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閘極驅動器

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芯科新隔離式閘極驅動器提升瞬態抗擾性

芯科科技(Silicon Labs)宣布推出新型Si823Hx/825xx隔離式閘極驅動器,結合更快速、安全的開關、低延遲和高雜訊抗擾性,可更靠近功率電晶體放置,實現精小的PCB設計。這些取得新進展的閘極驅動器可協助電源轉換器設計人員達到、甚至超越不斷演進的效能標準及尺寸限制,同時採用SiC、GaN和快速Si FET等新興技術。 Silicon Labs副總裁暨電源產品總經理Brian Mirkin表示,汽車、工業和再生能源市場的電源轉換器設計人員運用新興效能標準和新技術選項管理動態環境,同時滿足對安全和電源的持續需求。新型隔離式閘極驅動器提供電源工程師所需的高效能以滿足並超越產業要求,包括寬廣的輸入電壓範圍、更低延遲、更高的抗擾性和快速的開關能力。 Silicon Labs之隔離式閘極驅動器技術適用於各種電源應用,包括資料中心電源、太陽能微型逆變器、汽車市場的牽引逆變器和工業電源。 Si823Hx/825xx系列產品的差異化功能經特別配置以滿足高挑戰性電源環境之設計人員需求。Silicon Labs產品系列提供獨特的升壓元件,可提供更高的電流源,加速FET開啟。對稱的4A流入/流出(sink/source)電流能力代表電流源幾乎是前代驅動器的兩倍,有助於減少開關損耗。新型隔離式閘極驅動器將延遲減少一半,最大傳播延遲30ns,進一步減少了反饋迴路延遲,提升系統效率。驅動器並具備更佳的瞬態雜訊抗擾度,確保在固有雜訊環境中穩定運行。4.5V到20V的寬廣輸入電壓範圍(VDDIH)使其可與典型類比控制器的電源軌直接連接。
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東芝推車用ECU閘極驅動器開關IPD

東芝(Toshiba)推出閘極驅動器開關IPD TPD7107F。該產品用於控制接線盒和車身控制模組等車載電子控制單元(ECU)的供電電流的通斷,並計畫於即日起出貨。 透過結合東芝的汽車級低導通電阻N溝道MOSFET,TPD7107F可以形成負載電流的高側開關。作為一種電子開關,這款新型IPD能夠避免機械繼電器的觸頭磨損,有助於縮小車載ECU的尺寸並降低功耗,同時還提供免維護功能。 透過提供增強功能(自我保護功能和輸出到微控制器的各種內建診斷功能)以支援車載ECU所需的高可靠性,新款IPD能夠監控負載作業和與其連接的MOSFET。當作業發生異常時,它能迅速中斷MOSFET,以減少MOSFET上的負載。 TPD7107F採用WSON10A封裝,並且內建升壓電路,因此可減少電容器等週邊元件的使用。新款IPD在待機狀態下的耗電量低至3μA(最大值)。 應用: 車用設備 ECU(車身控制模組、接線盒等) 配電模組 半導體繼電器
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Power Integrations SiC MOSFET驅動器符合AEC-Q100汽車認證

Power Integrations日前宣布推出用於碳化矽(SiC)MOSFET的高效單通道閘極驅動器SIC118xKQ SCALE-iDriver,該產品現已通過AEC-Q100認證,可供汽車使用。這些裝置可設定為支援常用SiC MOSFET的閘極驅動電壓需求,並具有精密的安全和保護功能。 Power Integrations汽車閘極驅動器產品資深行銷協理Michael Hornkamp表示,碳化矽MOSFET技術為體積更小、更輕便的汽車變頻器系統打開了大門。切換速度和工作頻率在不斷增加;該公司的低閘極電阻器值維持了切換效率,同時,快速短路回應功能能夠在發生故障時快速保護系統。 