EO_454

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ANALOG MIXED SIGNAL
DC/DC CONVERTER
27 - ELETTRONICA OGGI 454 - MAGGIO 2016
tiva contribuisce ad attenuare questo fenomeno. Tutti i tipi di
MOSFET esibiscono lo stesso comportamento.
Considerazioni sulla potenza del gate
Il gate di un IGBT/MOSFET deve essere caricato e scaricato
attraverso Rg durante ciascun ciclo di commutazione (si faccia
sempre riferimento alla Fig. 2). Nel caso il datasheet dell’IGBT
fornisca una curva relativa alla carica di gate, la potenza dissi-
pata P che deve essere fornita dal convertitore DC-DC è data
dalla formula:
P = Qg. F .Vs
dove Qg è il valore della carica fornito dal data sheet in cor-
rispondenza di una determinata oscillazione della tensione
(voltage swing) del gate, positiva o negativa, di valore pari a
Vs e F è la frequenza. Si noti che questa potenza è dissipata
dalla resistenza interna del gate del dispositivo e da qualsiasi
resistenza in serie esterna.
Nel caso il data sheet non fornisca una curva della carica ma
semplicemente un valore di Qg in corrispondenza di specifici
valori di tensioni di gate, il valore di Qg per altre oscillazioni di
tensione del gate può essere ricavato in modo approssimativo
moltiplicando tale valore per il rapporto tra l’oscillazione effet-
tiva e quella fornita dal data sheet.
Per esempio, nel caso del componente FZ400R12KE4 di Infi-
neon il valore di Qg è pari a 3,7 µC in corrispondenza di un’o-
scillazione della tensione di gate di ±15V (quindi 30V in totale).
Per un’oscillazione di +15/-10V (25V in totale) la carica di gate
sarà data approssimativamente da:
Qg = 3.7e-6 * 25/30 ≈ 3,1 µC
A una frequenza di 10 kHz ciò richiede una potenza di pilotag-
gio del gate di:
Pg = 3,1e-6 * 10e3 * 25 ≈ 0.78W
Tenendo conto di fenomeni di derating e di altre perdite ac-
cidentali, un convertitore DC-DC da 2W, come un dispositivo
della serie MGJ2, risulta una scelta adeguata.
Calcolo delle correnti media e di picco
Poiché la corrente media nella capacità di gate deve essere
nulla per ogni ciclo di commutazione, la corrente di carica e di
scarica media per ogni ciclo di commutazione deve essere la
stessa e pari a +/-Pg/Vs (+/-31 mA nell’esempio preso in con-
siderazione). La corrente di picco Ipk, richiesta per caricare
e scaricare il gate è funzione di Vs, della resistenza del gate
dell’IGBT/MOSFET (Rint) e della resistenza esterna Rg, ovvero:
Ipk = Vs/(Rint + Rg)
Poiché l’IGBT FZ400R12KE4 preso come esempio è
caratterizzato da una Rint = 1,9 Ohm, un resistore esterno di
2 Ohm e un’oscillazione di 25V produrranno una corrente di
picco superiore a 6A.
Questa corrente di picco deve essere fornita dai condensatori
‘bulk’ sui rail di alimentazione del driver, in quanto è assai im-
probabile che il convertitore DC-DC sia dotato di condensatori
di uscita di capacità tale da poter fornire questa corrente senza
incorrere in fenomeni di “droop” significativi. Naturalmente il
gate driver stesso deve avere caratteristiche nominali idonee
per supportare questi valori di correnti di picco, così come i
resistori di gate.
Nel caso dell’esempio preso in considerazione, l’energia totale
per il pilotaggio del gate (E) che viene aggiunta e rimossa per
ogni ciclo è data da:
E = Qg. V s = 75 µJ
I condensatori bulk C1 e C2 (Fig. 2) presenti sui rail a +15 e
-10V forniscono questa energia in misura proporzionale alle
loro tensioni, per cui il rail a +15V fornirà un’energia pari a
45 µJ.
Nel caso si ipotizzi che la caduta di tensione del conden-
satore “bulk” sul rail a +15V non sia superiore a 0,5V per
ciascun ciclo, è possibile calcolare la capacità minima C
eguagliando l’energia fornita con la differenza tra l’energia
del condensatore in corrispondenza dei valori di tensione
iniziale e finale, ovvero:
45 µJ = ½ C (Vinit2 – Vfinal2)
C = (45e -6 . 2)/(152 – 14.52) ≈ 6.1 µF
Fig. 1 – Qualsiasi induttanza (L) dell’emettitore tra lo switch e il riferi-
mento del driver (punto x) provoca una tensione tra gate ed emettito-
re che si oppone alla tensione di turn-off dello switch