Budič má za úkol stabilně řídit výkonový prvek pomocí hradla Gate. Budič musí dodávat dostatečně vysoký proud navzdory vnitřní parazitní kapacitě, indukčnosti a dalším negativním vlastnostem tranzistoru. Správně navržený budič je rozhodujícím prvkem pro využití plného potenciálu a účinnosti výkonového prvku. Stejnosměrné napájení budiče by mělo být nezávislé na napájení ostatních prvků obvodu. V mnoha případech se jedná o nesymetrické bipolární napájení. Tento článek se zaměří na napájecí zdroje pro budiče tranzistorů, přičemž jako příklad si uvedeme 2W SMD DC/DC zdroj řady Murata Power Solutions MGJ2.
Základním prvkem je spínací tranzistor
Pro pochopení celé funkce budiče si uvedeme jaké dva stavy spínacího prvku je důležité ovládat. Když je napětí VGS < VTH, je MOSFET ve stavu „otevřený spínač“. To znamená, že neteče žádný proud ID. (obrázek 1).
Obrázek 1: V režimu „cut-off“ je MOSFET jako otevřený (rozpojený) spínač. (Zdroj obrázku: Quora)
Naopak, když je napětí VGS > VTH, je MOSFET v saturační oblasti a tranzistorem protéká maximální proud daný rovnicí IID = VDD /RL. Tranzistor se tváří jako „uzavřený spínač“ s nízkým odporem (obrázek 2). Pro ideální MOSFET tranzistor by se napětí VDS mělo rovnat nule, ale v praxi je hodnota napětí VDS kolem 0,2 V kvůli vnitřnímu odporu RDS(on), který je obvykle několik desítek mΩ, ale může dosahovat až 0,1 Ω.
Obrázek 2: V saturačním režimu se MOSFET tranzistor tváří jako „uzavřený spínač“ s velmi nízkým odporem. (Zdroj obrázku: Quora)
V závislosti na typu spínacího prvku může být množství proudu potřebné k rychlému přechodu do plně sepnutého stavu jen několik miliampérů až několik ampérů. Hlavním úkolem budiče je rychle přivést dostatečný proud do hradla Gate, aby se MOSFET otevřel nebo tento proud rychle nastavit na nulovou hodnotu, aby se výstup plně zavřel. Formálně řečeno, budič musí být napájen z nízkoimpedančního zdroje schopného rychle dodat nebo rychle zastavit proud. Pokud by se hradlo Gate chovalo čistě jako odporová zátěž, bylo by buzení relativně jednoduché. MOSFET tranzistor ale vykazuje vnitřní parazitní kapacitu a indukčnost (obrázek 3).
Obrázek 3: Tento model MOSFETu ukazuje parazitní kapacitu a indukčnost, která ovlivňuje výkon měniče. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Výsledkem je kmitání signálu okolo prahového napětí. To způsobuje mnohonásobné zapínání a vypínání až dojde k úplnému zapnutí nebo vypnutí. Je to do jisté míry analogie „zakmitávání“ mechanického spínače (obrázek 4).
Obrázek 4: Kmitání výstupu budiče v důsledku parazitní kapacity nebo indukce může způsobit zakmitávání výstupu, podobně jako u mechanického spínače. (Zdroj obrázku: Learn About Electronics)
U spínače, který se používá pro rozsvícení nebo zhasnutí světla toto zakmitávání nemusí vadit. Problém nastává v obvodech s pulsně šířkovou modulací (PWM) napájecích zdrojů, motorových driverů a podobných aplikací. Zakmitávání spínače může způsobit nežádoucí zkraty nebo dokonce trvalé poškození polovičního či plného můstku. To znamená, že může dojít k nežádoucímu současnému sepnutí obou MOSFET tranzistorů na jedné straně můstku, byť jen na okamžik. Tento jev je známý jako tzv. „prostřelení můstku“ (obrázek 5).
Obrázek 5: Normální sepnutí MOSFET tranzistorů Q1 a Q4 (vlevo) nebo Q2 a Q3 (vpravo). Pokud jsou Q1 a Q2 nebo Q3 a Q4 sepnuty současně kvůli problémům s budičem nebo jiným příčinám, dojde mezi napájením a zemí ke zkratu. (Zdroj obrázku: Quora)
Detailní pohled na budič tranzistoru
Aby bylo možné přivést proud do hradla Gate, kladné napětí by mělo být dostatečně vysoké, aby bylo zajištěno úplné nasycení výkonového spínače. Tato hodnota napětí je dána typem výkonového prvku. IGBT a standardní MOSFETy potřebují pro plně sepnutý stav 15 V a SiC MOSFETy vyžadují až 20 V. Pro vypnutý stav stačí 0 V, nicméně záporné napětí, typicky mezi -5 a -10 V, umožňuje rychlé přepínání. Jakákoli indukčnost emitoru (L) (v bodě 'x' na obrázku 6) mezi spínačem a budičem způsobí při vypínání spínače opačné napětí na Gate-Emitor. I velmi malá indukčnost 5 nH (několik milimetrů měděné cesty) vytvoří až 5 V při rychlosti přeběhu di/dt 1000 A/μs.
