Niewielkiej wielkości, ale wydajne stopnie mocy z tranzystorami MOSFET bazują na wykorzystaniu szybkich i niezawodnych sterownikach bramek. Rozwiązania te obejmują zarówno proste nieizolowane sterowniki typu low-side (dla dolnego tranzystora), jak i w pełni izolowane wersje typu high-side (dla górnego tranzystora), pracujące w stopniach mocy zasilanych wysokim napięciem. W przypadku wielu projektów nieizolowany sterownik bramki z pływającą masą okazuje się najlepszym wyborem.
Sterowniki bramki działają jako stopień pośredni między obwodami sterującymi o niskiej mocy, dostępnymi na wyjściu mikrokontrolera lub sterownika PWM, a przełącznikami (tranzystorami) dużej mocy, które odpowiadają za przepływ energii. Elementy te zapewniają szybkie i precyzyjne przełączanie tranzystorów w celu optymalizacji dostarczania mocy i minimalizacji strat podczas komutacji.
Wybór właściwego sterownika bramki obejmuje zakresy napięć i prądu sterującego tranzystorem, topologię konwersji i częstotliwość przełączania. Dobrze dopasowany sterownik zwiększa sprawność, zapewnia precyzję czasową i stabilność termiczną. Wszystkie te czynniki są krytycznymi parametrami wydajnych, kompaktowych systemów dużej mocy.
Zalety układów półmostkowych
Topologia półmostkowa jest popularnym i szeroko stosowanym rozwiązaniem architektury stopnia konwersji mocy, umożliwiającym wydajną regulację mocy przy zachowaniu kompaktowych rozmiarów konstrukcji. Opiera się na dwóch szybkich elementach przełączających, zazwyczaj MOSFET-ach lub tranzystorach bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT), które naprzemiennie podają napięcie wejściowe, zasilając transformator w konstrukcjach izolowanych lub bezpośrednio zasilając obciążenie w systemach nieizolowanych. Topologia ta jest ceniona za swoją wydajność, małe koszty i niewielkie wymagania w zakresie optymalizacji termicznej.
Układ scalony sterownika bramki jest kluczowym podzespołem w sterowaniu tymi przełącznikami i działa jako interfejs między niskomocowym sterownikiem a stopniem mocy. Przekształca on sygnały PWM o poziomach logicznych na sygnały sterujące o dużym natężeniu prądu, zapewniając szybkie i precyzyjne przełączanie tranzystorów po dolnej i górnej stronie półmostka. Szybka komutacja zapewnia wydajność, minimalizuje straty energii i poprawia parametry cieplne systemu.
W układzie półmostkowym źródło górnego MOSFET-a jest połączone z węzłem przełączającym (wyjściem), którego potencjał szybko zmienia się między masą (0 V) a napięciem zasilania. W przypadku nieizolowanego sterownika bramki z pływającą masą sterownik po stronie wysokiej "pływa" zatem razem z napięciem w węźle przełączającym dla zapewnienia precyzyjnej komutacji.
Gdy izolacja między stopniem mocy a sterownikiem mikroprocesorowym nie jest wymagana, a priorytetem są mała wymiary, szybkość i wydajność, sterowniki bramki i nieizolowany półmostek z pływającą masą stanowią idealne rozwiązanie. Dostępne dla tego układu sterowniki, dla górnego i dolnego tranzystora, eliminują złożoność układową pojawiającą się w układach z izolacją, zapewniając jednocześnie precyzję czasową i wydajność przełączania. Ponieważ nie zapewniają separacji galwanicznej między logiką sterującą a stopniem mocy, najlepiej sprawdzają się w systemach, w których wszystkie komponenty mają wspólną masę.
Generowanie napięcia sterującego bramką wymaganego dla górnego MOSFET-a zazwyczaj opiera się na kondensatorze w układzie bootstrap. Ten element ładuje się, gdy przełącznik po stronie niskiej jest aktywny i dostarcza zasilanie dla górnego tranzystora, gdy przełącznik po stronie wysokiej jest włączony.
