Alimentare i gate driver degli Igbt con convertitori Dc-Dc

Gli Igbt sono ora utilizzati in dispositivi di elevata potenza con capacità di gate effettiva dell'ordine di centinaia di nanofarad (nF). Sebbene questa capacità deve essere semplicemente caricata e scaricata per il turn-on (accensione) e il turn-off (spegnimento) dell'Igbt, la corrente circolante necessaria per eseguire tali operazioni provoca dissipazioni di potenza di notevole entità per le cadute di tensione nel circuito di pilotaggio del gate (gate driver) e all'interno dell'Igbt. In presenza di potenze elevate, gli invertitori o i convertitori utilizzano configurazioni a ponte (bridge) per generare la frequenza rete Ac o fornire il pilotaggio bi-direzionale in modalità Pwm a motori, trasformatori o altri carichi. I circuiti a ponte includono Igbt i cui emettitori sono nodi di commutazione ad alta tensione ed elevata frequenza in modo che il segnale Pwm per il pilotaggio del gate e gli associati rail di potenza necessari per il pilotaggio, che utilizzano l'emettitore come riferimento, devono essere di tipo flottante (floating) rispetto alla massa del sistema (in questo caso si parla di “high side” drive). Il circuito di pilotaggio inoltre deve essere immune a rapide variazioni della tensione (dV/dt) del nodo di commutazione e caratterizzato da una capacità di accoppiamento di valore molto basso. Una tendenza che si sta sempre più affermando è l'utilizzo di un convertitore Dc-Dc per fornire rail di potenza ottimizzati per questi circuiti di pilotaggio di tipo “floating” che utilizzano un Igbt. In prima istanza è necessario impostare le tensioni di gate per gli stati di on e di off. Si prenda come esempio il dispositivo FZ400R12KE4, un Igbt prodotto da Infineon. È caratterizzato da una tensione di soglia (threshold) di turn-on di 5,2 V (minimo) a 25 °C: in pratica per assicurare una completa saturazione e una corrente di collettore nominale di 400 A è necessario applicare un tensione pari ad almeno 10 V. Poichè la tensione di gate massima del componente è ± 20 V, un valore di +15 V risulta adeguato e garantisce un buon margine. Valori più alti producono una dissipazione non necessaria nel circuito di pilotaggio del gate. Per lo stato di off è possibile impostare una tensione di gate di 0 V. Una tensione negativa, compresa solitamente tra -5 e -10 V, consente una rapida commutazione controllata da un resistore del gate. A questo punto è utile considerare il fatto che qualsiasi induttanza dell'emettitore tra l'Igbt e il riferimento del driver provoca una tensione tra gate e emettitore che si oppone alla tensione di turn-off dell'Igbt. Un'induttanza di valore ridotto, ad esempio di soli 5 nH, può produrre una tensione di 5 V con una variazione di corrente (di/dt) di 1.000 A/µs. Si tenga conto che 5 nH è il valore di induttanza di una connessione mediante filo di pochi millimetri (l'induttanza parassita - stray capacitance - del package di FZ400R12KE4 è di 16 nH). Un drive negativo appropriato assicura che la tensione nello stato di off tra gate ed emettitore sia sempre pari a 0 (o inferiore). Un gate drive negativo permette anche di contrastare l'effetto della capacità di “Miller” tra collettore e gate durante il turn-off del dispositivo che provoca l'iniezione di corrente nel circuito di pilotaggio del gate. Quando un Igbt è pilotato nello stato di off, la tensione tra collettore e gate aumenta e una corrente fluisce attraverso la capacità di Miller di valore pari a Cm. Osservando la Fig. 2 si può vedere che dVce/dt (ovvero una rapida variazione di tensione tra collettore ed emettitore) induce una corrente nella capacità Cge tra gate ed emettitore e attraverso il resistore del gate che collega il driver. La tensione risultante Vge sul gate può avere un valore sufficiente per provocare l'accensione (turn-on) dell'Igbt, con possibili danni e fenomeni di shoot-through. Il pilotaggio del gate con una tensione negativa permette di attenuare questo fenomeno. Un convertitore Dc-Dc con uscite di +15/-9V fornisce valori di tensioni ottimali per il gate driver. Il gate di un Igbt deve essere caricato e scaricato attraverso Rg durante ciascun ciclo di commutazione. Nel caso il datasheet dell'Igbt fornisca una curva della carica di gate la relazione è la seguente:

