Dc-Dc per il pilotaggio del gate

MGJ_PR

I convertitori Dc-Dc sono spesso usati per fornire potenza ai circuiti per il pilotaggio del gate di Igbt o Mosfet in applicazioni "high-side": in un'applicazione di questo tipo la barriera del convertitore è soggetta a una tensione elevata che commuta continuamente. Nel caso degli Igbt, le tensioni per sistemi di potenza medio-bassa, possono essere superiori a 1 kV a una frequenza di 10 KHz con velocità di variazione della tensione (dV/dt) pari a circa 30 kV/ µs. Nel caso dei Mosfet, realizzati utilizzando sia silicio sia carburo di silicio, le frequenze possono anche superare i 100 kHz con valori di dV/dt dell'ordine di 80 kV µs. Anche se i convertitori Dc-Dc di tipo general purpose possono essere sottoposti a "flash test" ad alte tensioni, non è detto che siano in grado a resistere a questi valori di tensione su base continuativa. Poiché la commutazione della tensione avviene a una frequenza elevata, viene forzata una corrente di spostamento attraverso la capacità della barriera del convertitore Dc-Dc che può provocare interferenze Emi e, nei casi peggiori, danni sul medio lungo termine al materiale della barriera. I convertitori Dc-Dc destinati ad applicazioni di pilotaggio "high side" devono pertanto essere progettati e qualificati per questo specifico utilizzo. Esistono numerose opzioni per realizzare la barriera del trasformatore di un convertitore Dc-Dc che sono frutto di un compromesso tra dimensioni, costi e complessità. Una soluzione di tipo “air-spacing”, mentre da un lato garantisce un isolamento efficiente, dall’altro richiede una distanza tale da risultare di difficile implementazione anche in presenza di tensioni di lavoro di valore ridotto. Le alternative sono rappresentate da materiali solidi “consistenti” oppure da strati multipli formati da materiali più sottili. Nel caso la barriera richieda una valutazione da parte di un Ente che si occupa di sicurezza, il relativo standard definisce il tipo di materiale e lo spessore per differenti livelli di isolamento, tensioni di lavoro, categoria di over-voltage, livello di inquinamento e altitudine.


Affidabilità garantita
Murata Power Solutions ha introdotto sul mercato dei convertitori Dc-Dc caratterizzati da valori di creepage/clearance definiti e isolamento di tipo solido progettati per applicazioni di pilotaggio del gate. Al fine di garantire le loro prestazioni in termini di isolamento, questi convertitori sono stati sottoposti a un severo programma di “stress test” (collaudi in presenza di sollecitazioni intense e prolungate) condotti in scenari applicativi tipici e in condizioni controllate. Siccome una tipica applicazione poteva essere un inverter da 10-100 kW, Murata ha chiesto la collaborazione dell’Università di Nottingham al fine di poter valutare questi convertitori Dc/Dc sfruttando i loro banchi di prova, normalmente utilizzati per condurre ricerche sui più avanzati azionamenti a elevata potenza. Per effettuare i test sono stati scelti i dispositivi di potenza, le tensioni del “Dc-link” e le frequenze di collaudo con velocità di variazione della tensione (dV/dt) ottimizzate in funzione dei dispositivi utilizzati. Per alimentare il circuito di pilotaggio del gate è stato selezionato il convertitore Dc-Dc più idoneo tra quelli presenti nella gamma Murata e sono state fatte valutazioni circa l’integrità della sua barriera (durante e dopo un test di lungo periodo) utilizzando la tomografia a raggi X tridimensionale. Nella Tab. 2 sono riassunte le condizioni nelle quali è stato effettuato il test. I risultati non hanno evidenziato alcun guasto mentre erano in corso i test sul lungo periodo. Sebbene i dispositivi Dc-Dc siano stati sottoposti a “stress test“ estremi per parecchie migliaia di ore, sussiste ancora la possibilità che si verifichi un deterioramento molto lento della barriera di isolamento che si potrebbe manifestare nell’arco di periodi di tempo più lunghi. Per applicazioni di alto livello, un utente potrebbe aspettarsi un funzionamento affidabile per un tempo anche superiore a 10 anni, ragion per cui è necessario individuare una modalità che garantisca il raggiungimento di un obiettivo di questo tipo. Il principale meccanismo responsabile del lento deterioramento delle barriere di isolamento è la scarica parziale, ovvero scariche locali che si verificano a livello delle micro-cavità presenti nel materiale che forma la barriera. Mentre eventi di scarica parziale occasionali hanno effetti assolutamente trascurabili sul lungo termine, scariche continue, anche se dovute a cariche dell’ordine dei picoColoumb, possono portare alla carbonizzazione del materiale della barriera mentre le micro-cavità si trasformano in veri e propri corto circuiti, facendo progressivamente diminuire lo spessore dell’isolamento fino alla rottura totale. La scarica parziale si manifesta solamente in presenza di tensioni applicate elevate con valori di inception (valore di tensione in corrispondenza del quale inizia il fenomeno della scarica parziale o Pdiv – Partial Discarge Inception Value) e di extinction (valore di tensione in corrispondenza del quale scompare il fenomeno della scarica parziale o Pdev – Partial Discarge Exception Value) influenzati dalle dimensioni della cavità e dalla pressione dell’aria locale in accordo con l’equazione non lineare di Paschen. Con un isolamento solido dello spessore di 0,4 mm (una specifica tipicamente richiesta dagli Enti normatori che si occupano di sicurezza) e una tensione di inception minima di 4 kVDc per garantire un’affidabilità sul lungo termine, si genererà una sollecitazione di tensione di 10 kV/mm. Il punto di intersezione delle curve A e B indica le dimensioni limite che deve avere la cavità affinché non si verifichino fenomeni di scarica parziale: nel caso preso in esame cavità con dimensioni superiori a 200 µm saranno soggette a fenomeni di breakdown. Risulta relativamente semplice specificare materiali in plastica stampata o strati di vetroresina nelle schede Pcb su cui sono realizzati trasformatori planari che hanno dimensioni della cavità inferiori a 200 µm. Per quanto concerne gli isolamenti multistrato, invece, lo spessore complessivo è inferiore: gli Enti che si occupano di sicurezza tipicamente consentono l’utilizzo di tre strati di film di spessore complessivo di 150 µm che viene considerato equivalente a un isolamento solido di spessore pari a 0,4 mm. In questo caso, il materiale è caratterizzato da una sollecitazione di tensione pari a circa 27 kV/mm: con questo valore l’intersezione con la curva di Paschen si ha in corrispondenza di una dimensione delle cavità pari a 15 µm. Cavità di queste dimensioni o superiori tra i diversi strati sono sicuramente presenti, ragion per cui questo tipo di sistema di isolamento, mentre è in grado di resistere alle tensioni previste da un collaudo in produzione di breve durata senza evidenziare danni evidenti, sarà sottoposto a più scariche parziali che lentamente provocheranno un deterioramento delle aree attorno alla zona dove si è verificato il breakdown. I collaudi che hanno evidenziato che la tensione di inception è più elevata rispetto alla tensione di lavoro tipica del materiale della barriera rappresentano quindi un valido indicatore dell’affidabilità sul lungo termine. Per test di questo tipo si ricorre ad apparecchiature di collaudo specialistiche che possono registrare i deboli impulsi di corrente che rappresentano le scariche (che come segnalato in precedenza sono dell’ordine di pC).