Gdy MOSFET po stronie niskiej przewodzi, węzeł przełączający (wyjście) ma potencjał masy, umożliwiając obwodowi naładowanie kondensatora bootstrapu z szyny zasilania przez diodę. Gdy MOSFET po stronie wysokiej musi zostać włączony, sterownik korzysta z tego zmagazynowanego ładunku, aby wysterować bramkę do napięcia wyższego o 10 V do 15 V, niż wynosi napięcie zasilające stopień mocy.
Projektanci muszą upewnić się, że dolny przełącznik włącza się wystarczająco często i na dostatecznie długi czas, aby kondensator bootstrapu był naładowany. W zastosowaniach, gdzie pojawia się duży współczynnik wypełnienia, mogą być konieczne dodatkowe środki ostrożności, takie jak wybór odpowiedniej wartości kondensatora (małej) i zminimalizowanie spadku napięcia na diodzie układu bootstrapu.
Wykorzystując układ bootstrap do zasilania sterownika górnego tranzystora, nieizolowane sterowniki półmostkowe z pływającą masą eliminują złożoność układową pojawiającą się przy izolacji, zapewniając jednocześnie pewne sterowanie tranzystorem górnym półmostka. Ich prostota i wydajność sprawiają, że doskonale nadają się do zastosowań o wysokiej częstotliwości przełączania, takich jak przetwornice buck i boost, regulatory synchroniczne, napędy silników i wzmacniacze audio klasy D.
Wybór układu scalonego sterownika bramki
Wybór właściwego sterownika bramki jest kluczowy z punktu widzenia zapewnienia wydajnej, niezawodnej i bezpiecznej pracy stopnia mocy, szczególnie w zastosowaniach z szybkim przełączaniem, takich jak przetwornice obniżające napięcie (buck), napędy silników i systemy zasilania słonecznego. Na przykład w systemach konwersji energii słonecznej i systemach zasilanych z baterii sterownik bramki musi dostosować się do szerokich wahań napięcia wejściowego i zmieniających się warunków obciążenia. Zakres dopuszczalnych napięć zasilających półmostek i odpowiedni zapas na stany nieustalone jest niezbędny, aby zapewnić długoterminową niezawodność konstrukcji urządzenia.
Odporność na wspólne stany przejściowe (common-mode transient immunity, CMTI) to kolejna kluczowa kwestia projektowa. Szybkie przełączanie może wywołać duże różnice napięć między MOSFET-ami po stronie wysokiej i niskiej, co prowadzi do oscylacji. Sterowniki bramek o wysokim CMTI zapewniają lepszą stabilność w środowiskach o dużym poziomie zakłóceń elektrycznych, bo są odporne na przepięcia wynikające z oscylacji na elementach pasożytniczych w obwodzie pojawiających się przy szybkim przełączaniu.
Szczytowy prąd sterujący bramką jest równie ważny, szczególnie w zastosowaniach o dużej mocy. Sterownik musi dostarczać wystarczająco duży prąd, aby szybko naładować pojemność bramki MOSFET, zmniejszając straty przełączania (komutacyjne).
Ponadto kontrola czasu martwego odgrywa kluczową rolę w konfiguracjach półmostkowych. Bez krótkiego opóźnienia między wyłączeniem jednego przełącznika a aktywacją drugiego może wystąpić zwarcie, gdyż MOSFET-y przewodzą jednocześnie. Wiele sterowników bramek ma wbudowany stały lub regulowany układ czasu martwego, aby zapobiec temu problemowi i umożliwić bezpieczną, wydajną pracę w różnych warunkach obciążenia.
Rodzina układów LTC706x firmy ADI
Prostota i zdolność do szybkiego przełączania nieizolowanych sterowników półmostkowych stopni mocy z pływającą masą sprawiają, że są one optymalnym rozwiązaniem dla wielu projektów. Firma Analog Devices (ADI) oferuje szereg takich układów do aplikacji wysokonapięciowych i wymagających zastosowań.
Nieizolowane półmostkowe sterowniki bramki LTC706x firmy ADI z pływającą masą (rys. 1) przeznaczone są do szerokiej gamy zastosowań, od motoryzacji po sterowanie przemysłowe. Są zamykane w niewielkich obudowach, zapewniają ścisłą kontrolę czasową komutacji, mają zabezpieczenie przed prądem skrośnym i nadają się do układów dużej mocy.
