КАТАЛОГ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ
Паccивные элементы
Варисторы
Конденсаторы
Конденсаторы SMD
Конденсаторы керамические SMD
Конденсаторы электролитические SMD
Конденсаторы танталовые SMD
Конденсаторы выводные
Электролитические конденсаторы купить в Киеве, Украина
Конденсаторы пленочные
Конденсаторы высоковольтные
Конденсаторы танталовые
Ионисторы
Индуктивности и дроссели
Индуктивности SMD
Индуктивности выводные (дросcели)
Кварц. резонаторы
Кварцевые резонаторы выводные
Кварцевые резонаторы SMD
Резисторы
Резисторы SMD
резисторы 0603
резисторы 0805
резисторы 1206
резисторы 1210
резисторы 2010
резисторы 2512
резисторы SMD
Резисторы выводные
Резисторы выводные аксиальные
Резисторы подстроечные
Резисторы мощные >20Вт
Резисторы керамические
Резисторы разные
Диоди и стабилитроны
Выпрямительные диоды купить Киев
Диоды защитные
Диодные модули
Стабилитроны
Транзисторы
Транзисторы
Транзисторы биполярные
Транзисторы полевые
Транзисторы IGBT
Транзисторы СВЧ
Тиристоры
Оптоэлектроника
Оптические приборы
Оптопары
Оптические трансиверы
Светодиоды
Светодиоды выводные
Светодиоды SMD
Светодиодные ленты
Светодиодные блоки
Светодиодные модули
Светодиодные кластеры
Светодиоды ИК
Фотодиоды
Фотоприёмники
Индикаторы и дисплеи
Индикаторы
Дисплеи LCD
Дисплеи TFT
Панели оператора
Микросхемы
Микросхемы
Микросхемы акселерометры
Микросхемы АЦП
Микросхемы ЦАП
Микросхемы измерительные
Микросхемы генераторы-синтезаторы частоты
Микросхемы генераторы частоты
Микросхемы драйверы
Микросхемы ИОН
Микросхемы зарядные для аккумуляторов
Микросхемы интерфейса
Микросхемы интегральные
Микросхемы изоляторы сигналов
Микросхемы изоляторы цифрового сигнала
Микросхемы ключи
Микросхемы интеллектуальные ключи
Коммутаторы
Микросхемы коммутаторы аналоговых сигналов
Микросхемы коммутаторы
Микроконтроллеры купить Киев
Микросхемы контроллеры
Микроконтроллеры разные
Микросхемы микроконтроллеры
Микросхемы микроконтроллеры разные
Операционные усилители
Компараторы
Микросхемы стабилизаторы
Микросхемы напряжения
Микросхемы регуляторы линейные
Линейные регуляторы
Микросхемы регуляторы разные
Микросхемы импульса
Микросхемы логики разные
Микросхемы логические
Микросхемы логики
Микросхемы логики еще
Микросхемы логические программируемые
Микросхемы памяти
Микросхемы усилители
Микросхемы усилительные
Микросхемы приёмо-передатчики
Микросхемы приёмо-передатчики разные
Микросхемы DC интеллектуальные ключи
Микросхемы датчики температуры
Микросхемы AD
Микросхемы ПЛИС та ПАИС
Микросхемы времени
Модули ЦПУ
Микропроцессоры
Преобразователи
Преобразователи модульные
Преобразователи интегральные
Преобразователи AC/DC модульные
Преобразователи DC/DC модульные
Преобразователи частотные
Микросхемы преобразователи
Преобразователи разные
Элементы питания
Аккумуляторы
Батарейки
Предохранители
Предохранители
Держатели предохранителя
Предохранители самовостанавливающиеся
Звукоизлучатели
Силовые модули и блоки
Силовие модули
Силовые блоки разные
Силовые выключатели
Приёмо-передатчики
Реле, кнопки, переключатели
Реле
Реле твердотельные
Реле времени
Кнопки
Разъёмы, клемники, соединители
Разъёмы
Разъёмы другие
Контакторы
Клеммники
Соединители
Коннекторы SIM
Корпусы, вентиляторы, радиаторы
Корпусы
Вентиляторы
Радиаторы
Трансформаторы
Антенны
Антенны
Антенные переходники
Датчики, энкодеры, измерители
Энкодеры
Датчики влажности
Датчики индуктивные
Датчики положения
Датчики положения оптические
Датчики температуры
Датчики давления
Датчики тока
Датчики разные
Измерители-регуляторы температуры и физ.величин
Расходомеры
Средства для разработки
Средства для разработчика
Наборы (киты)
Программаторы
Ферриты
Разное