SIC1182KQ(1200V)和SIC1181KQ(750V)SCALE-iDriver裝置經過最佳化,適用於在汽車應用中驅動 SiC MOSFET,具備軌對軌輸出、快速閘極切換速度、支援正負輸出電壓的單極供應電壓、整合式電源與電壓管理和增強型絕緣。重要的安全功能包括汲源極間電壓(VDS)監測、SENSE讀數、一次側和二次側欠壓鎖閉(UVLO)、限電流閘極驅動器和進階主動箝位(AAC),該功能有助於在故障狀況下執行安全操作和軟關閉。AAC與VDS監測相結合可確保在短路狀況下的安全關閉時間少於2µs。閘極驅動控制和AAC功能可以使閘極電阻最小化;這就減少了切換損失,進而大幅發揮變頻器效率。 將SCALE-iDriver控制和安全功能與其高速FluxLink通訊技術搭配使用後,相比使用光電隔離式、電容隔離式或矽隔離式磁耦合器,Power Integrations掀起了一場閘極驅動器IC技術的革命。這種組合大幅提高絕緣能力,並利用較少的300kW以下外部元件進行安全、低成本變頻器設計。
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Power Integrations閘極驅動器隨插即用 適用於緊壓包裝IGBT模組

Power Integrations日前推出1SP0351 SCALE-2單通道+15/-10V隨插即用閘極驅動器,專為來自Toshiba、Westcode和ABB等製造商的全新4500V緊壓包裝IGBT(PPI)模組而開發。依據Power Integrations提供的廣泛應用型SCALE-2晶片組,全新閘極驅動器適合高可靠性應用,例如HVDC VSC、STATCOM/FACTS和中壓驅動。 Power Integrations的技術產品經理Thorsten Schmidt表示,這些驅動器為適合緊壓包裝IGBT模組的驅動解決方案。裝置耐用、可靠且易於使用。 1SP0351驅動器配備動態進階主動箝位(DAAC)、短路保護、內置DC-DC轉換器、經調節的開啟閘極驅動電壓、DC-DC過載監測以及供電電壓監測。此外還包含主動米勒箝位。SCALE-2 ASIC 晶片組使用精密的數位控制技術,與傳統解決方案相比,將元件數目減少達85%,大幅提高可靠性。 1SP0351驅動器專為易於使用而設計,其具備隨插即用功能,便於調試,且允許安裝後立即投入運作。包含的簡單雙接腳電源插頭還簡化了操作,同時保形塗層增加了產品的耐用性和可靠性。
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Power Integrations新閘極驅動器獲AEC-Q100汽車認證

Power Integrations日前宣布推出獲得汽車認證的SID1181KQ SCALE-iDriver閘極驅動器,其適用於額定電壓為750V的IGBT。繼推出1200V驅動IC後,該新零件擴大該公司獲得汽車認證之驅動IC範圍。 Power Integrations汽車閘極驅動器產品資深行銷協理Michael Hornkamp表示,採用FluxLink技術的SCALE-iDriver系列能為各種IGBT驅動器提供安全、低成本的設計,適用於包括傳動元件、車載充電器和充電站以及其他高度可靠的驅動器和變頻器在內的各種電動車輛應用。 新驅動IC輕巧節能且強大,使用高速FluxLink通訊技術,即使出現故障亦可確保系統安全,大幅提升新閘極驅動器的可靠性和絕緣能力,取代光耦合器和電容式或矽基電感耦合解決方案。SCALE-iDriver裝置還包含關鍵保護功能,如去飽和監控、一次側和二次側欠壓鎖閉(UVLO)和進階緩關機(ASSD),可在短路關閉時保護切換開關。 此IC可大幅度減少所需外部元件數量,不需鉭和電解電容器並簡化隔離式電源供應器,且僅需一個變壓器二次側繞組。可使用簡單的雙層 PCB,進一步增加設計簡易性並簡化供應鏈管理。
