Fırat DEVECİ

Dikkat: High Side Gate Driver!!

  • 3 sene önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 19 Yorum
  • 10.006 Kişi Okudu

DriverGüç elektroniğinde en yaygın kullanılan elemanları FET ve IGBT’ler; özellikle kullanım kolaylıkları, düşük iç dirençleri ve yüksek hızlarından dolayı tercih nedeni olmuşlardır. Günümüzde bir çok güç devresi uygulamasında rastlanacak bu araçların sürülmeleri ise özellikle verim ve güvenlik açısından bir çok hassas noktayı içerisinde barındırır. Özellikle daha yüksek güçler ve bunların daha dar alanda elde edilmesi gibi sorunlar çeşitli topolojilerin kullanılmalarını zorunlu kılar hale gelmiştir. Fiyat baskıları ve teknolojik zorunluluklardan ötürü ise anahtarlama elemanlarının topolojideki pozisyonları değişebilmektedir. Bu da özellikle onların kontrollerini zorlaştıran bir faktör olarak karşımıza çıkmaktadır.

High Side’tan Kasıt Tam Olarak Nedir?
Anahtarlama elemanlarının high side ya da low side kısımda olma terimi, anahtarlama elemanını anahtarlamak için kullanılan ucun, referans alınacağı noktaya göre belirlenir. Aşağıda N-Channel mosfet ve ona ait parazitik kapasiteler görülebilir. IGBT’lerin iç yapısı da mosfetlerle benzerlik göstermektedir.MosfetAnahtarlamak istenen elemanın açılış ya da kapanış hızlarını yukarıda görülebilecek Cgs ve Cdg kapasitelerinin dolum ya da boşalım hızları etkilemektedir. Bu yüzden, steady-state pozisyonunda akım çekmeyen FET ve IGBT’lerin, yüksek akım kapasiteli sürücüler (günümüzde genellikle 1,5/2A civarında) ile kullanılmalarının altında bu yatmaktadır. Çok basite indirgersek FET için Cgs, IGBT için ise Cge kapasitelerinin dolması ya da boşaltılması bir nevi anahtarlama elemanının kontrolü anlamına gelmektedir.

Günümüzde offline çalışan güç kaynaklarında ya da motor sürücülerinde karşımıza aşağıdaki yapıya benzer anahtarlama topolojileri çıkmaktadır.LLC ConverterBu tür ve benzer bridge yapıdaki anahtarlama elemanlarını kontrol ederken, Q2 ile gösterilen mosfet ve türevlerini kontrol etmek oldukça kolaydır. Anahtarlamanın gerçekleşebilmesi için eşik gerilim (threshold) seviyesi kadar gate ucuna gerilim uygulanması gerekir; formule dökersek Vgs~Vge>Vth olmalıdır. Anahtarlama elemanının source ya da emitter ucu toprakta olduğunda, anahtarlamayı kontrol eden devrenin drive ucunun gate pinine bağlanması (uygun direnç/kapasitör vb. kombinasyonları ile) yeterli olacaktır. Fakat yukarıda tanımını yaptığımız high bölümde bulunan anahtarlama elemanı için durum farklılaşır; emitter ya da source ucunun bulunduğu yerdeki gerilim sürekli değiştiğinden gate ucunda gerilim farkı yakalamak zorlaşır. Vgs~Vge>Vth+Vx olarak formülize edersek Vx geriliminin belirsizliği anahtarlama elemanının low’da bulunan eşine göre daha zor kontrol edilmesine yol açar.

High Side Gate Driver Çeşitleri
Uygulamalarda en çok tercih edilen high side driver topolojileri, kullanım yoğunluklarına göre aşağıdaki gibi sıralanabilir.
– Bootstrap Gate Sürücüler
– Trafo Kullanılan Gate Sürücüler
– Charge Pump Gate Sürücüler
– Harici Beslemeli Gate Sürücüler
Bu konuda tüm topolojilere kısaca değinecek olursak;

