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ANALOG MIXED SIGNAL
DC/DC CONVERTER
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- ELETTRONICA OGGI 454 - MAGGIO 2016
I requisiti dei convertitori
DC-DC nelle applicazioni
di pilotaggio del gate
I
n presenza di potenze elevate, gli invertitori o i convertitori
utilizzano configurazioni a ponte (bridge) per generare la
frequenza di rete AC o fornire il pilotaggio bi-direzionale in
modalità PWM a motori, trasformatori o altri carichi. I circuiti
a ponte includono IGBT o MOSFET (compresi quelli realizzati
utilizzando tecnologia SiC oppure GaN) utilizzati come switch
“high-side” i cui emettitori/sorgenti sono nodi di commutazio-
ne ad alta tensione ed elevata frequenza. Di conseguenza, il
segnale PWM per il pilotaggio del gate (gate drive) e gli asso-
ciati rail di potenza necessari per il pilotaggio che utilizzano
l’emettitore/sorgente come riferimento devono essere isolati
galvanicamente da massa. Il circuito di pilotaggio e i rail di
potenza associati devono inoltre essere immuni da rapide
variazioni della tensione (dV/dt) del nodo di commutazione
ed essere caratterizzato da una capacità di accoppiamento di
valore molto basso. In parecchi casi il circuito a ponte richiede
la presenza di un isolamento dal circuito di controllo conforme
a normative stabilite da Enti che si occupano della sicurezza:
per questa ragione la barriera di isolamento del circuito di pilo-
taggio deve essere robusta e non essere soggetta a fenomeni
di deterioramento significativo durante il ciclo di vita imputabi-
le agli effetti di scariche parziali.
I convertitori DC-DC della serie MGJ di
Murata ,ad esempio,
sono stati progettati in modo da garantire valori di isolamento e
di tensioni di pilotaggio ottimizzati per i gate drive di tipo “high
side”. La tensione del rail di potenza positivo per il circuito di pi-
lotaggio del gate deve avere un valore sufficientemente alto da
assicurare la completa saturazione/arricchimento dello switch
di potenza senza peraltro superare la tensione massima assolu-
ta del proprio gate.
Per soddisfare le esigenze di vari dispositivi, i convertitori della
serie MGJ prevedono tensioni di uscita pari a +15 o +20V.
Per esempio, gli IGBT e i MOSFET GaN saranno completamen-
te accesi (on) con una tensione di pilotaggio di 15V, mentre i
MOSFET SiC potrebbero richiedere una tensione pari a circa
20V per un’attivazione completa. Nel caso di rail di tensione
negativo lo stato di off, ovvero una tensione nulla sul gate, può
risultate una soluzione adeguata per tutti i dispositivi. Una ten-
sione negativa, compresa solitamente tra -5 e -10V, consente
una rapida commutazione controllata da un resistore del gate.
La tensione di soglia (threshold) di gate nello stato di on per gli
IGBT è pari ad alcuni Volt, solitamente 5V, mentre per i disposi-
tivi realizzati in SiC o GaN può essere di poco superiore a 1V. A
questo punto è utile sottolineare il fatto che qualsiasi induttanza
(L) dell’emettitore posto tra lo switch e il riferimento del driver
(punto x di Fig. 1) provoca una tensione gate-emettitore opposta
quando lo “switch” è in modalità turning-off. Un’induttanza di
valore ridotto, ad esempio di soli 5 nH, può produrre una tensio-
ne di 5V con una variazione di corrente (di/dt) di che può esse-
re anche pari a 1.000 A/µs. Si tenga conto che 5 nH è il valore di
induttanza di una connessione mediante filo di pochi millimetri.
Un drive negativo appropriato assicura che la tensione nello
stato di off tra gate ed emettitore sia sempre pari a 0 (o inferio-
re). I convertitori della serie MGJ, a seconda della versione, sono
disponibili con tensioni di uscita pari a -5V, -8.7V, -10V e -15V.
Un gate drive negativo permette anche di contrastare l’effetto
della capacità di “Miller” tra collettore e gate durante il turn-off
del dispositivo che provoca l’iniezione di corrente nel circuito
di pilotaggio del gate. Quando un IGBT è pilotato nello stato di
off, la tensione tra collettore e gate aumenta e una corrente di
valore pari a Cm *dV
ce
/dt fluisce, attraverso la capacità di Miller,
nella capacità Cge tra gate ed emettitore e attraverso il resistore
del gate che collega il driver (Fig. 2). La tensione risultante V
ge
sul gate può avere un valore sufficiente per provocare ancora
l’accensione (turn-on) dell’IGBT, con possibili danni e fenomeni
di shoot-through. Il pilotaggio del gate con una tensione nega-
Paul Lee
Murata Power Solutions
Alcuni tipi di convertitori DC-DC, come ad
esempio quelli della serie MGJ di Murata,
sono stati progettati in modo da garantire
valori di isolamento e di tensioni di pilotaggio
ottimizzati per i gate drive di tipo “high side”