כיצד לדחוף MOSFETs‏ SiC‏ ו-IGBTs‏ עם דיוק, יעילות והגנה

ככל שמערכות הספקת-הכוח מתפתחות כדי לענות על הדרישות של רכבים חשמליים (EVs), אנרגיה מתחדשת ואוטומציה תעשייתית, האיזון בין נצילות, ביצועים ובטיחות הופך להיות מאתגר יותר עבור המתכננים. בעוד שהשילוב של רכיבי מתח גבוה, כגון טרנזיסטורים ביפולריים עם שער-מבודד (IGBTs‏) וטרנזיסטורי אפקט-שדה מתכת-תחמוצת-מוליכים-למחצה (MOSFETs‏) סיליקון קרביד (SiC‏), הוא צעד קריטי להשגת איזון זה, התקנים אלו דורשים דוחפי שער היכולים להעניק בקרה מדויקת, מיתוג מהיר ומנגנון הגנה חסון.

מאמר זה בוחן את האתגרים הקשורים לדחיפת מערכות הספקת-כוח מודרניות, תוך שימת דגש על טופולוגיות חצי-גשר. לאחר מכן הוא מציג דוחפי שער ולוח הערכה של Infineon Technologies‏ היכולים לסייע להתגבר על האתגרים הללו.

אתגרי תכנון עבור טופולוגיות חצי-גשר מודרניות

מערכות הספקת-כוח עומדות בפני אתגרים הולכים וגדלים כאשר התעשייה דוחפת לעבר תדרי מיתוג גבוהים יותר, מתחים גבוהים ואימוץ של מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה-רחב (WBG‏). בעוד שפיתוחים אלו אמנם מאפשרים נצילות גבוהה יותר, הם מציבים דרישות כבדות עבור דוחפי השער.

בחנו את הטופולוגיה של חצי-גשר, שהפכה לסטנדרטית ביישומים רבים, כדי להמחיש את הדרישות המתגברות. מעגלי חצי-גשר הם חיוניים במטענים מובנים DC-ל-DC‏ ברכבים חשמליים (EV‏) ובמערכות דחיפת מנועים. הם מאפשרים זרימת הספק דו-כיוונית, שהיא קריטית הן במהלך פעולת המנוע הרגילה (זרימת הספק קדימה) והן בבלימה רגנרטיבית (זרימת הספק הפוכה). המעבר לארכיטקטורות של V‏ 800‏ בפלטפורמות EV חדשות יותר מגביר את הצורך במנגנוני בידוד והגנה אמינים תוך שמירה על דיוק המיתוג.

עבור מערכות אנרגיה מתחדשת, תכני חצי-גשר הם הבסיס לממירים התלת-פאזיים הנדרשים עבור שילוב ברשת החשמל הציבורית. תדרי המיתוג הגבוהים יותר המשמשים עם SiC MOSFETs ו-IGBTs מגבירים את הנצילות אך מחמירים בעיות מתח אופן-משותף (CM‏) במתגי צד-גבוה וצד-נמוך, ויוצרים הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) משמעותיות העלולות לפגוע בביצועי המערכת ולהפר את התקנים הרגולטוריים.

דוחפי מנועים תעשייתיים עומדים בפני אתגרים נוספים, כולל שמירה על מתח אפיק DC מאוזן על פני סידורי קבלים מפוצלים. המגמה לכיוון תכנים קומפקטיים יותר וצפיפות הספק גבוהה יותר מגבירה את קשיי הניהול התרמי ואת בעיות הרעש החשמלי.

בכל היישומים הללו, המתכננים זקוקים לפתרונות דוחפי שער המעניקים בקרה מדויקת, יכולות מיתוג מהיר ומאפייני הגנה מקיפים תוך מתן בידוד חסון בין מעגלים במתח גבוה ונמוך.

דוחף שער עם שני ערוצים עבור IGBTs‏ ו-MOSFETs‏

סדרת EiceDRIVER 2ED314xMC12L‏ של Infineon Technologies (איור 1) נותנת מענה לאתגרים אלה עם תכן עם שני ערוצים שהונדס עבור בקרת IGBTs ו-MOSFETs. כל הרכיבים של הסדרה מציעים פעולת ערוצים עצמאית עם בקרת זמן מת (DTC‏) כדי לאפשר להתקן 2ED314xMC12L לפעול כדוחף צד-נמוך עם שני ערוצים, כדוחף צד-גבוה עם שני ערוצים, או כדוחף שער חצי-גשר.

איור 1: לסדרת 2ED314xMC12L יש פעולת ערוצים עצמאית עם DTC, המאפשרת להתקנים לפעול כדוחף צד-נמוך עם שני ערוצים, כדוחף צד-גבוה עם שני ערוצים, או כדוחף שער חצי-גשר. (מקור התמונה: Infineon Technologies)

בתצורת חצי-גשר, הארכיטקטורה עם שני ערוצים מאפשרת ל-IC של דוחף שער יחיד לבקר ביעילות מתגי הן צד-גבוה והן צד-נמוך. אינטגרציה זו מפשטת את פריסת לוח המעגלים המודפסים (לוח PCB‏), מפחיתה את מספר הרכיבים ותומכת במאפייני תזמון מתואמים בין הערוצים, דבר שהוא קריטי לשמירה על DTC תקין ומניעת תנאי Shoot-Through‏.

יתרון עיקרי של סדרת 2ED314xMC12L הוא הבידוד הגלווני שלה באמצעות טכנולוגיית שנאי ללא-ליבה. גישה זו מעניקה העברת אותות מהירה עם חסינות גבוהה ל-EMI, שהיא חיונית בסביבות רועשות חשמלית כמו EVs.

יכולת הבידוד מורשית לתקני UL 1577, ומספקת שורש ממוצע ריבועים (_RMS‏kV‏) של kV‏ 6.84‏למשך שנייה אחת ו-_RMS‏kV‏ 5.7‏ למשך דקה אחת. רמת בידוד חסונה זו היא חיונית כדי להגן מפני טרנזיינטי מתח גבוה ביישומים כגון מערכות אנרגיה מתחדשת, שבהן האינוורטרים של רשת החשמל חייבים לעמוד בנחשולי מתח בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל.

מיתוג עם יציאה גבוהה ודיוק גבוה

סדרת 2ED314xMC12L מתפקדת היטב במספר מדדים רלוונטיים, החל בשיא זרם יציאה של A‏ 6.5‏. יציאה גבוהה זו מועילה במיוחד עבור רכיבי SiC MOSFET‏, הדורשים אותות דוחף-שער חזקים עבור מיתוג יעיל.

מאפיין עיקרי נוסף הוא שיהוי התפשטות של ns‏ 39‏, המאפשר בקרת תזמון מדויקת. זהו שיקול חשוב עבור יישומים כגון אוטומציה תעשייתית, שבהם בקרת מהירות המנוע והמומנט תלויים במיתוג עם דיוק גבוה.

Skew‏ שיהוי התפשטות הדוק בין חלק-לחלק של מקסימום ns‏ 8‏ משמעותו שכאשר משתמשים במספר ICs‏ של דוחפים, כגון בדוחף מנועים תלת-פאזי, הפרשי התזמון בין החלקים יהיו מינימליים. Skew‏ שיהוי התפשטות הדוק עוד יותר בין ערוץ-לערוץ של מקסימום ns‏ 5‏ מסייע למנוע Shoot-Through‏ בין המתגים עבור כל חצי-גשר.

לבסוף, דירוג חסינות טרנזיינטי אופן-משותף (CMTI) של יותר מ-kV‏ 200‏ למיקרו-שנייה (kV/µs) עוזר למנוע טריגר שגוי עקב טרנזיינטי מתח. ביישומי אנרגיה מתחדשת, לדוגמה, חסינות טרנזיינטיים גבוהה תומכת בפעולה יציבה במהלך פלוקטואציות ברשת החשמל ושינויים פתאומיים בזרימת הספקת-הכוח.

מאפייני אמינות עבור פעולה יציבה

סדרת 2ED314xMC12L משלבת מספר מאפייני הגנה כדי להבטיח פעולה אמינה ביישומי הספקת-כוח תובעניים. כל מאפיין נותן מענה לנושאי מהימנות ספציפיים המתעוררים בסביבות מיתוג מתח-גבוה.

אמצעי ההגנה הדרושים הם כיבוי אקטיבי והידוק קצר חשמלי. מנגנונים אלו מגנים מפני זרמי Shoot-Through‏ בתצורות של חצי-גשר כאשר שני מתגי הספקת-הכוח הם בין מתחי אפיק DC‏. אם שני המתגים היו מופעלים בו-זמנית, הקצר שנוצר עלול לגרום נזק לרכיבים או לכבות את המערכת.

מאפיין בולט נוסף הוא הגנת תת-מתח (UVLO), היוצרת "פס מת" היסטרזיס שבו המצב נשאר יציב למרות פלוקטואציות מתח קטנות, ומונע תנודה בסף. במערכות אנרגיה סולארית, לדוגמה, UVLO מעניק פעולה יציבה בתנאי עננות חלקית, תוך מניעת שיבושים מיותרים. גרסות מסוימות מציעות UVLO בין 8.5 וולט ל-9.3 וולט, בעוד שאחרות מספקות הגנה בין 12.5 וולט ל-13.6 וולט.

קיימות גם אפשרויות עם פין אפשור (Enable‏), המוסיף שכבת בקרה נוספת עבור מצבי כיבוי בחירום. בגרסות אלה, כל פין כניסה דיגיטלי כולל נגד מושך-מטה, המבטיח שאם הלחמת פין מתנתקת או שהפין מנותק מסיבה אחרת, הוא יגיע כברירת-מחדל למצב בטוח כשהערוץ מושבת. מאפיין זה הוא רלוונטי במיוחד ביישומים בעלי אמינות גבוהה שבהם יש לשמור על תקינות המערכת גם במקרה של תקלות בלתי-צפויות.

