Перейти к содержанию

Драйвер затвора

Вывод микроконтроллера может включить MOSFET, но медленно: затвор — это ёмкость, и чтобы перезарядить её за десятки наносекунд, нужны амперы. Кроме того, верхнему ключу моста нужно напряжение на затворе выше питания. Обе задачи решает драйвер затвора.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Драйвер затвора (gate driver) — микросхема или каскад, который по логическому сигналу быстро заряжает и разряжает затвор силового MOSFET или IGBT. Затвор с точки зрения управления — ёмкость, и чтобы переключить ключ за десятки наносекунд, нужен импульсный ток в амперы, которого вывод микроконтроллера не даёт. У IR2110 выходной ток — не меньше 2 А в обе стороны, время нарастания и спада на нагрузке 1000 пФ — 25 и 17 нс (Infineon, PD60147). Сколько заряда нужно перенести, показывает заряд затвора Qg.

Что делает драйвер

ФункцияЗачемIR2110 (PD60147)
Импульсный токбыстро перезарядить затворIO± ≥ 2 А
Сдвиг уровняуправлять верхним ключом от логики с общей землёйсмещение до 500 В
Плавающее питание верхнего каналазатвор выше шины питаниябутстреп, VB = VS + 10…20 В
Защита от пониженного питания (UVLO)не открывать ключ наполовинупорог около 8,5 В
Согласованные задержкиодинаковое время для верхнего и нижнегодо 10 нс разницы
Совместимость с логикойвход от микроконтроллераот 3,3 В

Верхний ключ и бутстреп

Сложнее всего управлять верхним ключом полумоста. AN-978 сводит требования к трём пунктам: затвор должен быть на 10–15 В выше истока — то есть выше шины питания, — управление должно идти от логики, привязанной к земле, а мощность на управление — оставаться малой (разд. 1). Драйвер вроде IR2110 решает это сдвигом уровня и плавающим выходным каскадом, который питается от бутстрепного конденсатора: он подзаряжается, пока открыт нижний ключ. По AN-978 такая схема работает от десятков герц до сотен килогерц; для постоянно открытого верхнего ключа нужен отдельный источник или подкачка заряда (разд. 8).

На что смотреть при выборе

  • Ток выхода и сопротивление в цепи затвора определяют скорость переключения, а значит, потери и помехи.
  • Мёртвое время: у одних драйверов независимые входы верхнего и нижнего канала, у других — один вход и встроенная пауза (AN-978, разд. 2.1). IR2110 — с независимыми входами, поэтому паузу против сквозного тока задаёт контроллер; подробнее — в термине «Мёртвое время».
  • Устойчивость к dV/dt на выводе VS — у IR2110 до 50 В/нс (абсолютный максимум).

Распиновка, расчёт бутстрепа и типовые схемы — на странице IR2110, устройство самих ключей — в статье «MOSFET и IGBT».

Частые вопросы

Можно ли управлять MOSFET прямо от вывода микроконтроллера?

При низкой частоте и логическом MOSFET — да, но переключение будет медленным. Время перезаряда затвора можно оценить как Qg / I: у IRFZ44 Qg до 67 нКл (Vishay), и при токе 10 мА это около 6,7 мкс, а при 2 А драйвера IR2110 — около 34 нс (наш расчёт, грубая оценка). Пока ключ переключается, он греется, поэтому для ШИМ на десятки килогерц нужен драйвер.

Зачем драйверу верхнего ключа бутстреп?

Чтобы открыть N-канальный MOSFET в верхнем плече, затвор должен быть на 10–15 В выше истока, а исток при включении поднимается до шины питания (AN-978, разд. 1). Бутстрепный конденсатор заряжается, пока открыт нижний ключ, и питает плавающий выходной каскад; у IR2110 он держит до 500 В смещения.

Что делает UVLO в драйвере затвора?

Не даёт включать ключ при недостаточном напряжении питания драйвера: при малом напряжении на затворе MOSFET открывается не полностью и перегревается. У IR2110 выход включается, когда питание нижнего канала превысит около 8,5 В, а верхнего — около 8,6 В (типичные значения, PD60147).

Источники

  1. Infineon (International Rectifier). IR2110(S)PbF/IR2113(S)PbF High and Low Side Driver, Data Sheet No. PD60147 rev.V, 2019 — с. 1: плавающий канал для бутстрепа до 500 В (IR2110), питание драйвера 10–20 В, UVLO обоих каналов, логика от 3,3 В, IO± 2 А, ton/toff 120 и 94 нс типично, согласование задержек 10 нс, выходной каскад рассчитан на минимальный сквозной ток; Recommended operating conditions: VCC 10–20 В, VB от VS + 10 до VS + 20 В, VDD от VSS + 3 до VSS + 20 В; Absolute maximum: dVs/dt 50 В/нс; Static: IO+ и IO− не меньше 2,0 А (2,5 типично), VCCUV+ 8,5 В и VBSUV+ 8,6 В типично; Dynamic: tr/tf 25 и 17 нс при 1000 пФ
  2. International Rectifier (Infineon). AN-978 RevD: HV Floating MOS-Gate Driver ICs, 2007 — разд. 1: требования к управлению верхним ключом — затвор на 10–15 В выше истока, то есть выше шины питания; управление от логики, привязанной к земле, через сдвиг уровня; малая мощность управления; бутстреп работает от десятков герц до сотен килогерц; разд. 2.1: у одних драйверов независимые входы, у других — один вход с встроенным мёртвым временем; разд. 3: выбор бутстрепных компонентов
  3. Vishay Siliconix. IRFZ44 Power MOSFET (Document Number 91291, S21-1045-Rev. C, 25-Oct-2021) — с. 1 и 2: полный заряд затвора Qg до 67 нКл при VGS = 10 В, ID = 51 А, VDS = 48 В

Нашли ошибку?

Смотрите также