Gate driver funzionali e affidabili

Negli ultimi anni l’attenzione si è concentrata sull’elettronica di potenza, soprattutto nei settori delle apparecchiature industriali e delle energie rinnovabili, oltre che in quello degli inverter per il settore automotive. Nel caso delle apparecchiature industriali, l’automazione industriale e l’introduzione di robot sofisticati hanno compiuto notevoli progressi, inoltre, negli anni, abbiamo assistito ad un ampliamento dei mercati degli inverter/Ups e dei servo-amplificatori di tipo general purpose. Si stanno aprendo nuovi mercati per i convertitori di potenza, tra cui inverter solari e dispositivi di accumulo di potenza nel settore delle energie rinnovabili e in quello automotive, per i veicoli Ev/Ehv. In Europa i recenti sviluppi hanno condotto ad evoluzioni nelle fasi di progettazione, con l’obiettivo di migliorare l’efficienza delle applicazioni utilizzando circuiti ad alta frequenza per inverter solari, sistemi Ups ad alta potenza, alimentatori per stazione di trasmissione dei cellulari, sistemi di celle a combustibile e convertitori di potenza per veicoli su rotaia, che richiedono l’uso di dispositivi gate driver con isolatore. Con la comparsa di campi d’applicazione e mercati nuovi, il fabbisogno di potenza globale è aumentato negli anni, rendendo di conseguenza il risparmio energetico un aspetto essenziale della progettazione di apparecchiature; questo ha reso indispensabile l’uso di circuiti invertitori e convertitori ad alta efficienza nell’elettronica di potenza, soprattutto per alimentatori e azionamenti che richiedono una conversione di elevata potenza. Insieme alla necessità di raggiungere una efficienza elevata, sono cresciute anche le sfide per la riduzione delle dimensioni dei dispositivi. Questa riduzione è generalmente ottenuta aumentando la frequenza di funzionamento, che a sua volta richiede, oltre all’utilizzo di driver più complessi, l’ottimizzazione della tensione di pilotaggio dei SiC Mosfet, Igbt o Mosfet di potenza, in funzione della scelta adottata. In ogni caso, all’aumentare della tensione nel circuito vanno sempre considerati l’effetto di picchi spuri e l'influenza del rumore di commutazione sul circuito. Per questi motivi è assolutamente necessario prevedere la presenza di circuiti di sicurezza durante le fasi di progettazione del sistema, quando si decida di ridurre le dimensioni di invertitori e convertitori semplicemente aumentandone la frequenza. All’obiettivo di raggiungere un’efficienza elevata e una riduzione delle dimensioni, si accompagna un aumento della richiesta di dispostivi di potenza dalle prestazioni elevate e di gate driver che pilotino in modo efficace questi dispositivi. È quindi previsto un ampliamento del mercato dei dispositivi di potenza SiC, che sono sempre più diffusi negli inverter di nuova generazione e che rappresentano l’essenza dell’alta efficienza. I diodi SiC vengono già utilizzati nei circuiti Pfc degli alimentatori e negli inverter di alta potenza, mentre si prevede un graduale aumento della vendita di prodotti che utilizzano Mosfet SiC per applicazioni a commutazione. Se da un lato il Mosfet SiC è in grado di migliorare l’efficienza di un inverter consentendo una commutazione ad alta velocità, dall’altro presenta problemi simili a quelli dei dispositivi di potenza tradizionali, rendendo necessaria l’adozione di contromisure contro il rumore generato nel circuito di pilotaggio del gate e la progettazione di circuiti di protezione contro eventuali anomalie.

