Come Selezionare un Circuito Integrato Driver per Gate

Al giorno d'oggi, i transistor si presentano in tutte le forme e dimensioni, sia che siano integrati in una CPU sia che siano disponibili come componenti discreti. Qualsiasi transistor richiede una certa corrente per passare tra gli stati ON e OFF, consentendo così la circolazione della corrente attraverso il dispositivo. I transistor più grandi, sia in termini fisici che di output di corrente, richiedono più potenza per la commutazione. Questa potenza può essere fornita da un IC driver per gate, specializzato nel fornire un buffer tra un controller e un transistor di potenza.

Non tutte le applicazioni necessitano di un IC driver per gate. Le applicazioni ad alta frequenza possono includere un circuito driver per gate ottimizzato all'interno di un trasmettitore o altro componente RF per fornire la potenza richiesta per la commutazione di un amplificatore a transistor, inclusi gli amplificatori di potenza RF. Questi componenti sono una parte integrante dei sistemi di potenza poiché forniscono la potenza di commutazione richiesta proteggendo anche altri componenti critici. Ecco come funzionano questi componenti e come scegliere un IC driver per gate.

Perché utilizzare un IC driver per gate?

Come accennato in precedenza, un IC driver per gate fornisce alta corrente a un transistor di alta potenza, come un IGBT o un MOSFET, al fine di guidarlo completamente nello stato di conduzione. Questi componenti ricevono un input a bassa potenza da un altro componente, come un MCU o altro IC controller. In questo modo, l'IC driver per gate agisce come un buffer tra l'MCU e il transistor. La disposizione tipica per un IC driver per gate in una catena di segnale è mostrata di seguito.

Catena di segnale per un IC driver per gate

Sebbene lo scopo fondamentale di un driver per gate sia quello di agire come un amplificatore per guidare un grande transistor, c'è una ragione più profonda per cui si utilizza un IC driver per gate specializzato per la commutazione. Gli obiettivi principali nell'uso di un IC driver per gate specializzato sono:

1. Ridurre le perdite di commutazione nel transistor di carico

2. Diminuire il tempo di commutazione del transistor di carico

3. Guidare completamente il transistor nello stato conduttivo/non-conduttivo

Un terzo obiettivo, che non è fornito da tutti i driver per gate, è fornire isolamento tra il carico e il controller. Questo è fornito da un piccolo trasformatore interno nel driver per gate; tali componenti sono chiamati driver per gate isolati.

Tutti i transistor hanno una certa capacità non lineare, cioè, si comportano come varactor. Quando il transistor di carico viene commutato, una certa carica rimane sulla regione del gate che mantiene il canale nel suo attuale stato non conduttivo o conduttivo. Una volta applicato un altro impulso di corrente, un alto calore può essere generato nel transistor se il segnale di commutazione è lento o funziona a bassa corrente. Applicare il segnale di commutazione ad alta corrente fornisce una commutazione più rapida tra gli stati con meno perdite.

L'arrangiamento mostrato sopra e la necessità di una modulazione completa e veloce dei transistor ad alta potenza rendono un IC driver per gate importante in qualsiasi applicazione dove un carico ad alta potenza richiede una commutazione e modulazione completa. Se dovessimo farlo con un MCU, l'elevato assorbimento di corrente dall'MCU potrebbe causarne il surriscaldamento e il guasto, da qui la necessità di un driver per gate. Tre applicazioni tipiche si trovano nei convertitori DC-DC commutati, negli inverter di potenza e nei circuiti di pilotaggio dei motori.

Conversione DC-DC

Una volta che il driver per gate riceve un input dal controller, esso fornisce in uscita alta corrente a un singolo transistor, o a più transistor in parallelo. Si noti che un arrangiamento parallelo di transistor è comune, in particolare con IGBT o MOSFET, nei convertitori DC-DC commutati con alta corrente in uscita. Questo tipo di sistema è necessario quando un array di grandi transistor richiede diversi ampere di corrente per commutare completamente nello stato di conduzione, il che è tipico nei convertitori ad alta potenza.

In termini di posizionamento in una catena di segnale, il driver per gate si troverà all'interno di un anello di retroazione, come mostrato nell'immagine sottostante. Un MCU può essere utilizzato per implementare un semplice algoritmo di controllo per fornire un'uscita di tensione stabile, o può essere utilizzato per cambiare la tensione di uscita in risposta all'input dell'utente. Nel caso in cui si desideri una regolazione ad alta corrente dal convertitore, un amplificatore di rilevamento della corrente potrebbe essere utilizzato nell'anello di retroazione prima dell'MCU/driver PWM poiché ciò fornisce una misurazione accurata della corrente da utilizzare in un algoritmo di controllo.

Un IC driver per gate in un anello di retroazione per la conversione DC-DC.

Inverter di Potenza

Questo è correlato alla conversione DC-DC, sebbene ora stiamo commutando continuamente per produrre un'onda oscillante. I driver per gate isolati sono necessari in questa applicazione per isolare la sorgente DC e il controller dal lato di uscita. Una logica invertente è utilizzata sul lato del carico, mentre al driver per gate è fornita un'onda oscillante a bassa corrente.

Circuiti di Pilotaggio Motori

Questa applicazione principale coinvolge un transistor pilotato con un segnale PWM. In questo caso, il driver per gate riceve un segnale PWM e fornisce in uscita una versione ad alta corrente e amplificata del segnale PWM. Questo viene poi inviato a un array di transistor per pilotare un motore. Esempi includono il pilotaggio di motori passo-passo e motori a spazzole. I driver per gate isolati sono normalmente utilizzati in questa applicazione poiché si trovano tra l'MCU/controller e il motore sul lato di uscita.

Specifiche Importanti del Driver per Gate

La corrente di uscita è la specifica più importante che dovrai esaminare, e questa specifica dovrebbe essere confrontata con le specifiche dei tuoi transistor. Ecco alcune altre specifiche importanti che dovresti esaminare quando selezioni un IC driver per gate:

• Tipo di driver per gate. Esistono quattro tipi di driver per gate:

• • High-side: Questi sono utilizzati per pilotare transistor di potenza che sono connessi a un binario di alimentazione positivo senza connessione di riferimento a terra.

  • Low-side: Questi sono utilizzati per pilotare transistor che sono connessi a un binario di alimentazione negativo senza connessione di riferimento.

  • Half-bridge: Questi componenti contengono circuiti driver low-side e high-side, rendendoli più flessibili.

  • Trifase: Questi driver per gate sono utilizzati nei sistemi trifase.

• Tempo di salita e discesa. Questo è importante per ridurre le perdite di commutazione. In particolare, la commutazione con tempi di salita/discesa più rapidi garantirà minori perdite di commutazione nel transistor.

• Frequenza massima. Questo è importante in tutte e tre le applicazioni sopra menzionate.

• Valutazione della temperatura. Poiché questi componenti operano ad alta potenza, potrebbero necessitare di un dissipatore di calore per il raffreddamento.

Il driver per gate FAN73912MX di ON Semiconductor è un esempio di componente ad alta potenza che può essere connesso in configurazione half bridge. Il circuito di applicazione mostrato di seguito illustra come un driver per gate ad alta potenza può essere integrato con un controller in un sistema ad alta tensione.

Circuito di applicazione del driver per gate FAN73912MX. Dal datasheet FAN73912MX.

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