Scegli un driver di gate ad alto CMTI che riduce il tempo morto del tuo switch SiC.

Abstract   Quando i FET GaN e SiC iniziano a sostituire le tecnologie MOSFET e IGBT nelle applicazioni di commutazione di potenza, discutiamo delle specifiche chiave per la selezione di un driver di gate isolato. Spieghiamo l'importanza del CMTI e della disuniformità del tempo di propagazione e presentiamo un IC driver di gate isolato ideale per l'uso con questi nuovi transistor di potenza.

Introduzione   “Come si suol dire, l'età della pietra non è finita perché abbiamo esaurito le pietre; siamo passati a soluzioni migliori. La stessa opportunità si presenta davanti a noi con l’efficienza energetica e l’energia pulita.” Mentre il mondo accelera la sua transizione dai combustibili fossili, ben prima del loro esaurimento previsto, le parole del Premio Nobel Steven Chu non sono mai state più pertinenti. Nuovi materiali semiconduttori come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) saranno all'avanguardia di questa rivoluzione dell’efficienza energetica. Rispetto alle tecnologie MOSFET e IGBT esistenti, questi nuovi materiali permetteranno di avere componenti più piccoli e leggeri, riducendo così i costi e il consumo energetico in applicazioni che vanno dalle automobili agli inverter per celle solari (Figura 1).

Figura 1. Scatole inverter collegate ai pannelli fotovoltaici.

I nuovi interruttori di potenza, che utilizzano questi materiali, richiederanno esigenze diverse ai componenti che li controllano, in particolare al driver di gate. In questa soluzione progettuale, esaminiamo le aree di applicazione per gli interruttori GaN e SiC rispetto a MOSFET e IGBT e discutiamo le implicazioni per i loro driver di gate. Spieghiamo le specifiche chiave per selezionare un driver di gate isolato prima di presentare una famiglia di IC con livelli di prestazioni che li rendono molto più adatti a queste nuove tecnologie rispetto ad altre offerte.

Sfidare lo status quo   Fino a poco tempo fa, scegliere una tecnologia di switch per i sistemi di alimentazione era relativamente banale. I MOSFET erano comunemente usati per tensioni fino a 600V, con l'IGBT come scelta tecnologica per tensioni più elevate. Tuttavia, la struttura cristallina laterale delle nuove tecnologie di switch di potenza come il nitruro di gallio e il carburo di silicio offre diversi vantaggi significativi in termini di prestazioni rispetto agli incumbent. Il primo vantaggio è che sono più piccoli, consentendo frequenze di commutazione più elevate. Aumentare le velocità di commutazione da decine di kilohertz a centinaia di kilohertz aumenta l'efficienza. In secondo luogo, possono operare in sicurezza a correnti e temperature più elevate. Ciò significa che richiedono trasformatori e dissipatori di calore più piccoli, consentendo motori più leggeri. Nei veicoli elettrici, questa riduzione di dimensioni e peso aumenta l'autonomia. Allo stesso modo, ridurre la dimensione degli inverter solari li rende più adatti per applicazioni domestiche. I dispositivi recenti GaN possono operare fino a 600V. Man mano che la tecnologia diventa meno costosa, è ben posizionata per sostituire eventualmente la tecnologia MOSFET con il SiC che sostituisce l'IGBT nelle applicazioni ad alta tensione.

Nessun pasto gratis   Sebbene questi vantaggi siano notevoli, ci sono delle avvertenze. La Figura 2 mostra un circuito in cui un microcontroller a bassa tensione è isolato galvanicamente (per motivi di sicurezza) dal dominio ad alta tensione che include gli interruttori di uscita e il loro driver di gate. Velocità di commutazione più rapide aumentano la suscettibilità ai transitori di commutazione più veloci. Ad esempio, i sistemi di potenza GaN commutano tipicamente in 5ns (un ordine di grandezza più veloce rispetto ai sistemi MOSFET convenzionali). Supponendo un binario ad alta tensione tipico di 600V, questo si traduce in un transitorio di commutazione di (600V/5ns) = 120kV/µs.

Figura 2: Circuito tipico di un convertitore di potenza isolato.