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發揮長期隔離能力 閘極驅動器功率極限再進化

本文將探討藉由對IGBT/MOSFET電源開關進行破壞性檢測,分析閘極驅動器的隔離耐受能力。例如,對於像是電動/混合動力車這類高可靠度/高效能應用而言,隔離式閘極驅動器必須確保隔離阻障層(Isolation Barrier)在所有情況下維持完好。隨著Si-MOSFET/IGBT不斷改良,以及氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)技術的推出,現代功率轉換器/逆變器的功率密度也跟著提升。 因此業界需要高整合度的隔離式高強固新型閘極驅動器。由於電氣隔離機制已整合在驅動器晶片內,因此這些驅動器得以小型化。電氣隔離可透過整合型高電壓微變壓器或電容來達成。由於只要出現一次意外的系統故障就可能導致電源開關損壞或爆炸,或甚至整個電源逆變器(Power Inverter)毀損,因此必須針對高功率密度逆變器來評測閘極驅動器在隔離方面的安全性能。這方面的隔離可靠度,必須針對電源切換開關毀壞的最糟狀況來進行測試與驗證。 當高功率MOSFET/IGBT失效時,逆變器內部數千微法拉的電容組(Bank Capacitor)在最糟狀況下會快速放電。這些釋放的能量會導致MOSFET/IGBT毀損、封裝爆裂以及電漿外溢到環境中。部分能量會流到閘極驅動器的線路,則會導致電氣過載(Overstress)。另外由於功率密度極高,因此即使在晶片本身失效的情況下,驅動晶片也應設計成能夠維持電氣隔離。 建構高整合度閘極驅動器 晶片層級隔離方面,運用平面微變壓器來提供電氣隔離。它採用晶圓層級技術進行製造,並製作成半導體元件的規格。在一個iCoupler通道中含有一個IC,以及晶片層級的變壓器(圖1)。在隔離層中則有隔離阻障層來分隔每個變壓器的頂部與底部線圈(圖2)。數位隔離器採用厚度至少20微米的聚醯亞胺(Polyimide)絕緣層來分隔平面變壓器線圈,其製造流程也整合成晶圓製程的一部分。這樣的製程除了讓隔離元件能以低廉的成本整合到任何晶圓廠的半導體製程外,還能達到極高的品質與可靠度。圖2的橫截面圖顯示透過極厚的聚醯亞胺層隔開頂部與底部線圈。 圖1 MOSFET半橋驅動器的晶片配置 圖2 微變壓器的橫截面 封裝內的分離導線架(Split Lead-frame)會完成隔離機制。當電源開關爆炸導致閘極驅動器輸出晶片受損,內部晶片的分區與配置設計必須確保隔離層完好無損。目前已建置許多保護措施以確保閘極驅動器內部隔離機制在遭遇事故後的存活力: .適當調整外部電路以限制流入閘極驅動晶片的電力 .適當配置驅動晶片的輸出電晶體 .適當配置晶片上的微變壓器 .適當配置封裝內部的控制與驅動晶片 晶片內部閘極驅動器的配置,如圖1能在極端電氣過載狀況下避免電氣隔離性能崩潰。 破壞性測試模擬逆變器失效 透過組建一個含有385V與750V兩個電壓位準的測試電路以用來模擬實際電源逆變器的各種狀況。在需要對110V/230V交流電網進行功率因素修正的系統而言,385V的電壓位準相當常見。750V則常見於高功率逆變器,這類逆變器用來驅動許多應用,其中使用到的開關其額定崩潰電壓多為1200V。 在破壞性測試中,其中一個逆變器接腳連著一個電源開關以及一個適合的驅動器,在開關失效之前會維持導通狀態。在破壞期間系統會紀錄下波形,以判斷流入閘極驅動晶片的能量。之後研究各種保護措施,以限制流入閘極驅動電路的破壞性能量。在破壞性測試中用到許多種類的IGBT與MOSFET。  MOSFET/IGBT在受控破壞模式下測試電路 在IGBT/MOSFET驅動器的電氣超載測試(EOS-test)方面,我們設置一個相當接近真實世界條件的電路(圖3)。