voir Golden Gate (homonymie). Golden Gate Bridge Pays … Wikipédia en Français

Gate Driver

Блок Gate Driver обеспечивает абстрактное представление интегральной схемы драйвера логического элемента. Модели блока вводят гистерезис, задержку распространения и turn-on/turn-off динамику. Если, моделируя схему драйвера логического элемента явным образом, всегда не используйте этот блок или блок Half-Bridge Driver , чтобы установить напряжение источника логического элемента на блоке MOSFET или эмиттерное логическим элементом напряжение на блоке IGBT. Не соединяйте управляемый источник напряжения непосредственно с полупроводниковым логическим элементом, потому что это не использует выходной импеданс драйвера логического элемента, который определяет переключающуюся динамику.

Блок Gate Driver имеет два варианта моделирования, доступные путем щелчка правой кнопкой по блоку по блок-схеме и затем выбирания подходящей опции из контекстного меню, под Simscape> Block choices:

Electrical input ports — Состоянием вывода драйвера управляют две электрических входных связи, PWM и REF. Используйте этот вариант, если ваша модель имеет восходящие аналоговые компоненты, такие как источник Controlled PWM Voltage .

Когда вход повышается выше уровня на входе логической 1, переход состояния вывода от прочь до на инициируется после задержки, равной повороту - на задержке распространения. Потребованное выходное напряжение через шаги портов G и S в значении от выходного напряжения несостояния до выходного напряжения на состоянии, но фактического выходного напряжения установлено постоянной времени RC, сопоставленной со значением On-state gate drive resistance и емкостью полной нагрузки. Точно так же, когда вход падает ниже входного значения логического 0, переход состояния вывода от на прочь инициируется после задержки, равной выключить задержке распространения и с динамикой, теперь установленной значением Off-state gate drive resistance.

Отказы

Можно вставить отказ в выход драйвера логического элемента в заданном времени симуляции, чтобы сделать соединенное полупроводниковое устройство или постоянно прочь или постоянно на. Используйте эту функцию, чтобы представлять не пройдено полупроводниковое устройство, как отказавший в разомкнутой цепи или при нормальных условиях на состоянии.

Читайте также: