Программируемые цифровые драйверы силовых транзисторов Microchip AgileSwitch

Полупроводниковые компоненты из карбида кремния (SiC) представляют собой инновационный продукт для разработчиков силовой электроники, которые стремятся разработать устройства с максимально возможным КПД, минимальными габаритными размерами и расширенным рабочим температурный диапазоном.

По сравнению с компонентами, выполненными с использованием предшествующих технологий на основе других полупроводниковых материалов, таких как Si, GaN, полупроводниковые компоненты на основе SiC обладают следующими преимуществами:

• Чрезвычайно низкие коммутационные потери;
• Высокая плотность мощности;
• По сравнению с кремнием в 3 раза более высокая теплопроводность;
• Способность работать при более высоких температурах;
• Высокое рабочее напряжение;
• Cтабильность параметров во времени и в широком рабочем диапазоне температур;
• Высокая надежность и радиационная стойкость.

Однако, переход на новые электронные компоненты SiC сдерживается сложностью разработки устройств их основе. Основная проблема при проектировании силовых систем управления - обеспечение электромагнитной совместимости. Мощное электродвигатели, и преобразователи напряжения зарядные устройства, применяемые, например, в электрических транспортных средствах, генерирует высоковольтные помехи, от которых не всегда легко защититься. Возникающие высоковольтные кондуктивные помехи, передаваемые по цепям питания, и электромагнитные помехи радиочастотного диапазона способны нарушать работу низковольтных систем управления. При увеличении плотности мощности, которое имеет место при использовании SiC компонентов, влияние помех многократно возрастает. Поэтому далеко не каждый разработчик силовых устройств способен с первого раза разработать устройство управления, которое будет надежно функционировать во всех требуемых режимах работы при этом соответствовать требованиям электромагнитной совместимости.

Обычные драйверы силовых транзисторов имеют два уровня управляющего напряжения соответствующие двум состоянием ключа: полностью открытое и полностью закрытое. Однако наличие паразитных реактивных составляющих импеданса реальных силовых транзисторов и драйверов ключей, большие коммутируемые напряжения и токи, и как следствие, высокий уровень помех, производимых силовым ключом в момент переключения, приводят к образованию паразитных резонансных контуров и обратных связей, которые приводят к возникновению сложных колебательных процессов и значительных выбросов напряжения на затворе. Эти незапланированные перегрузки способны вывести устройство, спроектированное «по всем правилам», из строя уже при первом же включении или драматически, в десятки и сотни раз сократить ресурс его работы. В результате, модель преобразователя напряжения успешно прошедшего все испытания, с расчётным сроком службы десять лет, может начать массово выходить из строя уже через год работы.

«Традиционный» путь разработки таких систем – это подбор оптимальных значений пассивных компонентов опытным путем и глубокое тестирование лабораторного комплекта во всех режимах работы. Очень часто решение, удовлетворяющее всем требованиям ТЗ удается получить только после создания нескольких неудачных образцов. Надежность электрических силовых систем транспортного средства имеет прямое отношение к безопасности жизни и здоровья людей поэтому каждая итерация должна пройти весь комплекс сложных и долгих испытаний чтобы получить необходимы комплект сертификатов и получить допуск к эксплуатации. Таким образом, проектирование устройств методом «проб и ошибок» приводит к значительным потерям времени и средств компаний-производителей силовой электроники.

По этой причине среди разработчиков силовой электроники высок спрос на готовые решения. И такие решения на рынке есть, например, драйверы AgileSwitch предлагаемые корпорацией Microchip. Рассмотрим в чем отличие драйверов AgileSwitch от обычных классических драйверов MOSFET и IGBT.

Основная особенность драйверов AgileSwitch – это уникальная технология Augmented Switching программирования параметров драйвера. Драйверы AgileSwitch позволяют ввести в форму управляющего импульса дополнительные уровни напряжения - «ступени» и запрограммировать временное положение этих ступеней во временной диаграмме переключения  с помощью утилиты с простым графическим интерфейсом.

Возможность программирования параметров управляющего импульса включения/выключения силовых транзисторов позволяет отказаться от долгого перебора вариантов с риском сжечь тестируемый макет во время испытаний. Такая возможность основное, но не единственное преимущество драйверов AgileSwitch. Microchip предлагает разработчикам целую экосистему для ускоренной разработки устройств силовой электроники. Эта экосистема включает продукты поглощенной Микрочипом компании AgileSwitch:

• Три семейства драйверов для управления силовыми SiC транзисторными и IGBT-модулями;
• Отладочные средства для программирования и настройки характеристик переключения и контроля параметров силовых переключателей для максимальной адаптации стандартных аппаратных решений (драйверов и модулей) под требования пользовательских приложений;
• Программные средства для удобной, быстрой и безопасной настройки драйверов SiCтранзисторных и IGBT-модулей.