Obrázek 6: I malá indukčnost emitoru v bodě 'x' mezi spínačem a budičem může při vypínání spínače indukovat opačné napětí Gate-Emitor. To způsobí tzv. „jitter“ při zapnutí/vypnutí. (Zdroj obrázku: Murata Power Solutions)
Záporné napětí pomáhá překonat jev zvaný Millerův efekt. Díky němu se vstřikuje proud do obvodu budiče během vypínání spínače. Když je tranzistor rozpojen, napětí VGE vzroste a proud o hodnotě Cm × dVce / dt protéká přes Millerovu kapacitu, do kapacity CGE přes odpor hradla Gate přímo do budiče. Výsledné napětí VGE může být dostatečné k opětovnému sepnutí, a to může způsobit trvalé poškození tranzistoru (obrázek 7).
Obrázek 7: Záporné napětí může minimalizovat jev, ke kterému dochází v důsledku přítomnosti kapacity Millerova efektu v MOSFET nebo IGBT tranzistoru. (Zdroj obrázku: Murata Power Solutions)
Tím, že je na hradlo Gate přivedeno záporné napětí, je tento efekt do značné míry minimalizován. Z tohoto důvodu je nutné při návrhu budiče počítat s kladným i záporným napětí. Na rozdíl od většiny bipolárních DC/DC konvertorů, které mají symetrické výstupy (jako je +5 V a -5 V), mělo by napájení pro budiče unipolárních tranzistorů být asymetrické, kde kladné napětí obvykle bývá větší než záporné.
Výpočet jmenovitého výkonu
Základní výpočet velikosti proudu, a tím i jmenovitý výkon budiče je poměrně jednoduchý. V každém spínacím cyklu musí být hradlo Gate nabito a vybito přes odpor Rg. Datové listy tranzistoru obsahují detailní křivku pro hodnotu náboje Qg. Hodnota Qg je množství náboje, které je nutné „vstříknout“ do hradla Gate, aby došlo k sepnutí MOSFET tranzistoru při určitém napětí. Výkon, který musí DC/DC měnič poskytnout, je odvozen podle vzorce:
Kde Qg je náboj hradla Gate pro zvolený rozkmit napětí Vs (kladné až záporné) při frekvenci F. Tento výkon je rozptýlen ve vnitřním odporu Rint hradla Gate a vnějším sériovém odporu Rg. Většina budičů potřebuje napájecí zdroj s výkonem až dva watty. Dalším parametrem je špičkový proud Ipk, který je potřebný k nabití a vybití hradla Gate. Proud se vypočítá podle následujícího vzorce:
V mnoha případech je tento špičkový proud větší, než může DC/DC měnič poskytnout. Místo většího a zároveň nákladnějšího zdroje se tento problém řeší pomocí „bulk“ kondenzátorů připojených k napájení. Velikost kapacity těchto kondenzátorů se vypočítá podle základního vzorce, ale je důležité, aby měly nízký ekvivalentní sériový odpor (ESR) a indukčnost (ESL).
Na co si dát pozor přinávrhu měniče
Regulace
Zátěž DC/DC měniče se blíží nule, když je tranzistor rozepnut. Většina měničů však potřebuje vždy minimální zatížení, jinak se jejich výstupní napětí může dramaticky zvýšit, možná až na úroveň průrazu tranzistoru. Toto vysoké napětí je uloženo ve velkoobjemových kondenzátorech, takže když tranzistor začne spínat, mohlo by být na hradlo Gate přivedeno příliš velké až průrazné napětí. Proto by měl být použit DC/DC měnič, který má velmi stabilní výstupní napětí nebo ten, který je schopen pracovat i ve s velmi nízkým zatížením.
Spínání a rozpínání:
Je důležité, aby IGBT a MOSFET tranzistory nebyly aktivně řízeny řídicími signály PWM, dokud není napájecí napětí na příslušné hodnotě. Jelikož dochází k rychlému spínání, může nastat přechodný stav, kdy je tranzistor sepnut, i když je signál PWM neaktivní. To může způsobit vážné poškození tranzistoru.
Obrázek 8: Je důležité, aby výstupy DC/DC měniče neměly napěťové přechody během spínání. (Zdroj obrázku: Murata Power Solutions)
Galvanické oddělení a vazební kapacita :
Pro bezpečnost uživatele a pro splnění příslušných norem je nutné, aby tranzistory na vrchní straně můstku byly galvanicky odděleny od země. Kromě toho musí být izolační bariéra robustní a nesmí vykazovat degradaci. Dále existují problémy způsobené kapacitní vazbou přes tuto izolační bariéru. Jedná se o podobný jev jako svodový proud mezi primárním a sekundárním vinutím plně izolovaného transformátoru střídavého proudu. Budicí obvod a jeho napájení by měly být opatřeny filtrem dV/dt a měly by mít velmi nízkou vazební kapacitu. Tento problém je způsoben velmi rychlými spínacími hranami, typicky 10 kV/μs až dokonce 100 kV/μs u nejnovějších tranzistorů GaN. Toto rychle se měnící dV/dt způsobuje přechodný tok proudu přes kapacitu izolační bariéry DC/DC měniče.