La misura delle tensioni di inception
Per illustrare le prestazioni in termini di scarica parziale dei diversi sistemi di isolamento, sono state misurate le tensioni di inception per differenti convertitori Dc-Dc di Murata utilizzando sistemi di isolamento con le caratteristiche di seguito riportate:

  • Serie MGJ2, distanze di creepage/clearance di 2 mm con un incapsulamento di livello di inquinamento 1, 200 Vac nominale (isolamento basic), 1.5kV (isolamento functional), test hipot (high potential) a 5,2 kVdc
  • Serie MGJ3, isolamento solido di spessore pari a 0,4 mm, 250 Vac nominali (isolamento reinforced), 3 kV (isolamento functional), test hipot a 5,2 kVdc.
  • Serie NXJ, Isolamento a doppio strato ciascuno di 0,077 mm, 200 Vac nominale (isolamento reinforced), hipot 4.2 kVdc.
  • Serie NCM6, isolamento a triplo filo per applicazioni commerciali di spessore pari a 0,04 mm per ciascuno strato, 250 Vac nominali (isolamento “reinforced”), test hipot a 5,2 kVDc.
  • Serie NDS6, con avvolgimenti realizzati mediante fili smaltati che garantiscono un isolamento di tipo “functional”, test hipot a 1,5 kVdc.

I dispositivi della serie MGJ2 e MGJ3, progettati per applicazioni di pilotaggio del gate “high side” hanno evidenziato ottimi risultati in presenza di tensioni Pdiv molto superiori rispetto alle tensioni di lavoro funzionali. Grazie alla loro costruzione monolitica, anche i dispositivi della serie NXJ hanno riportato risultati lusinghieri, mentre i dispositivi della serie NDS6, che prevedono soltanto un isolamento formato da fili smaltati, hanno fatto registrare il più basso valore di Pdiv, a ulteriore dimostrazione del fatto che un dispositivo di questo tipo può essere utilizzato solamente per applicazioni di isolamento funzionale con basse tensioni. È interessante notare, è ciò può essere in qualche misura comprensibile, che il dispositivo NCM6, con il suo triplo filo isolato, ha fatto registrare una Pdiv di circa 2 kV: ciò lo rende inadatto per l’uso in applicazioni di pilotaggio “high side”. Per il filo utilizzato in questo convertitore il valore della tensione nominale di test è di 4 kVac, ragion per cui in queste condizioni sarà sottoposto a scariche parziali significative e subirà un certo deterioramento. Ciò giustifica l’avvertimento riportato nei data sheet da alcuni costruttori di convertitori Dc-Dc come Murata che la ripetizione non necessaria del test hipot delle barriere di isolamento provoca fenomeni di degrado e non è pertanto consigliabile.
In definitiva, per garantire la migliore immunità alla scarica parziale lo "spacing" fisico tra il primario e il secondario di un trasformatore è senza dubbio la soluzione migliore, seguita dall’utilizzo di una barriera solida con un controllo accurato delle micro cavità. L'utilizzo di isolamenti solidi sovra dimensionati è vantaggioso in quanto riduce l'intensità del campo nella massa del materiale incrementando la dimensione della cavità nella quale potrebbero manifestarsi fenomeni di breakdown in accordo con la curva di Paschen. Sono infine sconsigliati gli isolamenti sottili formati da più stati.

Pubblica i tuoi commenti