Что такое изолированный драйвер затвора?

Что такое изолированный драйвер затвора?

Изолированный драйвер затвора — это схема, используемая для управления и контроля выводов затвора управляемого напряжением типа MOSFET или IGBT.

В настоящее время наиболее универсальный изолированный драйвер затвора — это схема, которая управляет и контролирует затвор MOSFET, но существуют технологии аналоговых схем, которые используют резисторы, диоды, биполярные и другие транзисторы. В последнее время также развивались сами компоненты периферийной схемы изолированного драйвера затвора.

Хотя существует множество их типов и комбинаций, изучение схем управления напряжением затвора с использованием МОП-транзисторов является наиболее практичным.

Применение изолированных драйверов затвора

Изолированные драйверы затвора используются для управления силовыми транзисторами с помощью простой схемы управления, состоящей только из МОП-транзисторов и резисторов затвора.

Преимущество изолированных драйверов затвора заключается в небольшом количестве компонентов. Недостатком является то, что скорость переключения и потери сильно зависят от значения сопротивления, и сложно установить соответствующее значение сопротивления. Как схема, которая решает эту проблему регулировки значения сопротивления, она также используется в схемах, где затвор MOSFET включается и выключается отдельно, управляемый диодом.

Напряжение для диода остается, поэтому оно не может быть полностью нулевым, но схема, называемая двухтактной, в которой Pch и Nch MOSFET соединены вверх и вниз, решает эту проблему. В настоящее время это наиболее распространенное использование изолированных драйверов затвора.

Принцип изолированных драйверов затвора

Изолированные драйверы затворов состоят из двухтактной схемы транзисторов.

Двухтактная схема — это схема, которая выполняет переключение или усиление, используя два транзистора для попеременной работы. Существует два типа двухтактных схем: «тип эмиттерного повторителя» и «тип с заземленным эмиттером», но последняя используется в большинстве случаев.

Изолированные драйверы затворов состоят из схемы, которая действует как посредник между силовым элементом, который является электростанцией, выполняющей тяжелую работу на транзисторном участке, и микроконтроллером, который является мозгом, который командует политикой управления и играет роль президента.

Мощные МОП-транзисторы и БТИЗ являются примерами силовых элементов, которые могут переносить большие токи. Напряжения и токи, которые напрямую управляют этими устройствами, в большинстве случаев недостаточны для токов и напряжений, которые может выводить обычный микроконтроллер.

Поэтому между силовыми устройствами и микроконтроллером необходимы изолированные драйверы затворов для их управления.

Другая информация о изолированных драйверах затворов

1. Драйверы сверхвысокой скорости изолированных затворов

Сверхвысокоскоростные драйверы изолированных затворов — это драйверы изолированных затворов, которые специализируются на высокоскоростном переключении. Категория сверхвысокой скорости обычно определяется как устройство со скоростью переключения в несколько десятков пс (пикосекунд) или меньше.

Пико — это 10 в минус двенадцатой степени, поэтому скорость переключения составляет менее одной триллионной секунды. Можно сказать, что эта эволюция произошла из-за последних технологических инноваций в полупроводниковых приборах.

2. Практическое применение сверхскоростных драйверов затворов

Следующие сверхбыстрые драйверы изолированных затворов используются на практике.

Первый — это транзистор, использующий кремний, наиболее часто используемый полупроводник. Биполярный тип быстрый и способен переключаться за десятки пикосекунд, в то время как тип МОП имеет задержку срабатывания, но подходит для интеграции схем высокой плотности.

Второй тип — это транзистор типа составного полупроводника. К ним относятся MESFET, полевой транзистор с затвором Шоттки, HBT, гетеробиполярный транзистор, и HEMT, полевой транзистор с высокой подвижностью. В качестве полупроводника используется соединение арсенида галлия. Это устройство способно переключать операции за несколько пикосекунд, что делает его самым быстрым полупроводником, доступным сегодня для сверхвысоких скоростей.

Третье, хотя все еще находящееся на стадии исследования, — это устройство Джозефсона, которое использует туннельный эффект между двумя типами сверхпроводников; оно имеет половину скорости переключения второго устройства и использует металлические материалы, такие как ниобий. Однако для его работы требуются криогенные температуры, и еще предстоит преодолеть некоторые проблемы, прежде чем его можно будет использовать на практике.

3. Драйверы изолированных затворов SiC

Драйверы изолированных затворов SiC — это полупроводниковые приборы, которые привлекают внимание в мире силовой электроники в последнее время из-за их превосходных характеристик пробивного напряжения и улучшенной скорости переключения. Драйверы изолированных затворов состоят из полупроводника, называемого карбидом кремния (широко известного как SiC), использование которого стало тенденцией в отрасли.

В частности, МОП-транзисторы с использованием SiC внесли значительный вклад в улучшение характеристик переключения, что было проблемой в мощных инверторах, и улучшили рассеивание тепла, достигнув при этом высокой напряженности поля пробоя и скорости дрейфа носителей.

Однако SiC имеет проблему разрешения разности напряжений в различных конфигурациях состава SiC.

4. Основные устройства тока в драйверах изолированных затворов

В настоящее время основными устройствами, которые мы хотим использовать с драйверами изолированных затворов, являются управляемые напряжением устройства, называемые MOSFET и IGBT. Хотя драйверы изолированных затворов не требуют постоянного тока, им требуется короткий импульсный ток во время операций переключения, поэтому номинальные значения тока и напряжения в качестве силовых устройств должны быть тщательно рассмотрены.

В частности, в случае IGBT, по сравнению с MOSFET, их характеристики лучше всего проявляются при высоких напряжениях в несколько десятков В. Поэтому безопаснее выбирать характеристики смещения для изолированных драйверов затвора, которые максимально соответствуют диапазону напряжений и применению.

5. Модуляризация и будущие тенденции

IGBT характеризуются тенденцией работать при высоких напряжениях и мгновенно выходить из строя при превышении их максимальных номиналов. По этой причине модули IGBT, которые объединяют IGBT с изолированными ИС драйверов затвора и схемами защиты, проще в использовании, чем одни IGBT (дискретные), и в настоящее время широко распространены на рынке.

Будущие тенденции в развитии технологии изолированных драйверов затвора будут включать не только более компактные, высокопроизводительные и простые в использовании продукты, но и специализированные ИС, такие как усилители класса D и ИС привода двигателя. Эти изолированные драйверы затворов будут отличаться от изолированных драйверов затворов для полупроводников SiC и устройств GaN, упомянутых ранее.