電路中含有電容與電阻,對於5kW至20kW功率範圍的逆變器而言都是相當適合的元件。在閘極電阻Rg方面,採用的是額定2瓦功率的軸向型金屬電阻。當中用到一個阻隔二極體D1,用來防止電力從高電壓電路逆流到外部電源。 圖3 EOS電路配置,用來量測隔離耐受性檢測中電源開關的損壞狀況 這個二極體也能反映真實狀況,因為浮接(Floating)電源供應器內含至少一個整流器(亦即自舉電路)。高伏電源HV會透過一個接有充電電阻Rch以及一個開關S1的電路對阻塞性電極電容進行充電。在EOS-test方面,則維持以500µs的開啟訊號貫入到控制輸入電壓VIA或VIB。這個開啟訊號透過微隔離(Microisolation)構造進行傳送,會導致短路狀況並破壞電源電晶體T1。在一些情況中,甚至會觀察到電晶體封裝爆裂。 在這裡,我們在兩個電壓位準上用四種電源開關來模擬逆變器的損壞。第一種測試是針對特定類型的切換開關,第一次會接上電力限制電路,第二次則不接。為限制損壞階段流入驅動器電路的能源,在一些測試中會把齊納二極體Dz(BZ16,1.3瓦)直接連到驅動器的輸出針腳。另外還會研究不同的閘極電阻值。 檢測直接閘極驅動器電路受損狀況 另一項測試則是模擬最糟狀況條件,當中破壞性能源直接導入閘極驅動器的輸入與輸出晶片。在這項破壞性測試中,完全充電的最大體積(bulk)電容直接連到閘極驅動器的輸出接腳(圖4)。這項測試顯示可能出現最糟狀況的超載,故能檢驗隔離耐受性的能力。能源直接流入驅動電路,而閘極電阻則是唯一的電力限制元件。其中中繼器S2把高電壓耦合到閘極驅動器的輸出電路。 圖4 EOS電路,在隔離耐受測試中用來判斷能源限制的能力 圖5顯示在最糟狀況測試中,沒有任何元件用來限制能源流入晶片的輸入端與輸出端。在高電壓750伏的直接應用方面,透過開關S1連至輸出晶片,用來代表最糟狀況的條件,中間高電壓750伏特導入驅動晶片,當中沒有用到任何能源限制閘極電阻。 圖5 EOS電路在最糟狀況中,能源直接貫入輸入與輸出晶片。 另外一種可能的最糟狀況,超量電源電壓貫入到驅動器一次側的控制晶片。輸入電源電壓的最大建議值為5.5V。倘若DC對DC轉換器產生的輸入電壓不受調節,其輸出的電壓就會升高。在不受控制的狀況,許多尖端直流對直流變壓器的輸出電壓可能提高二至三倍。貫入閘極驅動器輸入晶片的能源受到限制,而包括電阻、電源切換開關、電感等其他元件也都包含在內。這些元件會阻止能源流入控制晶片。這裡選用15V的電源電壓以及1.5安培的電流,用來模擬真實世界中直流對直流變壓器機能失常的狀況。 如表1所示,使用圖3、圖4、圖5電路進行超載測試的結果。為判斷保護電路的影響,對每種MOSFET/IGBT電源開關進行兩次測試。在9、10、11最糟狀況測試中,使用到開關S1與S2。 一般而言,齊納二極體有助於保護驅動電路,如表所示(比較測試1與測試2)。然而當閘極電阻值過小,不論是否有齊納二極體,驅動器都會受損(比較測試3與測試4)。 比較測試2與測試3,以及對照測試3與測試4,即可估算出驅動器的損壞能源。測試5與測試6提供一項有意思的結果:超接合面(Super-junction)MOSFET比起相同額定功率的IGBT更能限制能源流入閘極驅動器。測試9、10、11的目的-無上限能源流入控制與驅動器晶片-則是用來研究在最糟狀況下隔離耐受性的效能。 破壞性測試顯示在電源開關受損時的不同波形。圖6的波形是一個超接面MOSFET,開啟到晶片損壞之間大約經過100微秒,只有極小的電流流到驅動晶片,故能通過超載測試。在相同的測試條件下,標準MOSFET導致大幅提升的閘極電流與過壓,而使驅動器受損,如圖7所示。 圖6 破壞SPW2460C3產生的波形圖;沒有觀察到驅動器受損 圖7 破壞2個並聯FDP5N50所產生的波形圖;閘極驅動器失效 晶片損壞分析 部分密封的閘極驅動器顯示在不同開關與不同測試條件下出現類似的晶片損壞。圖8顯示一個P-MOSFET輸出驅動器在測試8中表1的損壞狀況。