Рассмотрим компоненты данной экосистемы более подробно. Драйверы AgileSwitch могут работать совместно с SiC транзисторными и IGBT-модулями с рабочим напряжением 600–3300 В в широком спектре приложений: источники бесперебойного питания, сварочное оборудование, индукционные печи, питание электродвигателей, инверторы для солнечных электростанций и ветрогенераторов, железнодорожный транспорт, электромобили и автомобили с гибридной силовой установкой, зарядные станции для электромобилей.

В настоящий момент компания Microchip выпускает три семейства устройств AgileSwitch®, предназначенных для управления мощными SiC и IGBT модулями:

• Ядра драйверов силовых транзисторов - SiCGateDriverCores;
• Готовые (plug-and-play) модули для управления силовыми транзисторными модулями - SiCPlug-and-PlayGateDrivers;
• Высоковольтные драйверы IGBT - IGBT Gate Drivers.

Семейство SiC Gate Driver Cores включает два модуля («ядра») драйвера силового транзистора 2ASC-12A1HP и 2ASC-17A1HP предназначенные для работы в диапазоне рабочих напряжений до 1200 В и до 1700 В соответственно и набора адаптеров (Module Adapter Boards) для подключения этих ядер к силовым транзисторам, выполненным в различных форм-факторах, выпускаемых как корпорацией Microchip, так сторонними производителями. Список совместимости адаптеров и модулей приведен на странице SiC Gate Driver Cores сайта Microchip.

Семейство SiC Plug-and-Play Gate Drivers в данный момент включает всего одно устройство 62EM1, которое предназначено для управления силовыми SiC модулями в формфакторе D3 (62 мм). В этом форм-факторе множеством производителей выпускается большое число наименований транзисторных модулей, перечень приведен на странице сайта Microchip, посвященной данному продукту.

В семействе IGBT Gate Drivers в настоящий момент также насчитывается всего одно устройство HPFM. В данном модуле для решения проблемы ЭМС применен оптических канал связи с хостом, благодаря чему тот драйвер IGBT можно использовать с модулями с рабочим диапазоном напряжений до 3300 В.

Для быстрого старта в разработке собственного привода или зарядной станции для автомобилей корпорация Microchip предлагает семь разновидностей отладочных комплектов. В зависимости от решаемой задачи разработчик может выбрать набор с одним или тремя «ядрами» рассчитанными для работы в нужном диапазоне напряжений (до 1200 или до 1700 В), оснащенный тем или иным адаптером для подключения к выбранному силовому модулю.

Подробные перечни комплектации наборов приведены в описаниях к наборам ASDAK-MSCSM и ASDAK-2ASC.

Для программирования драйвера на нужный режим работы в зависимости от выбранной аппаратной конфигурации (аппаратное «ядро» 2ACS или модуль 62EM1) необходимо воспользоваться утилитами 2ASC ICT или 62EM1 ICT. Этапы работы с утилитами описаны в Руководстве пользователя и Руководстве быстрого старта.

 Работа с утилитами сводится к выбору используемого в устройстве силового модуля, вводу значения «мертвого» времени – защитного интервала между выключением верхнего и включением нижнего транзисторов, вводу величин напряжений и температур которые будут контролироваться драйвером для генерации исключения. Для каждого аппаратного ядра драйвера, драйвера и силового модуля Microchip предлагает набор параметров «по умолчанию». Применение рекомендованных значений самом по себе дает весомый выигрыш в эффективности работы устройства на основе SiC компонентов по сравнению с аналогичными устройствами, на компонентах предшествующих поколений и технологий. Однако на этом преимущества драйверов AgileSwitch не заканчиваются.

Особым достижением компании AgileSwitch, реализованном в драйверах и программных утилитах стоит отметить возможность синтеза многоступенчатого фронта управляющего импульса включения/выключения силового транзистора, что позволяет улучшить качество переходных процессов,  уменьшить выбросы тока и напряжения на затворе, снизить уровень помех, распространяющихся как по цепям устройства, так и излучаемых в окружающее пространство, тем самым повысить КПД ключевого каскада, снизить нагрев и вероятность выхода из строя силового транзистора в результате пробоя.

Снижение выбросов напряжения тока путем выбора оптимальной формы управляющего импульса

Для программирования драйвера для работы с выбранными параметрами Microchip предлагает использовать среду в среде Microchip MPLAB. В результате выбора наилучших значений параметров работы драйвера силового модуля, синтеза оптимальной формы управляющего импульса повышаются эксплуатационные характеристики создаваемого устройства.

Для получения дополнительной информации по цифровым программируемым драйверам AgileSwitch и по вопросам приобретения обращайтесь к менеджерам нашей компании.