Разбираемся с драйверами затвора
В документации к регуляторам напряжения постоянно встречаются драйверы затвора транзисторов. Разберемся, какая их роль в источниках питания, и научимся выбирать подходящий под ваше применение драйвер.
Для чего нужен драйвер?
Основная задача драйвера - открывать и закрывать транзистор за конкретное, короткое время. Для включения транзистора требуется зарядить его входную емкость, при высокой частоте требуется короткое время переключения, для этого необходимо обеспечить высокий пиковый ток. Поскольку микросхемы управления (ШИМ - регуляторы, специальные контроллеры, дискретная и программируемая логика) имеют выходной ток с выводов не более 15-20мА, открыть транзистор с высокой входной емкость быстро не выйдет. Для примера: ток 20мА зарядит емкость 10нФ до напряжения 5В за время 2.5мкс, при работе источника на смешных 100кГц суммарное время включения и отключения будет составлять 5мкс или половину периода, что недопустимо.
Еще одной важной функцией драйвера является подача положительного напряжения на затвор верхнего ключа. Почему это важно? Поскольку напряжение на затворе верхнего ключа должно превышать входное напряжение, когда ключ откроется и входное напряжение пройдет на исток, напряжение на затворе должно больше чем Vin + Vth (Vth - пороговое напряжение открытия транзистора).
Для этих целей в драйверах придумали механизм, позволяющий заряжать затвор выше напряжения питания самого драйвера, драйвер же может питаться от входного напряжения. Бутстрепная емкость Cboot заряжается от входного напряжения Vdd, когда открыт нижний транзистор Q2. Когда нижний транзистор закрылся, внутренняя логика драйвера подключает заряженный до Vdd конденсатор Cboot к затвору Q1, таким образом, поскольку нижняя обкладка конденсатора подключена к истоку Q1, а верхняя - к затвору, на затворе образуется положительный импульс амплитудой Vdd относительно истока.
Помимо этих замечательных функций, драйвер затвора может обеспечивать защиту транзистора, предотвращать сквозные токи между верхним и нижним ключом, защищать транзисторы от произвольного открытия и многое другое.
Паразитные параметры преобразователя
Чтобы правильно выбрать драйвер потребуется изучить паразитные параметры компонентов в вашем преобразователе.
МДП транзистор
Рассмотрим физическую структуру транзистора. Существуют разные типы МДП- транзисторов, но паразитные параметры у всех типов схожи, вот, например, типичный представитель семейства:
Большое влияние оказывает и корпус, в котором расположен транзистор. Соединение кристалла с контактными площадками добавляет паразитную индуктивность. Пример распайки кристалла на контактные площадки силового модуля с МДП транзистором:
Интересующие нас параметры: индуктивности стока, истока и затвора (Ld, Ls, Lg), сопротивление затвора (Rg), емкость затвор - исток (Cgs), сток исток (Cds), сток затвор (она же емкость Миллера, Cgd). Важным компонентом является паразитный диод, однако поскольку он участвует в процессе работе источника, он довольно полезен, но негативное влияние также оказывает.
Самыми критичными для работы драйвера являются Rg, Cgd, Cg. Также при работе преобразователя будет вредить паразитная индуктивность, особенно ее влияние растет с ростом частоты работы.
Драйвер
У драйвера затвора также есть паразитные параметры, самым важным является выходное сопротивление драйвера. Также в драйверах специфицирован максимальный ток, который он способен выдать в затвор транзистора.
Печатная плата
С печатной платой связано много паразитных параметров. В основном это индуктивность, которую добавляют печатные дорожки. Также возможно и небольшое увеличение емкости в случае широких полигонов. Самым критичным параметром является индуктивность от выхода драйвера к затвору транзистору - Lg, влияют и Ld, Ls, но меньше.
Часто разработчики обделяют вниманием бутстрепную емкость Cbst, однако дополнительная индуктивность между Cbst и выводами драйвера суммируется с индуктивностью затвора. Это связано с тем, что драйвер разряжает через себя эту емкость в затвор верхнего транзистора:
Для минимизации паразитных параметров следует уменьшать расстояния от затвора до выхода драйвера, проводить трассы толстыми проводниками или полигонами с минимумом переходных. Пример, как НЕ стоит делать:
Резюме
При понижающей топологии преобразователя у нас получается следующая картина паразитных параметров:
Влияние паразитных параметров
Принцип работы преобразователя
Начнем с короткого экскурса в работу понижающего преобразователя. Его работа разделяется на 3 основных стадии:
1. Верхний драйвер подает положительное напряжение на затвор. Ключ открывается, ток протекает через него, ток в дросселе нарастает, конденсатор на выходе заряжается;
2. Верхний и нижний драйвер держат свои выходы в 0. Оба ключа закрыты для предотвращения одновременной проводимости и сквозного тока;
3. Нижний драйвер подает положительное напряжение на затвор. Нижний ключ открывается, ток через дроссель спадает, конденсатор на выходе разряжается.