750V電壓的測試中導致一個IGBT爆裂,以及損壞限能元件Rg與DZ;不過只有在VDDA接腳焊線附近出現小區域的熔融。 圖8 閘極驅動晶片照片顯示測試8的損壞區域。隔離層中沒有發現損壞 受損階段的閘極過流,會從P-MOSFET的本徵二極體流到100微法拉電容。由於電流擁擠效應,靠近焊線的區域出現熔融。除此之外驅動晶片沒有其他損壞,控制晶片的隔離層也沒有觀察到損壞。圖9顯示測試9的熔融區,過程中150伏特的電壓直接貫入驅動晶片。控制晶片的電氣隔離能耐受這種極端超載測試。 圖9 閘極驅動晶片的照片顯示測試9過程中的損壞區域。極端的電氣超載並沒有破壞控制晶片。最終結果並沒有偵測到隔離機制受到損壞 一次側的最糟狀況顯示超量電源電壓貫入控制晶片的結果。在測試11中,15伏特的電源電壓貫入VDD1接腳,如圖5,遠遠超過絕對最高額定值7.0伏特。圖10照片顯示晶片中靠近VDD1接腳的區域出現熔融。 圖10 輸入控制晶片照片顯示測試11中的受損區域。貫入電路的能源導致在VDD1接腳附近出現範圍極有限的熔融。隔離層本身則沒有受損 電源切換開關的破壞性測試不會影響到整合式閘極驅動器的隔離耐受性。即使驅動器因超量能源流入輸出晶片而受損,也只有局部小範圍的區域會出現熔融。超量的能源會直接透過P-MOS驅動器電晶體導入到阻隔電容。因此熔融只會出現在P-MOS區域。 ADI的整合式閘極驅動器ADuM4223/ADuM3223的晶片配置不允許熔融區域擴散到控制晶片,因為控制晶片內含電流隔離訊號變壓器。為限制能源流入驅動器的輸出端,業界會使用齊納二極體。齊納二極體搭配一個適合的閘極電阻,能在電源切換開關受損時保護閘極驅動器。可以設計閘極電阻在整流時管理電力消耗,以及在出現損壞時隔離驅動器與電源開關。當高電壓直接貫入晶片時,閘極電阻可發揮保險絲的作用。電阻會讓晶片損壞控制在小範圍,只會在輸出電源切換開關附近出現熔融。 在最糟的狀況下,當無受限能源貫入輸出晶片,驅動器輸出接腳附近會出現有限的熔融區域。這項測試並沒有影響到隔離耐用性。在一次側的最糟狀況中,當電源電壓大幅超越絕對最大額定值,在電源電壓接腳的週圍就會出現有限度的熔融區。在任何電氣超載測試中,都沒有隔離能力弱化的跡象。之後進行高電壓隔離測試,則確定電氣微隔離的耐受性能。適當的晶片結構,以及驅動器封裝內部的晶片配置,能阻止破壞能源擴散到微變壓器的高電壓隔離層。 (本文作者任職於ADI)  
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Power Integrations推出SCALE-iDriver SiC-MOSFET閘極驅動器

Power Integrations (PI),宣佈推出SIC1182K SCALE-iDriver,這是一款高效率、單通道碳化矽(SiC) MOSFET閘極驅動器,可提供最高的可用峰值輸出閘極電流,而無需外部升壓階段。裝置可設定為支援不同閘極驅動器電壓需求,符合當今 SiC-MOSFET 的需求範圍;主要應用包括 UPS、光電流系統、伺服驅動器、焊接變頻器和電源供應器。 SIC1182K可在125°C的接面溫度下提供高達8A輸出,允許這些裝置支援設計高達幾百千瓦的SiC-MOSFET變頻器,而無需升壓階段。這會產生高系統效率,且可讓客戶僅生產一種設計來涵蓋其不同額定值的整個電源變頻器組合。高達150 kHz的切換頻率支援多種應用。 SCALE-iDriver SIC1182K SiC閘極驅動器採用Power Integrations的高速FluxLink通訊技術,可顯著提升絕緣能力。FluxLink是訊號傳輸的革命性產品,取代了光耦合器和電容或基於矽的解決方案,大幅提高了可靠性並提供了高達1200 V的增強型絕緣。SCALE-iDriver裝置還包含系統關鍵保護功能,例如去飽和監控和電流感應讀數、一次側和二次側欠壓鎖定(UVLO)和進階主動箝位(AAC)。