קיימות גרסות עם פיני השבתה עבור יישומים המתעדפים צריכת זרם נמוכה יותר ובקרה פשוטה יותר. דגמים אלה מאפשרים לדוחף השער להישאר אקטיבי כברירת מחדל, מפחיתים את צריכת ההספק באופן-המתנה ומפשטים את תכן המערכת.

דוגמאות לאפשרויות הקיימות הן 2ED3140MC12L‏, המציע UVLO עם היסטרזיס בין 8.5 וולט ל-9.3 וולט ופין השבתה. בניגוד לכך, ה-2ED3146MC12L‏ מציע UVLO בין 12.5 וולט ל-13.6 וולט ופין אפשור.

מארז יעיל אך אמין

הסדרה מוצעת במארז PG-DSO-14-71‏ (איור 2). מארז הרכבה-משטחית זה הוא במידות של 10.3‏ x‏ 7.5 מילימטרים (מ"מ), מידות קומפקטיות במיוחד עבור דוחף עם שני ערוצים בהספק גבוה. ביישומי EV, מארז זה חוסך מקום יקר במערכת-ההינע.

איור 2: סדרת 2ED314xMC12L מוצעת במארז קומפקטי PG-DSO-14-71. (מקור התמונה: Infineon Technologies)

למרות גודלם הקטן, כל הגרסות מעניקות מרווח מספיק עבור פעולה בטוחה: מרחקי Creepage‏ ו-Clearance‏ של 8 מ"מ בין כניסה-ליציאה ו-3.3 מ"מ בין ערוץ-לערוץ. מידות אלו עומדות בדרישות הבידוד תוך שמירה על גורם הצורה הקומפקטי הדרוש בתכנים מוגבלי-מקום.

התחלה מהירה עם לוח הערכה

כדי לייעל את הבדיקות והפיתוח, Infineon Technologies מציעה את לוח ההערכה EVAL-2ED3146MC12L‏ (איור 3). לוח חצי-גשר זה נועד להציג את הפונקציונליות והיכולות של IC דוחף שער מבודד 2ED3146MC12L‏.

איור 3: לוח ההערכה EVAL-2ED3146MC12L מעניק מערך חצי-גשר להערכת ה-2ED3146MC12L. (מקור התמונה: Infineon Technologies)

מעבר לדוחף שער, לוח ההערכה כולל שני MOSFETs תעלה CoolSiC‏ IMZA120R020M1HXKSA1‏, כמו גם IC‏ דוחף שנאי 2EP130R‏ של Infineon Technologies‏ עבור ספק-כוח מובנה. רכיבים אלה מתאימים עבור מטרות הערכה ומייצגים בחירות מעשיות עבור תכנים בעולם-האמיתי.

רכיבי SiC MOSFET הם בעלי דירוג מתח מרזב-למקור של 1,200 וולט, עמוק בתוך היכולת של ה-2ED314xMC12L לדחיפת התקני הספק של 600 וולט עד 2,300 וולט. דרישות מתח דוחף השער של MOSFETs אלו הן של 18 וולט, והן מתאימות היטב עבור מתח הספקה מקסימלי אבסולוטי ביציאה של 35 וולט של ה-2ED314xMC12L‏. התנגדות מצב-מופעל הנמוכה של ה-MOSFETs‏ של mΩ‏ 19‏ ב-C‏°‏25‏+ ממזערת את הפסדי ההולכה.

עם יכולת פיזור הספק מקסימלית של 375 וואט ב-C‏°‏25‏+ ותחום טמפרטורות הפעולה של 55°C- עד 175°C‏+, MOSFETs‏ אלו מתאימים לדרישות של יישומי אלקטרוניקה בהספק גבוה עם ביצועים עיליים. שיהוי התפשטות קצר של ns‏ 39‏ של דוחף השער וה-CMTI‏ הגבוה של >kV/μs‏ 200‏ מאפשר מיתוג תדר-גבוה יעיל, תוך שמירה על פעולה אמינה על פני תחום הטמפרטורות המלא של ה-MOSFETs‏.

דוחף השנאי 2EP130R משלים את דוחף השער עם תחום תדרי המיתוג הרחב שלו של 50 עד 695 קילו-הרץ (kHz), ופועל בתיאום עם שיהוי ההתפשטות הקצר של ה-2ED3146MC12L. כיוונון יחס המחזור בדיוק גבוה של דוחף השנאי (%‏10‏ עד %‏50‏) מתאים היטב לתכונות התזמון המדויק של דוחף השער, צירוף חיוני עבור שמירת זמן-מת אופטימלי בתצורות חצי-גשר.

סיכום

סדרת EiceDRIVER 2ED314xMC12L של Infineon Technologies מעניקה את האיזון בין מאפייני נצילות, ביצועים ובטיחות הנדרשים עבור יישומי מתח גבוה ברכבים חשמליים, אנרגיה מתחדשת ואוטומציה תעשייתית. מארז ה-PG-DSO-14-71 הקומפקטי שלו תומך בתכנים מוגבלי-מקום, בעוד שלוח ההערכה EVAL-2ED3146MC12L-SiC מאפשר בדיקה מהירה.