I transitori rapidi di rumore possono corrompere la trasmissione dei dati attraverso la barriera di isolamento o, peggio, causare un'impulso che potrebbe innescare l'accensione simultanea di entrambi i FET di potenza, provocando un pericoloso cortocircuito elettrico. Per evitare che questa situazione si verifichi, le tecnologie di commutazione rapida necessitano di un'immunità ai transitori a modo comune (CMTI) del driver del gate di almeno 120kV/µs per progetti che utilizzano una tipica linea ad alta tensione da 600V. Il CMTI è definito come la massima velocità tollerabile di aumento o caduta della tensione a modo comune applicata tra due circuiti isolati. L'unità è normalmente espressa in kV/µs. Un CMTI elevato significa che un livello di segnale da entrambi i lati della barriera di isolamento è preservato (entro i limiti del datasheet) quando la barriera di isolamento è colpita da un segnale ad alta tensione a modo comune. Una configurazione di test CMTI semplificata è mostrata nella Figura 3.

Figura 3: Misurazione del CMTI.

Abbinamento del ritardo di propagazione   Nel circuito mostrato in Figura 4, è fondamentale che in nessun caso entrambi gli interruttori siano "attivi" simultaneamente, poiché ciò comporterebbe una condizione potenzialmente dannosa di tipo cortocircuito (solitamente indicata come shoot-through). Per evitare che ciò accada, è necessario prevedere una piccola quantità di “tempo morto” in cui entrambi gli interruttori siano "spenti" o nel progetto. Tuttavia, gli interruttori GaN continuano a condurre una certa corrente, anche quando sono polarizzati inversamente. Ciò riduce l'efficienza poiché non tutta la potenza viene trasferita al carico durante questo tempo. Pertanto, c'è un compromesso da fare tra lasciare un “tempo morto” sufficientemente sicuro e la ridotta efficienza che questo causa. Arrivare a una soluzione ottimale richiede una comprensione della variabilità nel ritardo di propagazione tra le singole parti del driver gate, indicata come abbinamento del ritardo di propagazione parte-a-parte (o canale-a-canale per parti con più canali), o skew. Quando si progetta per questo tipo di circuito, un driver gate con il minor skew possibile nel ritardo di propagazione è la scelta migliore poiché consente di minimizzare la quantità di tempo morto, garantendo al contempo che non si possa mai verificare una condizione di "shoot through".  

Figura 4. Circuito push-pull a mezzo ponte.

Soluzione 2 per 1   La Figura 5 mostra una famiglia di IC driver di gate isolati che affrontano entrambe le sfide precedentemente discusse.

Figura 5. MAX22700D/MAX227002D driver di gate isolato ad alto CMTI.

Come mostrato nella Figura 6, questi componenti hanno un CMTI di 300kV/µs (tipico), un livello di protezione che supera quello offerto da componenti simili, rendendoli ideali per applicazioni che utilizzano interruttori GaN e SiC.

Figura 6. Misurazione CMTI di MAX22700.

Lo skew del ritardo di propagazione è solo di 2ns (massimo) a temperatura ambiente e 5ns (massimo) nell'intervallo di temperatura operativa da -40°C a +125°C, contribuendo a minimizzare il tempo morto e quindi a aumentare l'efficienza. Altri vantaggi includono un precision undervoltage lockout (UVLO) che assicura che più parti, che azionano interruttori in parallelo, operino alla stessa tensione di avvio. Questo è importante quando si imposta il VGS per i transistor SiC. Ci sono diverse varianti con opzioni di uscita per il pin comune del driver di gate: GNDB (MAX22700), Miller clamp (MAX22701) e UVLO regolabile (MAX22702). Inoltre, sono disponibili versioni di ingresso differenziale (versioni D) o single-ended (versioni E). La barriera di isolamento ha una tensione di resistenza di 3kVRMS per 60s per garantire prestazioni robuste. Questi IC possono pilotare FET SiC o GaN con diversi circuiti di guida di output del gate e tensioni di alimentazione del lato B.

Riassunto   L'aumento dell'attenzione al risparmio energetico nella nostra vita quotidiana sta guidando la necessità di trovare nuovi modi per far funzionare le cose. SiC e GaN sono materiali semiconduttori che possono operare in sicurezza a velocità e temperature più elevate, permettendo progetti più leggeri ed efficienti in diverse applicazioni. Tuttavia, questi nuovi materiali richiedono nuove esigenze ai circuiti che li pilotano. Abbiamo mostrato perché CMTI e la deviazione della propagazione del ritardo sono due delle specifiche più importanti da considerare quando si seleziona un driver di gate isolato per applicazioni che utilizzano queste tecnologie di commutazione. Abbiamo presentato una famiglia di IC driver di gate isolati con il CMTI più alto e la deviazione della propagazione del ritardo più bassa, rendendoli ideali per l'uso con GaN e SiC FET in UPS e inverter fotovoltaici e anche in azionamenti per motori.