此外,保護電路還提供5微秒內安全關機,可滿足SiC裝置的快速保護需求。SIC1182K SiC閘極驅動器展示出高外部磁場耐受性,採用的封裝提供≥9.5公釐的安規距離和間隔距離,使用的材料具有最高CTI等級CTI600 (IEC60112)。 Power Integrations閘極驅動器產品資深行銷協理Michael Hornkamp表示,碳化矽 MOSFET技術為縮小大小和減輕重量,以及減少電源變頻器系統損失打開了大門。採用FluxLink技術的SCALE-iDriver系列允許利用非常少的外部元件進行安全、低成本變頻器設計,確保功能安全性以及小巧的封裝和最大化的效率。 SCALE-iDriver技術可減少所需的外部元件數並降低BOM;不需要鉭或電解電容器,僅需一個二次側繞組。可以使用雙層 PCB,其可增加設計簡易性、減少元件數並簡化供應鏈管理。Power Integrations的SCALE-iDriver SIC1182K SiC閘極驅動器符合低於1000 V的低壓設備IEC60664-1絕緣配合和IEC61800-5-1電動馬達驅動變頻器法規。UL 1577、5...
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英飛凌推新雙通道隔離閘極驅動器IC系列產品

英飛凌科技股份有限公司近日推出全新雙通道隔離式EiceDRIVER IC系列,適用於高效能電源轉換應用。新款閘極驅動器IC系列產品是高壓PFC與DC/DC級以及伺服器、電信及工業切換模式電源供應器(SMPS)中的同步整流級的理想選擇。其他應用包括48V轉12V DC/DC轉換器、電池與電動車充電站,以及智慧電網與太陽能微型變頻器。 EiceDRIVER系列提供領先業界的精準時序特性,輸入到輸出傳播延遲精度為7ns,通道至通道的精度最高可達3ns,無論是在生產還是溫度範圍內,皆可實現更高水準的電源轉換系統效率。英飛凌CoolMOS與OptiMOS功率MOSFET的整體切換效率也可以透過EiceDRIVER驅動與汲取電流大幅提升 (分別達到最高4A與8A)。 不論是從輸入到輸出,或是在輸出通道之間,該系列強大的整合電氣隔離對於硬切換半橋配置至關重要。此外,整合的增強型輸入至輸出隔離可在需要時提供極為關鍵的電氣安全性。 EiceDRIVER產品系列的低電阻輸出級可將內部功耗降至最低,因此閘極驅動器IC可為功率MOSFET的閘極提供最大功率。另外,關閉功率MOSFET時,低歐姆輸出級可確實將MOSFET閘極電壓保持為零,以避免不必要的寄生導通。
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英飛凌新品適用於高達1.8kW工業馬達

英飛凌科技(Infineon Technologies)為其智慧功率模組(IPM)系列推出新款產品:整合各種功率與控制元件,提高可靠性,並最佳化PCB尺寸及系統成本的CIPOS Maxi IM818系列。IPM採用DIP 36×23D外殼封裝,使其成為1200V IPM的最小封裝,並具有同級產品中最高的功率密度與最佳效能。CIPOS Maxi特別適合用於馬達、幫浦、風扇等低功率驅動應用以及加熱、通風及空調馬達的主動式功率因素校正。 IM818系列採用隔離的雙列直插式模製外殼,提供優異的熱效能與電氣隔離,符合EMI要求以及過載保護的需求設計。IPM新增保護功能,配備獨立的UL認證熱敏電阻。CIPOS Maxi整合堅固耐用的6通道SOI閘極驅動器,可提供內建死區時間,以避免瞬態造成的損壞,並具備所有通道的欠壓鎖定與過電流關機功能。此款IPM藉由其多功能引腳,可為各種用途提供高設計靈活性。可存取低側射極引腳以進行所有馬達相電流監控,使IPM更易於控制。
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