Durante una recente presentazione tenutasi al PCIM Europe 2024 è stato introdotto un nuovo approccio per ottimizzare le prestazioni dei moduli di potenza, implementando una modalità di Identificazione Parametrica (PI) nei driver di gate ad alta tensione. I risultati dell’integrazione delle capacità di identificazione parametrica nei driver di gate hanno dimostrato notevoli benefici in termini di efficienza energetica e robustezza del sistema.
Considerazioni sui Gate Driver ad alta tensione
I moduli di potenza al Carburo di Silicio (SiC) offrono un’alternativa convincente rispetto ai tradizionali dispositivi in silicio (Si) per le applicazioni ad alta tensione. Grazie alla loro elevata tensione di rottura e alla capacità di operare a frequenze di commutazione elevate, i materiali SiC facilitano un notevole aumento della densità di potenza. Questo miglioramento non solo incrementa l’efficienza complessiva dei sistemi elettronici di potenza, ma ne semplifica anche il design riducendo la complessità dei componenti.
Il controllo del gate è fondamentale per migliorare le capacità di commutazione ad alta velocità dei dispositivi di potenza. Nei sistemi attuali, più transistor di potenza vengono collegati in parallelo, generando problemi di squilibrio del carico. Un driver di gate a sorgente di corrente (CSGD) offre la flessibilità di modificare la corrente del gate durante le varie fasi di un evento di commutazione per ciascun transistor. Questa capacità risulta particolarmente vantaggiosa rispetto ai driver di gate a sorgente di tensione (VSGD), soprattutto man mano che i transistor invecchiano e subiscono variazioni delle loro caratteristiche elettriche e del comportamento di commutazione.
A differenza dei dispositivi convenzionali, il prototipo di gate driver sviluppato da Bosch, può modificare il livello di pilotaggio durante la commutazione, grazie a tre intervalli programmabili e a tre diversi livelli di corrente del gate. Questa caratteristica consente al circuito di ottimizzare in modo indipendente le velocità di commutazione per la commutazione di corrente e tensione.
Carica del Gate
Come mostrato nella Figura 1, il processo di commutazione di un MOSFET può essere suddiviso in quattro fasi. Da t0 a t1, il circuito di pilotaggio del gate satura sia le capacità gate-source (CGS) che gate-drain (CGD) fino a quando la tensione del gate raggiunge la soglia di tensione (Vth). Tra t1 e t2, la tensione gate-source (VGS) supera Vth, avviando un flusso di corrente nel drain che diventa la corrente principale, continuando a caricare CGS e CGD. L’aumento della tensione del gate aumenta la corrente nel drain fino a quando la tensione del gate non si allinea con la tensione di Miller, VGS(pl), in t2.
Da t2 a t3, la tensione del gate si stabilizza a VGS(pl) a causa dell’effetto Miller, mantenendo uno stato stazionario. Durante questa fase, la corrente principale del gate fluisce attraverso il MOSFET, e la tensione del drain raggiunge la sua soglia di accensione. La tensione costante del gate durante questo intervallo dirige la corrente di pilotaggio verso CGD anziché CGS. La carica accumulata in CGD (QGD) in questo intervallo di tempo è pari alla corrente del gate moltiplicata per la durata del calo di tensione (t3-t2).
Infine, da t3 a t4, la tensione del gate viene portata in uno stato sovrasaturo, caricando sia CGS che CGD fino a quando VGS non si allinea con la tensione di alimentazione del gate. Una volta completata la transizione di accensione, il MOSFET non ha subito alcuna perdita di commutazione durante quest’ultimo periodo.
Modalità di identificazione dei parametri (PI)
Nel nuovo IC CSGD sviluppato da Bosch, la PI è stata implementata come una modalità operativa dedicata (“modalità PI”). Questa modalità consente all’IC di valutare i valori di vari parametri del semiconduttore di potenza che influenzano il processo di commutazione. Il sistema è progettato per analizzare ciascun canale di gate individualmente, consentendo una determinazione precisa delle caratteristiche di ciascun chip semiconduttore di potenza.
L’attivazione della modalità PI avviene attraverso un comando inviato tramite l’interfaccia di comunicazione a bassa tensione (LV), che imposta lo stato dell’ASIC in una specifica condizione PI. Una volta attivata, la modalità PI utilizza una sorgente di corrente costante configurabile per la misurazione, con la possibilità di impostare un offset per l’ADC. Questo offset determina l’intervallo di tensione entro il quale l’ADC campionerà la tensione del gate, escludendo valori fuori dall’intervallo dalla misurazione. Questa flessibilità consente di effettuare la PI su una singola uscita del gate o su una combinazione di uscite, a seconda dei requisiti dell’analisi.
Il risultato del processo PI viene catturato e trasmesso a un MCU, dove l’elaborazione dei dati estrae i parametri necessari. La capacità di identificare accuratamente questi parametri è fondamentale per ottimizzare le prestazioni del semiconduttore di potenza all’interno del sistema, garantendo un funzionamento efficiente e affidabile del driver di gate.
Ottimizzazione attraverso l’identificazione dei parametri (PI)
Uno degli utilizzi principali della PI è la messa a punto dei profili di corrente per i driver di gate CSGD. Identificando con precisione le caratteristiche della carica del gate (QGS, QGD, QON), i segnali di pilotaggio del gate possono essere adattati per minimizzare le perdite di commutazione, ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI) e ottimizzare la velocità di commutazione, contribuendo direttamente all’efficienza e alla durata del sistema.
La PI aiuta anche nella gestione termica prevedendo il comportamento termico dei dispositivi di potenza in diverse condizioni operative, specialmente durante la fase di accensione. Queste informazioni possono ottimizzare le strategie di gestione termica, bilanciare il carico tra diversi transistor commutati in parallelo e ridurre il rischio di surriscaldamento, migliorando così l’affidabilità e la durata del sistema.
Inoltre, i parametri ottenuti attraverso la PI possono essere utilizzati per monitorare l’usura o eventuali guasti nei dispositivi di potenza, abilitando la manutenzione predittiva e prolungando la vita utile del sistema. Nei sistemi elettronici di potenza avanzati, i dati PI possono essere utilizzati per implementare algoritmi di controllo adattivo che regolano l’operatività del sistema in tempo reale sulla base dei parametri identificati.
Conclusione
L’implementazione di una modalità PI in un IC per driver di gate rappresenta un significativo avanzamento nel testing e nella valutazione dei semiconduttori in applicazioni reali, come negli inverter di trazione automobilistici. La modalità PI offre una base versatile per comprendere e migliorare le prestazioni dei moduli di potenza, consentendo l’analisi e l’identificazione delle tendenze o dei cambiamenti nelle caratteristiche dei moduli di potenza durante la loro vita operativa.
Per maggiori riferimenti, trovi l’articolo originale su Power Electronics News.
