Integrated Gate Driver for Very Low-Voltage-Driven Power Switch

Energy consumption is an essential aspect of the modern life. Today, attention is paid toward energy efficiency because of a global awareness of climate change and, above all, questions related to increasing energy demand (and prices), as well as availability of energy and increasing urbanization. Consequently, it is expected that the growth of energy consumption will continue and accelerate over the next decades. As a result, from the point of view of electrical systems, the need to efficiently process electrical energy will consequently increase. At present, power electronics is the most advanced electrical energy conversion technology that offers both high flexibility and power efficiency. Motors are the core components of anything working with electricity and consume approximately half of the power used around the world. In order to be able to work more efficiently from the energy point of view, a motor needs appropriate control. Motor control is accomplished by means of high-voltage power switches arranged in the so called ”inverter leg” configuration. Being energy efficiency a key task for power electronics applications, it is crucial to have a system that consumes only the necessary power in certain time intervals. About that, a microcontroller is generally used to condition the turn on or off these power switches, according to the different operating of the motor. To this end, a gate driver, takes care of generating the appropriate voltage levels to drive the power switches. The gate driver represents the interface circuit between the microcontroller’s voltage domain (5V) and the power switches’ high voltage domain (315V). This thesis deals with the design of an integrated gate driver for very low voltage power switch, realized in collaboration with Infineon. This particular power switch driven with a low voltage control signal offers important advantages, in terms of costs and area, for the integrated circuit realization. For example, a significant advantage is given by the saving of two pins from the final chip. In order to obtain a gate driver to be capable of safely driving this particular power switch, the architecture proposed in this work provides for the introduction of a linear voltage regulator. This voltage regulator is composed by some components among which the most challenging is represented by an operational amplifier which determines the bandwidth and the stability of the architecture. In particular, two different operational amplifiers structure were designed and analyzed. At the end of this project, a comparison between the different architectures will be performed with the aim of identifying the most suitable structure to guarantee the required performance in the most effective way, not only in terms of power consumption, but also in stability. The design was carried out using a SOI (Silicon on Insulator) technology provided by Infineon. The thesis, in chapter 1, presents an introduction on the motor drive systems. Subsequently, in chapter 2, the top-level architecture of the gate driver is analyzed and then, in chapter 3, the design of the specific blocks of the new architecture is deepened. In chapter 4, the simulations of the entire architecture are shown. Finally, the conclusions and future developments of the project are discussed.

Il consumo di energia elettrica rappresenta una componente essenziale del mondo moderno. Ad oggi è presente in tutto il mondo una grande attenzione verso una maggior efficienza energetica a causa della consapevolezza dei cambiamenti climatici, delle questioni relative all’aumento dei prezzi dell’energia, Nonché alla sicurezza delle fonti energetiche e alla crescente urbanizzazione. Per questo motivo, si prevede che la presenza di sistemi e motori elettrici continuerà a crescere nei prossimi decenni. Di conseguenza, la necessità di gestire in modo efficiente l’energia elettrica aumenterà notevolmente. Grazie all’elettronica di potenza è possibile ottenere una conversione dell’energia elettrica che raggiunge un’elevata flessibilità ed efficienza. I motori elettrici sono i componenti principali di qualsiasi dispositivo che funzioni tramite l’elettricità e rappresentano circa la metà dell’energia consumata in tutto il mondo. Per poter lavorare in modo pi`u efficiente dal punto di vista energetico questi motori hanno bisogno di opportuni controlli. Il controllo di motori elettrici è realizzato mediante interruttori di potenza ad alta tensione disposti nella cosiddetta configurazione a ”inverter leg”. Essendo l’efficienza energetica un requisito chiave per le applicazioni dell’elettronica di potenza, è fondamentale disporre di un sistema che consumi solo la potenza necessaria in determinati intervalli di tempo. A tal proposito, attraverso l’uso di un microcontrollore è possibile stabilire quando accendere o spegnere questi interruttori di potenza, in base alla diversa velocità di funzionamento del motore. I gate driver si occupano di generare i livelli di tensione appropriati per pilotare i suddetti interruttori di potenza. Il gate driver rappresenta, pertanto, un circuito di interfaccia tra il dominio a bassa tensione del microcontrollore (5V) e il dominio ad alta tensione (315V) degli interruttori di potenza. Questa tesi si occupa della progettazione di un gate driver integrato per interruttori di potenza pilotati a bassa tensione (1.5V), svolta in collaborazione con Infineon. Questa categoria di interruttori di potenza viene pilotata con un segnale di controllo a bassa tensione e offre vantaggi importanti, in termini di costi e di area occupata, per la realizzazione del circuito integrato. Per esempio, un vantaggio significativo `e dato dal risparmio di due pin nel chip finale. Per realizzare un gate driver in grado di pilotare in modo sicuro questo particolare interruttore di potenza, l’architettura proposta in questo lavoro prevede l’introduzione di un regolatore di tensione lineare. Questo regolatore di tensione è composto da alcuni componenti tra i quali `e presente un amplificatore operazionale, la cui accurata progettazione rappresenta un punto fondamentale di questo lavoro di tesi in quanto incide sulla risposta (intesa in termini di banda e stabilità) di tutta l’architettura. In particolare, al fine di ottenere un regolatore stabile, sono state progettate e analizzate due differenti versioni di amplificatori operazionali. Al termine di questo progetto verrà effettuato un confronto tra le due architetture con l’obiettivo di individuare la struttura più idonea a garantire nel modo più efficiente le prestazioni richieste, non solo in termini di consumo energetico ma anche di stabilità. Il circuito è stato progettato utilizzando una tecnologia SOI (Silicon on Insulator) messa a disposizione da Infineon. La tesi, nel capitolo 1, presenta un’introduzione relativa ai sistemi motor drive. Successivamente, nel capitolo 2, viene analizzata l’architettura ad alto livello del gate driver per poi approfondire, nel capitolo 3, la progettazione dei blocchi specifici della nuova architettura. Nel capitolo 4 vengono mostrate le simulazioni dell’intera architettura. Infine, vengono discusse le conclusioni e gli sviluppi futuri del progetto.