a) Harici Beslemeli Gate Sürücüler
Bu tip sürücüler, isminden de anlaşılacağı üzere, harici ve izolasyonlu, aşağıda görülebilecek bir besleme devresine sahiptirler.
Floating Supply Gate DriverBunun yanında karşı tarafa anahtarlama sinyalini iletmek için opto izolasyonlu bir yapı kullanılır. Bu tür bir sürücünün en büyük dezavantajı maliyet ve fiziksel anlamda kapladığı yer olarak gösterilebilir. Bunun yanında opto elemanlarından dolayı sıcaklığa olan bağımlılıkları, yüksek hızda kullanılamamaları da bu tür bir sürücülerin limitlerini belirler. Tüm bu dezavantajına rağmen dayanıklıkları ve özellikle PWM bölümünde %100’e varan duty cycle oranında çalışabilmeleri günümüzde bir çok uygulamada bu sürücü metodunu görmemize yol açmaktadır. Besleme katı için günümüzde bir çok üreticinin sunduğu, aşağıda bir örneği görülebilecek, DC/DC izolasyonlu ve düşük güçlü (1W’tan 3W’ta) çeviricileri bulmak mümkündür.
Murata DCDCMurata’nın özellikle başı çektiği bu ürün grubunda verimler %70-75 civarında olup, openloop çalıştıklarından çıkışlarına mutlaka dummy yük (%20 Load) konulması gerekmektedir.

b) Charge Pump Gate Sürücüler
Bu yöntem ile aşağıdaki şekilde, gerilim katlayıcı tekniği kullanılarak high side’da bulunan anahtarlama elemanı kontrol edilmektedir.Charge Pump Gate DriverBu yöntemle ilgili anahtar kontrol edilirken devre üzerinde bir çok eleman bulunması ve anahtarlama elemanının açma sürelerinin uzun olması, uygulama içerisinde handikap oluşturmaktadır. Bu tip uygulamalar özellikle motor sürücü uygulamalarında sıkça tercih edilmektedirler.

c) Trafo Kullanılan Gate Sürücüler
Bir çok uygulamada karşımıza çıkan ve aşağıda yapısı görülebilecek trafolu gate sürücüler; izolasyon, hız ve tasarımcı için geniş olanaklar sağlamaktadır. Genel olarak “Pulse Trafosu” adı altında bir çok hazır ürünü de bulmak günümüzde mümkün hale gelmiştir.Pulse Transformer Gate DriverPulse trafoları, sağladıkları yüksek izolasyon sınıfı, kullanım kolaylıkları, robust olmaları, aynı anda bir çok anahtarlama elemanını kontrol edebilmeleri gibi avantajlarından dolayı bir çok high side uygulamasında tercih nedeni olmaktadırlar. Wurth, EPCOS, Murata, TDK, Vishay vb. bir çok büyük firmanın hazır ürünlerinin yanı sıra, uzak doğulu firmaların da custom tasarımlarını bulmak ya da uygulama özel yaptırmak maliyetler açısından da yarar sağlamaktadır.Pulse TransformersPulse trafosu genellikle forward olarak sarılır ve enerjisini primer kısım anahtarlandığında sekondere aktarır. Sadece Cgate kapasitesini şarj/deşarj işleminde enerji tüketildiğinden trafonun boyutları oldukça küçülebilmektedir. Özel izolasyon sınıfı isteyen uygulamalar söz konusu olduğunda ise maliyetler açısından tek çare olarak önümüze gelmektedirler. Bunun yanı sıra, Full Bridge, Two Transistor Forward gibi aynı anda anahtarlanması gereken elemanlar arasında drive gecikmelerinin olmaması adına da pulse trafoları tercih edilebilmektedir. Pulse trafoları seçilirken özellikle dikkat edilmesi gereken noktalar vardır; aşağıda Pulse markasının iki ayrı trafosu için spekler görülebilir (resmin üzerine tıkladığınızda büyüyecektir).Pulse Transformer DataÖncelikle yapılacak uygulama ve gerilim değerlerine göre trafoların sarım yönleri ve sayıları dikkate alınmalıdır. Örneğin tek bir anahtarlama elemanı kontrol edilecekse 2 sargılı yapı uygun olacaktır. Yalnız Full Bridge, Two Transistor Forward ya da LLC gibi topolojiler kontrol edilecekse çift sekonderli pulse trafoları tercih nedeni olabilir.

Bu tür trafolarda mıknatıslama endüktansı (Lm) değerinden ziyade V-us değeri daha önemlidir. Örneğin yukarıda PE-61001 trafosu ele alındığında bu değerin 360V-us minimum değerde olduğu görülür. Bu da trafoya uygulanacak minimum frekansın bir sınırı olduğu anlamına gelmektedir. Trafoya uygulanacak gerilimin 15V olduğu var sayılırsa, maksimum Ton süresi 360V-us/15V=24us eder ki bu da 41.6kHz minimuma eşittir. Bu değer özellikle trafonun nüvesi ile ilgili olup, daha düşük değerler trafonun doyumuna yol açacağından dikkat edilmelidir.