P = Qg. F .Vs 

dove P è la potenza del gate driver, Qg è il valore dela carica fornito dal data sheet in corrispondenza di una determinata oscillazione della tensione (voltage swing) del gate, positiva o negativa, di valore pari a Vs. Nel caso il data sheet non fornisca una curva della carica ma semplicemente un valore di Qg in corrispondenza di specifici valori di tensioni di gate, il valore di Qg per altre oscillazioni di tensione del gate può essere ricavato in modo approssimativo moltiplicando tale valore per il rapporto tra l'oscillazione effettiva e quella fornita dal data sheet. Per esempio, nel caso del componente FZ400R12KE4 il valore di Qg è pari a 3,7 µC in corrispondenza di un'oscillazione della tensione di gate di ±15 V (quindi 30 V in totale). Per un'oscillazione di +15/-9 V (24 V in totale) la carica di gate sarà data approssimativamente da:

Qg = 3.7e-6 . 24/30 ≈ 3 µC

A una frequenza di 10 kHz ciò richiede una potenza di pilotaggio del gate di:

Pg = 3e-6 .10e3 . 24 ≈ 0.72 W

Tenendo conto di fenomeni di derating e di altre perdite accidentali, un convertitore Dc-Dc da 2 W risulta una scelta adeguata. Nell'esempio preso in considerazione, in cui l'oscillazione complessiva di tensione è pari a 24 V, l'energia di carica e di scarica deve essere la medesima in ciascun ciclo, in modo che la corrente media di carica e scarica sia la stessa: in questo caso il rapporto tra Pg/Vs fornisce un valore pari a 30 mA. La corrente di picco Ipk, richiesta per caricare e scaricare il gate è funzione di Vs, della resistenza del gate dell'Igbt (Rint) e della resistenza esterna Rg, ovvero:

Ipk = V s/(Rint + Rg)

Poichè il componente FZ400R12KE4 è caratterizzato da una Rint = 1,9 Ohm, un resistore esterno di 2 Ohm e un'oscillazione di 24 V produrranno una corrente di picco superiore a 6 A. Questa corrente di picco deve essere fornita dai condensatori ‘bulk’ sui rail di alimentazione del driver, in quanto è improbabile che il convertitore Dc-Dc sia dotato di condensatori di uscita di capacità tali da poter fornire questa corrente senza fenomeni di “droop” significativi. Naturalmente il gate driver stesso deve avere caratteristiche nominali idonee per supportare questi valori di correnti di picco così come i resistori di gate. Nel caso dell'esempio preso in considerazione, l'energia totale per il pilotaggio del gate (E) per ciclo è data da:

E = Qg. V s = 72 µJ

I condensatori bulk presenti sui rail a +15 e -9 V forniscono questa energia in misura proporzionale alle loro tensioni, per cui il rail a +15 V fornirà un'energia pari a 45 µJ. Nel caso di ipotizzi che la caduta di tensione del condensatore “bulk” sul rail a +15 V non sia superiore a 0,5 V per ciascun ciclo, è possibile calcolare la capacità minima C eguagliando l'energia fornita con la differenza tra l'energia del condensatore in corrispondenza dei valori di tensione iniziale e finale, ovvero:

45 µJ = ½ C (Vinit2 – Vfinal2)

C = (45e -6 . 2)/(152 – 14.52) ≈ 6.1 µF

Sebbene il rail a -9 V fornisca circa un terzo dell'energia, richiede il medesimo valore di capacità per una caduta di tensione di 0,5 V, e ciò rappresenta una percentuale maggiore del valore iniziale.