Proud se vypočítá podle vztahu I = C x (dV/dt). Z toho plyne, že i malá bariérová kapacita například 20 pF při spínání 10 kV/μs vede k toku proudu 200 mA. Tento proud se dostane přes obvody regulátoru zpět do můstku, a to způsobí napěťové špičky na odporech a indukčnostech. Velmi nízká vazební kapacita je nutná, aby došlo k potlačení tohoto jevu. Izolační bariéra je navržena tak, aby nepřetržitě odolávala jmenovitému napětí. Protože je napětí přepínáno, může bariéra rychleji degradovat v průběhu času. To je způsobeno elektrochemickými jevy uvnitř izolační bariéry. DC/DC měnič proto musí mít robustní izolaci.
Odolnost vůči přechodovým jevům:
CMTI (Common-mode transient immunity) je důležitý parametr, který se uplatní hlavně při vyšších spínacích frekvencích. CMTI je definována jako maximální přípustná rychlost nárůstu nebo poklesu souosého napětí aplikovaného mezi dva izolované obvody a udává se v kV/µs nebo voltech za V/ns. Datasheet DC/DC měniče specifikuje hodnotu CMTI a konstruktéři musí přizpůsobit provozní frekvenci a napětí obvodu.
Jak splnit požadavky na DC/DC měnič pro budič tranzistoru
Murata rozšířila řadu DC/DC měničů MGJ2 o SMD jednotky. Díky vysokému výkonu, kompaktnímu tvaru a nízkému profilu (20 x 15 x 4 mm) se hodí pro napájení obvodů s IGBT a MOSFET tranzistorem v aplikacích s omezeným prostorem (obrázek 9).
Obrázek 9: Všechny DC/DC měniče řady Murata MGJ2 mají stejný vzhled a velikost, ale liší se různými jmenovitými hodnotami vstupního a výstupního napětí. (Zdroj obrázku: Murata Power Solutions)
K dispozici jsou 2 wattové měniče, které pracují s nominálními vstupními napětími 5, 12 a 15 V a nabízejí výstupní napětí (+15 V / -5 V, +15 V / -9 V a + 20V/-5V ). Povrchová montáž umožňuje bližší umístění k budiči, čímž se snižuje složitost a zároveň se minimalizuje rušení EMI nebo radiofrekvenční rušení (RFI). Řada MGJ2 je splňuje požadavky na vysokou izolaci a dV/dt potřebné pro můstkové obvody používané v motorových pohonech a měničích. Teplotní třída a konstrukce je na průmyslové úrovni, a to zajišťuje dlouhou životnost a spolehlivost. Mezi další klíčové vlastnosti patří:
- Zesílená izolace podle UL62368
- Splňuje ANSI/AAMI ES60601-1
- 5,7 kV DC izolační napětí
- Velmi nízká izolační kapacita
- Provoz až do +105 °C (s omezením výkonu)
- Ochrana proti zkratu
- Přechodová imunita v běžném režimu (CMTI) >200 kV/µs
- Continuous barrier-withstand napětí 2,5 kV
MGJ2D152005MPC-R7 má nominální vstupní napětí 15V (13,5 až 16,5 V) a poskytuje asymetrické výstupní napětí +20 V a -5,0 V s proudem až 80 mA. Dále nabízí 9% a 8% regulaci zátěže (maximum) pro dva výstupy, zvlnění a šum pod 20/45 mV (typické/maximum), účinnost 71/76 % (minimum/typická), izolační kapacitu pouhou 3 pF a střední dobu selhání (MTTF) přibližně 1100 kHrs (stanoveno pomocí MIL-HDBK-217 FN2) a 43 500 kHrs (podle výpočtových modelů Telecordia SR-332).
MGJ2D121509MPC-R7 pracuje z nominálního vstupního napětí 12V (10,8 V až 13,2 V) a poskytuje asymetrický výstup +15 V a -9,0 V, rovněž až do 80 mA. Mezi další klíčové vlastnosti patří regulace zátěže 8 %/13 % (typická/maximální) pro výstup +15 V a regulace zátěže 7 %/12 % (typická/maximální) pro výstup -9,0 V, zvlnění a šum pod 20/45 mV (typická/maximální), účinnost 72/77 % (minimum/typická), izolační kapacitu 3 pF a MTTF přibližně 1550 kHrs (při použití MIL-HDBK-217 FN2) a 47 800 kHrs (modely Telecordia).
Závěr
Výběr vhodného MOSFET nebo IGBT tranzistoru je jedním z mnoha kroků během návrhu spínaného zdroje. Neméně důležitým krokem je návrh budiče, který ovládá hradlo Gate tranzistoru a přepíná tak výstup tranzistoru mezi stavy sepnuto/rozepnuto rychle a přesně. Budič potřebuje vhodný DC/DC měnič, který musí poskytovat dostatečný výkon. Řada 2wattových DC/DC měničů Murata MGJ2 pro povrchovou montáž nabízí dostatečný elektrický výkon a také splňuje mnoho standardů, které musí tyto měniče splňovat.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.
