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SCELTA DEL GATE DRIVER PER GLI IGBT
Obiettivo Scegliere un IC che consenta il pilotaggio del gate dei tasti di potenza IGBT tra quelli presenti in commercio. Il Gate Driver deve permettere commutazioni rapide del tasto e fornire una protezione dello stesso, con lo scopo di evitare che esca dai valori limite di funzionamento di temperatura e di corrente. I Gate Drivers si differenziano per il numero di gate che sono in grado di pilotare: Single, Dual (pilotano due gate), o addirittura Bridge (un solo IC pilota un intero ponte).
Commutazioni La velocità di commutazione del tasto dipende sostanzialmente dai parametri seguenti:
• Cg, capacità equivalente di gate dell’IGBT • Ig, corrente di gate erogabile in uscita od
ingresso al gate driver
Poichè la scelta del modello dei tasti di potenza è già stata effettuata, il primo parametro è da
assumere come dato del problema. Quindi, a parità di tensione di gate, la quantità di carica accumulata dal gate dell’IGBT è nota (il
BSM25 ha una carica di Qg=120nC con Vge di 15V). Ne discende che maggiore sarà la
corrente Ig che il gate driver può sopportare e minore sarà il tempo minimo di commutazione. Il calcolo approssimato del tempo di accensione del tasto può essere il seguente:
Vgp Vg Rg Qg tON − ⋅ =
dove Rg è la resistenza posta in serie al gate e Vgp la tensione del gate plateau. La caratteristica [Tensione di gate – Capacità di gate] degli IGBT in genere ha un andamento lineare tranne che per un tratto centrale in cui la tensione non aumenta proporzionalmente alla carica, denominato appunto gate plateau. La Vgp è la tensione del tratto piano della caratteristica estrapolabile dalla fig. “Typ.Gate Charge” del datasheet del BSM25.
Protezioni Nelle applicazioni di controllo di motori, i cortocircuiti costituiscono un rischio non remoto, soprattutto nel nostro caso in cui il
motore azionato è in continua con il collettore a spazzole. Nel caso di cto-cti il passaggio di elevate correnti all’interno del tasto di potenza porterebbe velocemente quest’ultimo alla temperatura critica. Quindi è opportuno che il gate driver sia in grado di rilevare eventuali cto-cti e disabilitare quindi il tasto prima che questo raggiunga una temperatura troppo elevata.
Quando un tasto è abilitato ed in conduzione, la tensione Vce (collettore-emettitore), a parità di corrente, aumenta rapidamente al diminuire della tensione di gate Vge. Questo fa sì che la potenza dissipata dal componente aumenti a sua volta e faccia aumentare la temperatura della giunzione fino al valore critico. Alcuni Gate Drivers sono in grado di rilevare se la loro tensione di alimentazione scende a valori tali da portare l’IGBT fuori dal funzionamento in saturazione: in tal caso inibiscono il componente per evitare il surriscaldamento.
Bootstrap Bootstrap letteralmente significa “innesco”. Questo termine è usato per denominare un sistema di alimentazione a basso costo usato
per i Gate Drivers dei tasti “alti” di un ponte. Il potenziale dell’emettitore del tasto alto di un ramo di due IGBT dipende dallo stato del tasto basso. Quando il tasto basso è chiuso l’emettitore si trova al potenziale negativo della alimentazione del ponte. Viceversa, quando il tasto basso è aperto e si chiude il tasto alto l’emettitore è portato al potenziale del ramo alto. Siccome il circuito di gate è riferito al potenziale dell’emettitore del tasto comandato, c’è bisogno di un circuito che mantenga entro i limiti di buon funzionamento la tensione di alimentazione del Gate Driver del tasto alto, nonostante il potenziale flottante dell’emettitore. Questo effetto si può ottenere formando alimentazioni separate per ogni Gate Driver, oppure più economicamente formando un circuito di bootstrap che sfrutti la stessa alimentazione dei tasti bassi. Il principio di funzionamento del bootstrap è quello di generare una tensione costante che “sieda” sulla tensione di emettitore del tasto, in modo tale che il Gate Driver sia alimentato con una tensione ai suoi capi costante. Il circuito di bootstrap è costituito essenzialmente da un diodo e da una capacità. Alcuni Gate Driver
supportano direttamente il bootstrap con un ingresso dedicato isolato otticamente od in modo capacitivo.