Технология SOI против паразитных эффектов в драйверах затвора

19.06.2020

infineon_2ed2106s06f_800x340Микросхемы драйверов затвора силовых транзисторов, изготавливаемые по технологии монолитного кремния, подвержены негативному влиянию отрицательных напряжений, возникающих на опорном выводе для верхнего плеча. Технология «Кремний-на-изоляторе» (Silicon-on-insulator, SOI) является надежным решением этой проблемы, о чем свидетельствуют результаты испытаний трех микросхем драйверов затвора полумостовой схемы, в том числе – SOI-драйвера производства Infineon.

Микросхемы, изготовленные по стандартной кремниевой технологии, проявляют слабую устойчивость к отрицательным напряжениям, возникающим на их входах и выходах. Даже небольшое отрицательное напряжение в диапазоне -0,8…-1 В на одном из выводов может привести к неконтролируемым токам подложки. Токи подложки возникают, например, при прямом смещении p-n-перехода от подложки к активной области, как показано на рисунке 1. Это, как правило, приводит к неопределенному поведению микросхемы.

ris_1-3 (2)

 

 

 

Рис. 1. Поперечное сечение структуры транзистора в монолитной кремниевой технологии

Такой эффект, вызванный отрицательным напряжением, особенно сильно проявляется в работе микросхем драйверов затвора. Драйверы затвора применяются для управления силовыми транзисторами, работающими при высоких напряжениях и токах. Во время переключения силовых транзисторов появляются скачки тока и напряжения dI/dt и dV/dt, стимулирующие работу резонансных контуров паразитных индуктивностей и емкостей. Эти скачки часто становятся причиной возникновения отрицательного напряжения на выводах микросхемы драйвера затвора, которое приводит к неконтролируемым изменениям выходных состояний драйвера. Защелкнутое открытое состояние драйвера может повредить схему. На рисунке 2 показан пример полумостовой схемы, включая ее паразитные элементы и вызываемое ими напряжение.

ris_2-3 (2)

Рис. 2. Полумостовая схема с указанием прохождения тока для питания нагрузки (а) и обратного протекания тока через нагрузку (б) с учетом паразитных элементов

Полумост состоит из двух IGBT-транзисторов T1 и T2 со встроенными обратными диодами D1 и D2. Такие полумостовые схемы используются для питания трансформаторов и электрических машин. Когда транзистор Т1 в верхнем плече полумоста открыт, ток от источника постоянного напряжения проходит через нагрузку (рисунок 2а). Когда Т1 закрыт, ток нагрузки переключается на нижнюю часть схемы и начинает протекать через диод D2 (рисунок 2б). В нижнем плече полумоста проявляются паразитные элементы. Такие же паразитные индуктивности могут возникать и в верхнем плече.

Нетрудно заметить, что напряжение при переключениях будет падать на элементах LσC, LσE и на шунте RSH. Также будет наблюдаться эффект прямого восстановления обратного диода D2. Все это приводит к появлению отрицательного напряжения на выводе VS микросхемы драйвера затвора. Амплитуда этого напряжения может достигать нескольких десятков вольт, и драйвер затвора должен быть способен выдерживать такую амплитуду. Не стоит забывать и про другие аспекты работы микросхемы, например, заземление, которое требует устойчивости драйвера к отрицательному напряжению на сигнальных входах LIN и HIN. Длительность переходных процессов зависит от времени, необходимого для переключения тока с верхнего плеча от T1 на нижнее в обратный диод D2. Как правило, возникающие отрицательные напряжения быстро исчезают после переключения.