Bu bölümde önemli sayılabilecek parametreler arasında primer sekonder kapasiteleri de görülebilir. Bu değerler özellikle yüksek frekanslarda (RF uygulamalar vb. gibi) önemli olabileceğinden, yerel ya da uzak doğuda tasarım yaptırırken dikkat edilmesi gereken unsur haline gelebilir. Bu değerin küçük olması özellikle istenen bir unsurdur.

d) Bootstrap Gate Sürücüler
Güç elektroniği dendiğinde günümüzde en çok karşımıza çıkan sürücü modeli bootstraptir ve ayrıntılı incelemeyi hak eder. Aşağıda bootstrap gate driver topolojisinin genel hatları görülebilir.Bootstrap Gate DriverBootstrap gate sürücülerin en önemli özelliği düşük maliyette istenilen performansı sağlamasıdır. Bootstrapin çalışma mantığına değinecek olursak tüm kritik rolü Dboot ve Cboot elemanlarının oynadığı söylenebilir.Bootstrap TheoryYukarıdaki şekilde akım yolları izlenirse, sistem ilk enerjilendiğinde Cboot kapasitesinin akımı Q2 üzerinden geçerek, Vdd gerilimine (genellikle devremizin çalışma gerilimi 12V~15V olur) şarj olur. Bu tür half bridge kullanılmayan ve bir üst resimde görülebilecek yapılarda ise Cboot kapasitesi çıkıştaki yükler üzerinden akımını geçirerek ilk şarjı olmaktadır.

Daha sonra Q1 bu depolanmış enerji ile anahtarlanarak, Q1 ve Q2 noktasının DC Bus gerilimine kadar yükselmesini sağlar; bu noktada Cboot kapasitesinin alt ucu da aynı noktaya bağlı olduğundan, Cboot kapasitesinin gerilimi aynı kalmak koşulu ile float duruma geçer. Anahtarlama durumu sürdükçe Cboot kapasitesi sürekli şarjda kalır ve bu şarjda Q1 gibi high side anahtarları açmak için yeterlidir.

Bootstrap driver içerisinde kullanılan gate driver’ın en önemli özelliklerinden biri gerilim seviyesi değişen Vs ucu ile devrenin kendi sıfır noktası (GND) arasındaki gerilim farkından zarar görmemesini sağlamaktır. Günümüzde bu yüzden bootstrap metoduna uygun driverlar 600V-650V civarından 1200V civarına kadar gerilim dayanımı sağlamaktadırlar. Bu, özellikle yüksek güçlü motor sürücüler ya da şebeke ile çalışan sistemler için kritik önemdedir.Bootstrap ProblemsBootstap metodu her ne kadar fiyat/performans konusunda iyiyse de, özellikle layout konusuna dikkat edilmez ve ek önlemler alınmaz ise sorunlar oluşturabilen bir sistemdir.

Bu sorunların başında duty cycle oranı ve Cboot kapasitesinin şarj oranı gelir; bootstrap, topolojisi gereği, %100 duty cycle ile çalışmaya uygun değildir. Özellikle %90 duty cycle değerinden sonra Cboot kapasitesinin şarj olması için gereken süre çok azaldığından, gerekli şarj değerine ulaşılamayabilir. Cboot kapasitesinin yüksek hızda şarj/deşarjı nedeniyle zarar görmemesi için Dboot diyoduna seri direnç girilmelidir ve bu direnç değeri de özellikle maksimum duty değerleri göz önüne alınarak hesaplanmalıdır. Çoğu bootstrap driver entegresi, Vboot gerilimini gözlemleyerek UVLO (undervoltage lockout) korumasına geçebildiği göz önüne alındığında, ilgili hesaplamaların önemi bir kez daha ortaya çıkar. Ayrıca Dboot diyodunun, yüksek gerilim değerlerinde olması gerekliliği de sistem için handikaplar oluşturabilir.