За счет изменения отношения времени открытия верхнего и нижнего ключа мы регулируем напряжение на выходе.
Вводим паразитные параметры
Идеальную картину искажают паразитные компоненты, которые были рассмотрены выше. За счет наличия ёмкости Cdg при открытии ключей на их затворе появляется плато Миллера. Плато появляется при попытке драйвера зарядить входную ёмкость Cgs (t0-t2), за счет этого начинает падать напряжение сток - исток транзистора, этот скачек напряжения создает ток через емкость Cdg равный:
Этот ток вычитается из тока драйвера, который пытается зарядить затворную емкость Cgs. В итоге на затворе образуется плато до момента, пока емкость Cdg не будет полностью разряжена(t2-t3), далее драйвер успешно дозаряжает емкость Cgs (t3-t4):
Емкость Cdg замедляет процесс переключения и чем меньше ток драйвера, тем медленнее произойдет переключение. Таким образом увеличиваются и потери (из - за произведения Ids * Vds).
Емкость Cgs также оказывает влияние на работу схемы. Чтобы зарядить эту емкость до напряжения Vdrv за время t драйверу потребуется ток:
Необходимый ток драйвера можно рассчитать и исходя из заряда Qg, требуемого для полного включения транзистора (который, чаще встречается в спецификации транзисторов):
В случае отключения транзистора все происходит в обратном порядке.
Следующим важным пунктом является влияние индуктивности Lg, Ld, Ls. При работе на высоких частотах требуются быстрые фронты, и индуктивность начинает иметь значение. При высоких скоростях нарастания тока Ig из драйвера в затвор (для быстрой зарядки Cgs, Cdg) создается падение напряжения на индуктивности затвора равное:
Также будет влиять индуктивность истока Ls, она аналогично создает падение напряжения при резком скачке тока стока Id, данное падение будет вычитаться из напряжения на затворе, который создает драйвер:
Нежелательные эффекты и борьба с ними
Паразитные параметры создают эффекты, которые могут нарушить работу вашей схемы или привести к ее выходу из строя, разберемся как с ними можно бороться.
Перегрев драйвера
Происходит в случае если драйвер работает на границе своих возможностей, например, с высокой частотой. Рассчитывается по формулам:
Pon = Vdrv * Qg * fsw * Rdrv_hi / (Rdrv_hi + Rgi + Rgon)
Poff = Vdrv * Qg * fsw * Rdrv_lo / (Rdrv_lo + Rgi + Rgoff)
fsw - частота работы источника;
Qg - заряд, требуемый для открытия транзистора;
Rdrv_hi - внутреннее сопротивление драйвера при подаче тока в затвор;
Rdrv_lo - внутреннее сопротивление драйвера при заборе тока с затвора;
Rgi - внутреннее сопротивление затвора транзистора;
Rgon - дополнительное внешнее сопротивление при включении;
Rgoff - дополнительное внешнее сопротивление при выключении.
Решение проблемы довольно очевидно - снижение частоты работы схемы, увеличение внешнего резистора на затворе или увеличения корпуса драйвера (с большей теплоотводящей способностью).
Сквозной ток
Сквозной ток начинает протекать, когда оба транзистора одновременно открыты. В этом случае ключи могут перегреться и сгореть. Чтобы избежать данного эффекта, требуется перед включением первого ключа убедиться, что второй закрыт и наоборот. Для этого вводят так называемое мертвое время (dead time, tdt). Это время, когда оба ключа закрыты. В некоторых драйверах оно присутствует и является константой, в других его можно настраивать, в третьих (таких уже меньшинство) оно отсутствует, и вам требуется вводить его самостоятельно при управлении ШИМ.
За счет задержки открытия транзисторов при каждом цикле переключения снижается передаваемая энергия. Также в течении мертвого времени ток дросселя замыкается через внутренний диод транзистора, (падение на котором около 1В) что также снижает КПД вашего источника. Минимальное мертвое время должно быть:
tdt > ton_max - toff_min + tpd_drv
ton_max - максимальное время включения любого из ключей;
toff_min - минимальное время отключения комплиментарного ключа;
tpd_drv - задержка распространения в драйвере.
Мертвое время - обязательная задержка, которая спасает вашу схему от сквозных токов, однако иногда они могут возникать и с корректно подобранным мёртвым временем, об этом ниже.