Рассмотрим результаты испытаний трех различных драйверов затвора в полумостовой схеме. Основные параметры протестированных драйверов перечислены в таблице 1. Из нее видно, что все микросхемы способны выдерживать различные по амплитуде и длительности отрицательные напряжения. Испытания микросхем проводились на предельных значениях параметров, чтобы выявить возможные аномалии в работе при постоянных и меняющихся (импульсных) отрицательных напряжениях.

Таблица 1. Протестированные драйверы затвора в полумостовой схеме

Параметр Infineon 2EDL05N06PF [1] Микросхема 2 Микросхема 3
Технология Кремний-на-подложке Монолитный кремний Монолитный кремний
Степень изоляции, В 600 600 600
Способ изоляции Сдвиг уровня Сдвиг уровня Сдвиг уровня
Vs_перех.проц. (t < 500 нс), В -50 Неизвестно* Неизвестно*
Vстатич, В -0,5 -0,3 -0,3
Бутстрепная схема Внутренний диод Внутренний FET Внешний диод
IOpk+, A 0,36 0,4 0,35 (мин. 0,25)
IOpk-, A 0,70 0,65 0,65 (мин. 0,5)
* – Не указан в документации.

Статические испытания

Микросхемы могут подвергаться:

  • постоянному отрицательному напряжению в случае неисправности других цепей в схеме;
  • регулярному воздействию коротких отрицательных импульсов вследствие переходных процессов.

Амплитуда этих импульсов может достигать нескольких десятков вольт, они обычно имеют длительность в несколько сотен наносекунд. Такие импульсы могут периодически возникать на выводе VS драйвера затвора во время нормальной работы схемы из-за наличия паразитных элементов, как показано на рисунке 2. В обоих случаях микросхемы драйвера затвора должны быть в состоянии поддерживать бесперебойную работу, чтобы не допустить повреждения силовых устройств.

Статические испытания проводились с использованием схемы, показанной на рисунке 3. Чтобы обеспечить работу выходов драйвера, микросхема запитана от источника 15 В. Критерием успешного прохождения испытания является бесперебойная передача последовательности входных сигналов ШИМ на соответствующий выход. Возникновение любого защелкнутого состояния любого выхода считается отказом.

ris_3-3 (2)

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Упрощенная схема для статических испытаний

В статическом испытании напряжение подается на входные сигнальные выводы для нижнего или верхнего выходов микросхемы в соответствии с рисунком 3. Отрицательное напряжение открывает току путь от земли ко входам либо посредством прямо смещенных p-n-переходов в случае монолитной технологии, либо посредством дискретных ограничительных диодов в случае SOI. То есть изменение тока имеет диодную характеристику.

На рисунке 4 показаны результаты испытаний. Единственной микросхемой, которая успешно прошла испытания, является 2EDL05I06PF. Отрицательное напряжение для ее входов HIN и LIN составило примерно VIN = -1,25 В. Входной ток превышал IIN = -130 мА. Испытания были остановлены, чтобы избежать перегрева ограничительного диода.

ris_4-3 (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Результаты испытаний с отрицательным напряжением, приложенным к сигнальным входам микросхем

Микросхема 2 продемонстрировала неисправное поведение, когда отрицательное напряжение на входах достигло уровня VIN = -1,0 В. Неисправным поведением считается любое защелкнутое состояние: открытое или закрытое. Важно отметить, что это происходит случайным образом. Более того, защелкнуться может даже нетестируемый канал: выход HO в верхней части защелкивался, когда тестировался вход LIN в нижней части, и наоборот.

Микросхема 3 нестабильно работает приблизительно на уровне VIN = -0,8 В. Входной ток составил всего около IIN = -40 мА. Аналогично микросхеме 2, выход оказывается защелкнутым как в открытом, так и закрытом состояниях.