Confronto Da una prima cernita dei molti componenti in commercio sono stati selezionati, in base alle caratteristiche elettriche, quattro componenti: • On-Semi MC33153P (prezzo di mercato:
€2,52)
• Vishay Siliconics Si9910i (€4,71) • International Rectifiers IR2127 (€6,91)
• International Rectifiers IR2214ss (non reperibile)
Tabella 1 - Confronto tra Gate Drivers
NOME PRODOTTO MC33153P SI9910 IR2127-8 IR2214ss
Numero di canali Single Single Single Halfbridge
Current source [A] 1 1 0,2 2
Current sink [A] 2 1 0,42 3
Gate drive voltage [V] 13,9 12 to 20 10,4 to 20 P.supply Voltage [V] 20 10,8 to 16,5 25 floating (upto625) 25 floating (unto1225) Logic supply voltage [V] 0 to 20 0 to 25
Logic input HI [V] >2,70 >7,4 >3 >2 Logic input LOW [V] <2,30 <6 <0,8 <0,8
Max propagation delay [ns] 300 135 250 660
UVLO protection startup|disable [V] 12 | 11 | 10,6 | 10,3 Protections Overcurrent Overcurrent Overcurrent
Shortcircuit Shortcircuit
UVLO UVLO UVLO UVLO
(Desaturation) instead Overcurr. Desaturation Features Prog. Fault Blanking time
Negative gate drive
Bootstrap compatible Bootstrap up to 1200V Bootstrap up to 600V Charge pump compatible
dI/dt control by ext.restistor dI/dt control dV/dt control negative dV/dt immune
5V logic compatible 3,3V logic compatible Matched delay outputs P: case 625
D: SMD pins 7: input-output in phase SMD pins 8:in-out out oh phase
L’IR2214ss è stato scartato preliminarmente in quanto non ancora reperibile in Italia al dettaglio, essendo un componente di recente produzione ed ancora non commercializzato ampiamente.
Scelta e motivazioni La scelta finale è ricaduta sul componente della On Semi (che ha acquisito il brevetto dalla Motorola) MC33153P, in quanto:
• Sopporta le corrente di gate maggiore consentendo commutazioni più rapide
• Consente una tensione di gate ottimale per il pilotaggio degli IGBT del BSM25 (attorno ai 15V)
• Ha integrata la protezione di desaturazione per impedire il funzionamento altamente dissipativo del componente
• Ha la Under Voltage Lock Out, cioè disabilita il pilotaggio del gate se la tensione di alimentazione del driver scende sotto gli 11V per evitare che la Vge del tasto in conduzione scenda sotto questo livello.
• E’ compatibile con la logica 5V CMOS del PIC16F877
L’unico svantaggio rispetto agli altri componenti risiede che nel fatto che non incorpora isolamento galvanico tra ingresso ed uscita, per cui sarà necessario un fotoaccoppiatore esterno. L’alimentazione negativa del gate durante lo off-state del tasto è utile per limitare la corrente di shoot-through che si verifica quando al tasto è applicata una derivata di tensione molto elevata, cosa che si verifica puntualmente quando cambia stato il tasto compagno di ramo. Fortemente consigliata necessaria nei transistor bipolari, negli IGBT può essere facoltativa. La capacità del MC33153P di funzionare con doppia alimentazione, positiva e negativa, in modo da pilotare il gate con tensioni +15/-5V non sarà però sfruttata, in quanto difficilmente conciliabile con il circuito bootstrap. L’altro vantaggio dell’alimentazione negativa del gate è uno spegnimento più veloce del tasto, in quanto le cariche di gate vengono evacuate più rapidamente. Una soddisfacente risposta in spegnimento del tasto senza l’alimentazione duale sarà comunque ottenuta mettendo due resistenze di gate diverse, con un diodo in serie
ad una delle due, per l’accensione e lo spegnimento; il valore della seconda sarà molto più piccolo di quello della prima.