Perfetto per l’elettronica di potenza
A partire dalle considerazioni fatte, si capisce come sia necessario adottare degli accorgimenti ulteriori nel caso si utilizzino gate driver con foto-accoppiatore per pilotare dispositivi come Mosfet SiC e Igbt nel sistema sviluppato, poiché in tali applicazioni saranno presenti valori di tensione medio-alti ed elevate potenze. Tuttavia il peggiorare delle caratteristiche ad alte temperature e la bassa velocità dei foto-accoppiatori hanno posto alcuni problemi nel loro utilizzo in circuiti con dispositivi SiC, il cui vantaggio principale è rappresentato dalla commutazione ad alta velocità. Per risolvere tali problemi Rohm Semiconductor ha creato gate driver dotati di isolatore integrato, in grado di sfruttare al massimo le prestazioni di SiC, Igbt e Mosfet di potenza. In aggiunta al dispositivo BM6104FV, dotato di protezione integrata contro i cortocircuiti, Rohm ha creato il dispositivo BM60014FV dalla struttura più semplice, con l’obiettivo accelerare il processo di sviluppo dei prodotti e soddisfare le esigenze del mercato. Questi gate driver sono stati realizzati da Rohm in package compatti, che sono i più piccoli del settore (considerando la presenza dell’isolatore incluso), combinando la sua tecnologia Bi-CDMOS originale con la nuova tecnologia del trasformatore on-chip. Nel BM6104FV l’area di montaggio è stata quasi dimezzata rispetto a quella occupata dai tradizionali foto-accoppiatori, grazie all’adozione di un package compatto che contribuisce a ridurre le dimensioni dei circuiti invertitori e convertitori. In passato la struttura del circuito richiedeva l’uso di molti componenti per poter realizzare le stesse funzioni; oggi invece il numero dei componenti è diminuito grazie all’integrazione dello stadio isolatore, contribuendo ad aumentare l’affidabilità del circuito inverter oltre che a ridurne le dimensioni. Per consentire di raggiungere velocità elevate, è stato più che dimezzato anche il tempo di ritardo tra l’ingresso e l’uscita rispetto ai prodotti di prima generazione. L’aumento delle prestazioni consente inoltre di facilitare l’impostazione dei dead-time e di raggiungere un’alta velocità della frequenza di pilotaggio, consentendo quindi la progettazione di circuiti di comando ad alta efficienza. Se da un lato il Mosfet SiC è in grado di migliorare l’efficienza di un inverter consentendo una commutazione ad alta velocità, dall’altro presenta problemi simili a quelli dei dispositivi di potenza tradizionali, rendendo necessaria l’adozione di contromisure contro il rumore generato nel circuito di pilotaggio del gate e la progettazione di circuiti di protezione contro eventuali anomalie. Rispetto ai sistemi tradizionali con foto-accoppiatore, è possibile anche ottenere una netta riduzione dei consumi, oltre ad un’integrazione di tutte le funzioni di protezione necessarie per i circuiti inverter. Ad esempio, è lo stesso gate driver a segnalare un eventuale cortocircuito mediante l’apposita funzione di protezione e, contemporaneamente, ad interrompere la commutazione, attivando contemporaneamente il soft turn-off (spegnimento controllato dell’interruttore). Ciò consente un controllo sicuro del funzionamento dell’inverter anche in presenza di anomalie. L’integrazione delle funzioni di protezione contribuisce in modo significativo alla miniaturizzazione degli inverter e alla riduzione del tempo di progetto. Il driver è inoltre adatto alla commutazione ad alta velocità del Mosfet di potenza in SiC che, secondo le previsioni, diventerà il semiconduttore i nuova generazione, in grado di contribuire in maniera significativa a raggiungere gli obiettivi di alta efficienza e di bassi consumi negli inverter ad alta potenza e nelle auto elettriche.

Caratteristiche innovative
• Tecnologia proprietaria del trasformatore coreless on-chip per isolatore 2.500 Vrms
• Realizzazione di un package compatto, il più piccolo del settore: con il package SSOP-B20W l’area di montaggio viene più che dimezzata rispetto ai tipi di package tradizionali.
• Molteplici funzioni di protezione garantiscono un elevato livello di sicurezza: tutte le funzioni di protezione necessarie per i circuiti inverter sono integrate: mirror-clamp, uscita di errore, blocco per tensione di alimentazione insufficiente, protezione contro i cortocircuiti e soft turn-off. È integrata anche la funzione di monitoraggio dello stato del gate.
• Elevata capacità di pilotaggio del gate: adatto a pilotare stadi di inverter ad alta frequenza ed elevata capacità grazie ad un pilotaggio fino a 5 A.
• Tempo di ritardo entrata/uscita: il tempo di ritardo massimo fra ingresso e uscita è di 150 ns, più che dimezzato rispetto ai prodotti tradizionali, inoltre è stata ottenuta una durata minima di impulso in ingresso di 90 ns. Ottime anche le caratteristiche in temperatura, che garantiscono un funzionamento stabile in un ampio intervallo di temperature.
• Ampia gamma di temperature d’esercizio: l’intervallo delle temperature d’esercizio va da -40°C a 125°C, consentendone l’utilizzo in ambienti caratterizzati dalle temperature più diverse. Inoltre, la variazione estremamente contenuta del tempo di ritardo in un ampio intervallo di temperature facilita il controllo del progetto del circuito di comando. È adatto anche per essere utilizzato su inverter per applicazioni automotive, in ambienti con temperature estreme.

 

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