Электромагнитные помехи
При высокой скорости переключения транзисторов возникают колебательные процессы из - за паразитных параметров: Ld, Ls, Cds, Cdg, все это выливается в помехи, которые распространяются далее по проводникам на плате, а также в виде излучения. Выходом является снижение скорости переключения, это можно сделать за счет установки дополнительных затворных резисторов Rgate между выходом драйвера и транзистором:
Мы сталкиваемся с выбором: резистор уменьшает скорости включения и выключения. При снижении скорости включения мы уменьшаем помехи, а при снижении скорости выключения увеличиваем потери за счет выделяемой мощности на внутреннем диоде. Чтобы обойти это ограничение, придумали ставить параллельный резистору диод в затворную цепь. С помощью него возможно разделить скорость нарастания напряжения в фазе включения и выключения:
Существуют и специальные драйверы, которые имеют два отдельных выхода: для включения и выключения ключа.
По итогу получаем чистое переключение с минимумом осцилляций и без траты лишней мощности:
Переключение с раздельными затворными резисторами b)
Приходим к выводу, что с ростом номинала затворного резистора снижается количество помех, однако, как видно на рисунке, задерживаете переключение, а это, в свою очередь, может привести к сквозному току.
Вот что произойдет, если вы слишком переусердствуйте с номиналом резисторов:
Увеличиваются не только потери на параллельном диоде, но и начинает протекать перекрестный ток, хоть и небольшой. В каждом дизайне процесс подбора затворных резисторов индивидуален, он зависит от требований по уровню помех, КПД преобразователя, нюансов схемы.
Хочется упомянуть еще один важный нюанс. Поскольку в течении мертвого времени проводит внутренний диод нижнего ключа, когда к нему прикладывается обратно напряжение, возникает ток обратного заряда (Reverse recovery - Qrr). Резкий скачек обратного тока создает дополнительное падение напряжения на индуктивности Ls верхнего ключа и Ld нижнего ключа, что также увеличивает помехи, поэтому стоит минимизировать паразитную индуктивность в месте соединения транзисторов.
Самопроизвольное включение
Вот мы и дошли до самого интересного. Предположим, вы подобрали драйвер, компоненты, рассчитали номиналы резисторов для оптимального баланса между помехами и потерями. Однако при включении вашего преобразователя из него внезапно выходит дым, почему такое могло произойти?
Все дело в тех же паразитных параметрах. Давайте подробнее рассмотрим емкость Cdg в комбинации с затворным резистором Rg. Предположим, нижний ключ был включен, далее он выключается. Проходит мертвое время, включается верхний ключ. На стоке нижнего ключа появляется входное напряжение, в зависимости от скорости нарастания этого напряжения через емкость Миллера Cdg образуется ток равный:
Данный ток проходит в цепь затвора и падает на резисторе Rg, создавая напряжение Rg * Idg, далее это напряжение может спокойно открыть нижний транзистор, приводя к сквозному току.
Вот так будут выглядеть графики для нижнего ключа при изменении сопротивления его затвора с 1 до 50 Ом. Vgs достигает порогового Vth, и ключ открывается:
Данному эффекту больше подвержены высоковольтные преобразователи, в них используются транзисторы с большими емкостями Cdg. За счет высокой емкости и высокой амплитуды и возникают подобные неприятности.
Из всего этого можно сделать один вывод: для устранения эффекта самопроизвольного включения требуется, чтобы сопротивление на затворе нижнего транзистора было относительно небольшим, сопротивление верхнего - большим. Таким образом, мы снизим скорость dVds/dt для нижнего ключа и снизим падение тока Cdg на затворном резисторе.
Есть и другие решения этой проблемы:
- В некоторых драйверах используют драйвер с отрицательным напряжением нуля, он притягивает затвор к отрицательной шине, снижая вероятность открытия транзистора.
- Установив дополнительную емкость на затворе, возможно снизить амплитуду скачка напряжения на затворе за счет того, что часть тока ответвится во внешний конденсатор, стараясь зарядить его.
- Использование дополнительно транзистора, который встроен в драйвер, он шунтирует через себя паразитный ток из Cdg.
Вот небольшая шпаргалка, которая поможет вам сделать правильный выбор затворных резисторов для верхнего и нижнего транзистора:
На самопроизвольное включение может влиять и индуктивность нижнего ключа: Lg, Ls. Особенно это проявляется на высоких частотах. На рисунке ниже виден явно колебательный процесс, хотя резистор Rg2 выбран небольшим.
Для сравнения можно взять GaN транзистор, у которого Cdg практически равен 0. Результат будет аналогичными, при коротком времени включения за счет паразитной индуктивности.
Заключение
Драйверы являются неотъемлемой частью преобразователей напряжения. Они изолируют цифровую логику от силовой части, защищают ключи. При минимизации паразитных параметров и оптимальных режимах работы они способны переключать транзисторы за десятки наносекунд.