Yukarıda C noktası ile gösteriln Vs ucunun, negatif gerilime inmesi bootstrap devrelerinin en büyük sorunlarından biridir. Devrelerimiz doğası gereği idealden uzaktır ve özellikle kötü tasarlanmış bir layout’ta kaçak endüktans değerleri oldukça fazladır. Bunun sonucu gereği, özellikle bootstrap topolojisinin C noktası ile gösterilen noktasında gerilim negatif değerlere ulaşabilmektedir.Bootstrap VsYukarıda görülebilecek örnek datasheet alıntısında, C ile gösterilen Vs geriliminin negatif eşik değeri görülebilir. Bu değer aşıldığında bootstrap özellikli driver kendini korumaya alarak ya da zarar görerek istenildiği gibi çalışmayabilir. Bunu engellemenin yegane yolu aşağıda görülebileceği üzere ground ile Vs ucu arasına schottky ya da hızlı diyot kullanmak ve Rgate direncini alt uca da paylaştırarak gerilimin negatif değere inme etkisinin driver tarafından görülmemesini sağlamaktır.Final Bootstrap Circuits

Sonuç Olarak…
Anahtarlamalı güç devreleri günümüzde olduğu kadar gelecekte de önemi artarak elektrik/elektronik sektöründe büyük bir yere sahip olacağı aşikardır. Bu konuda verimlerin uç noktalara taşınabilmesi adına doğru anahtarlama metotlarını kullanmak hem performans hem de fiyat açısından yararlı olacaktır. Bu konuda araştırma yapmak isteyen arkadaşların, parça numaralarını belirlemeden önce Fairchild’ın AN-6076, International Rectifier’ın AN-1123, Silicon Labs’ın AN486 ve Avago’nun AN5490 adlı dokümanlarını okumalarını tavsiye ederim.

Konu ile ilgili tüm sorularınızı yorum kısmından bana iletebilirsiniz.
İyi çalışmalar!

  1. Selçuk dedi ki:

    Fırat Bey merhabalar,

    Sizi fxdev.org sitenizde yayınladığınız yazılardan itibaren takip etmekteyim ancak ilk kez yorum yazıyorum. Gerçekten çok özen göstererek faydalı ve örnek paylaşımlar gerçekleştirdiğiniz için sizi kutlarım. Ayrıca yayından kaldırdığınız eski paylaşımlarınızı, en azından indirilebilir bir formatta, yayınlarsanız ilgililer için faydalı olacağı kanaatindeyim.

    Bu paylaşımınız ile ilgili olarak; yine güzel bir konuyu ele almışsınız. Bildiğiniz gibi high side sürme problemlerinden dolayı N-P tipi anahtarlama elemanları beraber kullanılabiliyor. Bu açıdan yukarıda bahsettiğiniz tekniklerin P-N elemanları kullanıma göre avantaj ve dezavantajları ne olacaktır?

    Başarılar…

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Selçuk Bey dilekleriniz için öncelikle teşekkür ederim. fxdev.org sitesine ait girdiler 320Volt.com üzerinde paylaşımdadır. İlgili konulara, site üzerinden FxDev adı altında araştırma yaparak ulaşmanız mümkündür.

      Konu ile ilgili olarak, P-N yapıların bir arada kullanılıp anahtarlamanın yapıldığı devreler genellikle anahtarlama frekansı konusunda sıkıntı çıkarmaktadır. P kanal mosfet ya da PNP, yükseğe asılan bir direnç ile kapatılma yoluna gidilir ve N kanal mosfet ya da NPN ile anahtar açılır. Bu tür bir uygulama düşük gerilimlerde cost effective olsa da yüksek gerilimlerde P kanal mosfet ya da PNP bulunamadığından sıkıntılar yaşanmaktadır. Bu şekilde anahtarlama yaparken özellikle direnç oranlarını ve hızları dikkatli bir şekilde hesaplanarak, ölçümle doğrulanması gerekmektedir.

      İyi günler…

  2. Ahmet Burma dedi ki:

    Merhaba Fırat.

    Tam da gate sürücüler ile uğraştığım şu dönemde çok faydalı biz konuyu ele almışsın. Biliyorsun ki yüksek adetli üretimlerde maliyet her şeyden önce gelir. Pals trafoları oldukça düşük maliyetli ve harici izole besleme gerektirmemesi dolayısıyla genelde tercih sebebidir. Ancak yüksek frekanslarda (50kHz ve üstü) ve yüksek güçlerde (30A ve üstü primer akımı) çeşitli sıkıntılar ortaya çıkmaya başlıyor. Fiyat / verim konusunda en optimum noktayı bulmak için detaylı analizler yapmak ve zaman ayırmak gerekiyor.

    Benim ulaştığım son nokta yine pals trafosu çözümü oldu. Bir çok üretici ve distribütör ile görüşmeme rağmen izole DC-DC çevirici kısmında proje çıkmaza girdi. PCB alanı, malzeme adedi ve maliyet kıyaslamasında pals trafolu çözümler, lojik çözümlere göre birkaç basamak yukarıda.

    Bilgi için çok teşekkürler.