Динамические испытания

Динамические испытания проводились с использованием схемы, показанной на рисунке 5. В этой схеме отрицательные импульсы подаются непосредственно на вывод VS микросхемы, так как на нем вероятнее всего возникают короткие отрицательные импульсы большой амплитуды. На входы тестируемой микросхемы подаются сигналы с ШИМ-генератора.

ris_5-3

Рис. 5. Упрощенная схема для динамических испытаний

Для нормальной работы схемы питание к микросхеме драйвера подведено от двух источников питания 15 В: VDD и VBS. Второй источник питания VBS необходим, так как нижний ключ не может быть использован для бутстрепного питания, и микросхема в отсутствии VBS не получает его. Нижний ключ заменен на подтягивающий резистор, чтобы обеспечить необходимую подачу отрицательного напряжения на вывод VS в течение интервалов, когда нижний ключ открыт. ШИМ-генератор запускается вручную для генерации последовательности девяти импульсов. Пятый импульс в этой последовательности запускает генератор вторичных импульсов, который используется для управления отрицательным напряжением. Такая синхронизация выполняется для продолжения генерации отрицательных импульсов в интервале, когда верхний ключ закрыт. В течение открытого состояния IGBT T1 (рисунок 5) напряжение на VS ограничено постоянным напряжением 100 В, следовательно, ограничена подача отрицательного напряжения. Амплитуда отрицательного импульса контролируется источником напряжения -VN в пределах -10…-60 В, а его длительность, составляющая 50…600 нс, регулируется настройками генератора импульсов.

Конфигурация тестового импульса показана на рисунке 6. Отрицательный импульс подается сразу после закрытия верхнего ключа, так как на практике наиболее вероятной является ситуация, когда из-за переключений состояний силовых устройств и эффектов обратных токов импульсы отрицательного напряжения подаются на вывод VS именно в этот момент времени. Задержка Δt, как и ширина импульса TPW, меняются в широком диапазоне в зависимости от чувствительности тестируемой микросхемы к отрицательным импульсам, поступающим после моментов переключений. Это позволяет учитывать случаи, когда отрицательные импульсы возникают в удаленных узлах силовой схемы, например, в других фазах цепи.

ris_6-3

 

 

 

 

 

Рис. 6. Конфигурация тестового импульса: отрицательный импульс при закрытом верхнем ключе

Критерием успешного прохождения всех испытаний является бесперебойная передача входного ШИМ-сигнала с выводов LIN и HIN на выходы LO и HO соответственно.

Результаты испытаний

Микросхема 2EDL05I06PF успешно прошла испытания без каких-либо критических сбоев. Ее верхний выход срабатывал в течение задержки распространения после выключения – tpd(off). Напряжение эмиттера уменьшалось из-за подтягивающего резистора, подключенного к эмиттеру транзистора T1, как показано на рисунке 5. Отрицательный импульс длительностью TPW подавался после интервала Δt сразу после выключения T1. В работе драйвера не было обнаружено никаких аномалий.

Микросхема 2 работает, как и ожидалось, при отрицательных импульсах с амплитудами выше -20 В и длительностью менее 400 нс. При импульсах меньшей амплитуды или большей длительности состояние верхнего выхода HO изменялось с низкого на высокое даже в отсутствии соответствующего входного сигнала.

Микросхема 3 показала хорошие результаты в испытаниях. Аномалии были обнаружены в работе драйвера при отрицательном импульсе, вышедшем за пределы -50 В и 500 нс.

Заключение

В данной статье сравнивались три микросхемы драйверов полумостовых схем по их чувствительности к отрицательным напряжениям. Испытания были проведены как при статически приложенном напряжении, так и при импульсном воздействии, чтобы охватить различные ситуации, которые случаются на практике. Микросхемы, выполненные по технологии SOI, демонстрируют стабильную работу даже при постоянном отрицательном напряжении. Исходя из результатов испытаний, можно сделать вывод о том, что микросхемы драйверов затвора 2EDL05I06PF по защите от отрицательного напряжения превосходят другие драйверы, основанные на обычных технологиях монолитного кремния. Технология SOI облегчает разработчикам создание устойчивых силовых устройств и ведет к созданию более надежных систем.

© 2000-2020 ООО "Ричел". All rights reserved.

.