Convertitore Dc-Dc: alcune considerazioni

I valori assoluti delle tensioni di pilotaggio del gate non sono critici poichè essi sono superiori al valore minimo, ben al di sotto dei valori di breakdown e la dissipazione risulta accettabile. I convertitori Dc-Dc che devono fornire la potenza di pilotaggio possono quindi essere di tipo non regolato se l'ingresso è nominalmente costante. A differenza di quel che accade in molte applicazioni che utilizzano questo tipo di convertitori, il carico è abbastanza costante durante la commutazione dell'Igbt per qualsiasi duty cycle. Il carico invece è prossimo a zero quando l'Igbt non è in fase di commutazione. I convertitori Dc-Dc di tipo più semplice spesso richiedono un carico minimo, poichè in caso contrario la loro tensione di uscita può crescere notevolmente, fino a raggiungere il valore della tensione di breakdown del gate. Questa tensione di valore elevato è immagazzinata sul condensatore “bulk” positivo quindi, quando l'Igbt inizia a commutare, potrebbe sperimentare una sovratensione (overvoltage) sul gate fino a quando il livello non scende a quello previsto in condizioni di carico normale. Di conseguenza è necessario scegliere un convertitore Dc-Dc con tensioni di uscita agganciate (clamped) o che non abbia requisiti di carico minimo. Gli Igbt non dovrebbero essere pilotati in modo attivo dai segnali Pwm finchè i rail di tensione del circuito di pilotaggio non raggiungano i valori previsti. Poichè i convertitori Dc-Dc utilizzati per il pilotaggio del gate sono soggetti a operazioni di power up e power down, si potrebbe instaurare una condizione transitoria durante la quale gli Igbt verrebbero essere pilotati nello stato di on anche se il segnale Pwm è inattivo, con possibili danni e fenomeni di shoot-through. Il convertitore Dc-Dc dovrebbe garantire un comportamento adeguato in presenza di tempi di tempi di salita (rise) e discesa (fall) di breve durata e di natura monotona. Un controllo on-off riferito al primario potrebbe garantire consentire una sequenzializzazione dell’alimentazione (sequencing) dei convertitori Dc-Dc utilizzati in una configurazione a ponte, riducendo in tal modo il rischio di fenomeni di shoot-through. I convertitori Dc-Dc per drive per Igbt “high-side” sono soggetti alla tensione “Dc-link” commutata ai capi della loro barriera di isolamento. Tale tensione può essere dell'ordine dei kV con fronti di commutazione molto veloci, anche superiori a da 10 kV/µs. Nel caso dei dispositivi GaN di ultima generazione si possono superare i 100 kV/µs. Questa elevata velocità di variazione della tensione (‘dV/dt’) produce una corrente di spostamento (displacement current) attraverso la capacità della barriera di isolamento del convertitore Dc-Dc di valore pari a:

I = C. dV/dt

Per una capacità di soli 10 pF e una variazione di tensione di 10 kV/µs, viene indotta una corrente pari a 200 mA. Questa corrente ritorna attraverso un percorso indeterminato attraverso il circuito del controllore arrivando al ponte e provocando guizzi (spike) di tensione ai capi delle induttanze e delle resistenze di collegamento che potrebbero interrompere il funzionamento del controllore e dello stesso convertitore Dc-Dc. Da qui l'esigenza di avere capacità di accoppiamento di ridotto valore, possibilmente inferiori a 15 pF. Quando un driver per Igbt è alimentato da un convertitore Dc-Dc isolato, la barriera nel convertitore dovrà essere in grado di resistere alla tensione di commutazione (switched voltage) applicata agli Igbt, il cui valore può variare dai kV alle decine di kHz. Poichè la tensione è di tipo commutato, la barriera si deteriorerà con il passare del tempo in modo più veloce rispetto al caso in cui fosse soggetta solamente agli effetti di scarica parziale e ai fenomeni di natura elettrochimica che di verificano nel materiale della barriera. Il convertitore Dc-Dc, quindi, deve disporre di un isolamento robusto e distanze di “creepage” e “clearance” adeguate. Nel caso la barriera del convertitore faccia parte di un sistema di isolamento di sicurezza, è necessario garantire la conformità in termini di livello di isolamento richesto (basic, supplementary, reinforced), tensione di funzionamento, grado di inquinamento, categoria di overvoltage e altezza. È inoltre consigliabile posizionare il driver dell'Igbt e il relativo convertitore Dc-Dc il più vicino possibile all'Igbt in modo da minimizzare da un lato le cadute di tensione e dall’altro la possibilità che venga introdotto del rumore. I componenti si trovano quindi in un ambiente dove le temperature potrebbero essere potenzialmente alte, con conseguenze negative su affidabilità e durata. I convertitori Dc-Dc dovrebbero quindi essere scelti con valori nominali adeguati e non integrare componenti sensibili alla temperatura come ad esempio condensatori elettrolitici e opto-accoppiatori. I valori di Mttf riportati sul datasheet si riferiscono a temperature di 25 o 40°C e dovrebbero essere estrapolati per le temperature di funzionamento effettive.

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