    En kısa zamanda görüşmek dileğiyle.

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Ahmet Hocam merhabalar,

      Özellikle interleaved ve bir çok high side olan PFC+DC/DC çözümleri içerisinde 5+ anahtarlama elemanı sürmemiz gerektiğinde en iyi çözümün ekstra izole güç kaynağı tasarlamak olduğu kanısına vardık. İzolasyonlu hazır çözümler (Murata vs.) fiyat açısından rekabetçi değiller, logic kaynaklı da akım sorunları oluşabiliyor (yüksek akımlılarda yine fiyat rekabeti söz konusu). Dolayısı ile custom bir trafo sardırıp, basit bir 5kV izolasyonlu trafo sarımı bir çok açıdan hem güvenlik, hem kolaylık hem de rekabetçi bir çözüm sağlıyor. Bu şekilde elde ettiğimiz kazanım, bir adet Murata DCDC dönüştürücüyü yakalayabiliyor. Bunun yanında ekstra bir sürücü istemesi bu tip bir çözümün de çıkmazı olabilir. Dolayısı ile tek çözüm adetler aşırı yükseldiğinde, yer sıkıntısı da düşünülerek, pulse trafosu olarak gözüküyor.

      Görüşmek üzere!

  3. Selman dedi ki:

    Fırat Bey,
    Çok yararlı bir makale ele almışsınız. Ben de HIGH POWER IGBT DRIVING sorunları ile ilgileniyorum. Özellikle 200A 550V için HP3120 opto driver entegresini HIGH SIDE için ayrı bir güç kaynağı kullanmadan (BOOTSTRAP BENZERİ) kullanmak istiyorum. Bu konuda önerilerinize başvurmak istiyorum.
    Şimdiden teşekkürler.
    Görüşmek üzere.

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Merhaba Selman,

      Bu güçte bir IGBT için o tür bir sürücü yetersiz ve özelliksiz kalacaktır. Özellikle “desat” ucu bulunan, kısa devrede anahtarlama elemanını koruyan driver’lara yönelmenizi öneririm. Bootstrap her ne kadar çok kullanılsa da bu tür güçlerde güvenemeyeceğimiz bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. FOD8316 ve türevleri driverlar sizin ihtiyacınızı karşılayacaktır.

  4. Mehmet Karakaya dedi ki:

    Merhaba hocam Rgate paylaştırmayı hangi kaynaktan okudunuz? Kaynak verebilir misiniz?

    Teşekkürler.

  5. Mehmet Karakaya dedi ki:

    Hocam cevap için teşekkürler!

    Yalnız şöyle bir şey var; oraya eklenen shottky diyodun üstünde, mosfet ON durumunda iken 310 V reverse voltajı oluşuyor. Buraya sizin koyduğunuz shottky diyodun kodu nedir söyleyebilir misiniz? Her shottky olmaz değil mi?

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Merhabalar,

      200V ve üzerinde schot. diyot bulmak zorlaşır. Bunun yerine fast recovery diyotlar da kullanılabilir. Yalnız şebekeden çalışılacak uygulamalar için artık modüller geliştirildiğinden bunun gibi önlemler almaya gerek kalmamaktadır.

  6. Mehmet Karakaya dedi ki:

    Bahsettiğiniz modüller nelerdir hocam?

    Şu anda şebekeden çalışacak dizayn yapıyorum.

  7. Ercan dedi ki:

    Merhaba arkadaşlar. Ben DC/DC BOOST CONVERTER tasarımı yapacagım. Giriş 24 çıkış 100V olacak şekilde. Mosfet 50kHz de anahtarlama yapacak şekilde hesapladım degerleri. Mosfeti sürmek için hangi entegreyi kullanmam uygun olur. Şimdiden teşekkür ederim cevaplarınız için.

  8. Abdullah KARABAŞ dedi ki:

    300W gücünde toplam 20A akımı kontrol edeceğim bir IGBT ve sürücü devresi araştırıyorum. Önerileriniz ne olabilir? Teşekkür ederim.

  9. Cemal Cemre TEKİN dedi ki:

    Merhabalar. Bitirme çalışması olarak hocamız IGBT Sürücü konusunu verdi. Kısıtlamalar şu şekilde: 50 uc gate şarjına uygun, kısa devre koruması olan çıkış akımı 20 A. Bu kısıtlamalar çerçevesinde ne gibi önerileriniz olur. Araştırmaya nereden başlayabiliriz. Teşekkürler.

Yorum Yazınız

error: Kopyalama KARDEŞ!