Produkty ADI pomagają projektantom osiągnąć właściwą równowagę między wydajnością na poziomie systemu a prostotą. Wszystkie współpracują z tranzystorami MOSFET z kanałem N, aby zapewnić niską rezystancję w stanie włączenia (RDSON), większe prędkości przełączania i możliwość przełączania prądu o większym natężeniu niż tranzystory MOSFET z kanałem P.
Dwa układy mają maksymalne napięcie zasilania 100 V:
- LTC7060 jest konstrukcją zoptymalizowaną pod kątem systemów wykorzystujących pojedyncze wejście PWM z opcją trójstanową, co pozwala na sterowanie dwoma tranzystorami półmostka z jednej linii sterującej. Upraszcza to interfejs kontrolera cyfrowego i zmniejsza liczbę wymaganych pinów, co jest istotne w zastosowaniach o ograniczonych zasobach. Tryb wejścia trójstanowego zapewnia bezpieczny stan wysokiej impedancji, gdy oba tranzystory mostka są wyłączone. Dodaje to funkcję tolerancji błędów w niektórych scenariuszach awarii. Jest to dobry wybór dla projektantów preferujących prostotę i kompaktowość.
- Układ LTC7061 jest przeznaczony do zastosowań, gdzie używane są niezależne wejścia logiczne CMOS lub TTL dla przełączników po stronie wysokiej i niskiej półmostka. To podejście z dwoma osobnymi liniami zapewnia większą elastyczność i kontrolę nad czasem – szczególnie cenne w systemach, w których czas martwy jest określany zewnętrznie przez mikrokontroler lub kontroler PWM. Dla projektantów potrzebujących ścisłej kontroli nad zachowaniem przełączania lub wdrażających niestandardowe strategie czasowe układ LTC7061 oferuje bardziej adaptacyjny interfejs z elastycznością sterowania w celu dostrojenia wydajności.
W przypadku zastosowań, w których napięcia zasilania mostka przekracza 100 V, np. przemysłowe napędy silników, projektanci mogą skorzystać z dwóch układów obsługujących maksymalne napięcie zasilania 140 V:
- LTC7063 ma wejście trójstanowe PWM, co umożliwia sterowanie zarówno tranzystorami MOSFET po stronie wysokiej, jak i niskiej półmostka za pomocą jednej linii sygnałowej. Upraszcza to interfejs sterowania, ponieważ pin PWM determinuje przełączanie tranzystorów MOSFET na podstawie poziomu napięcia. Projektanci mogą preferować to rozwiązanie w przypadku zastosowań o dużej mocy, które korzystają z uproszczonego interfejsu sterowania, zmniejszonej liczby pinów i zminimalizowanej złożoności trasowania sygnału na upakowanych płytkach PCB. Jednym z praktycznych zastosowań LTC7063 jest konstrukcja przetwornika obniżającego napięcie 2:1 jak na rysunku 2. Z napięcia wejściowego do 80 V, ta przetwornica dostarcza połowę napięcia wejściowego (½ VIN) przy maksymalnym obciążeniu 5 A.
- Sterownik LTC7066 ma 2 wejścia logiczne CMOS/TTL odpowiednio dla sterowników high-side i low-side, czyli zapewnia oddzielne sygnały sterujące dla każdego MOSFET-a. Umożliwia to precyzyjne i elastyczne sterowanie tranzystorami, pozwalając projektantom w pełni kontrolować czas martwy i proces przełączania. Dzięki temu jest to idealny wybór do systemów cyfrowych.
Każdy układ tego typu zawiera niezbędne zabezpieczenia i pozwala na dobieranie parametrów sterowania, po to, aby uzyskać maksymalną wydajność ze stopni mocy.
Wszystkie sterowniki z omawianej rodziny zapewniają adaptacyjną ochronę przed zwarciem skrośnym, które ma miejsce przy jednoczesnym przewodzeniu obu MOSFET-ów i pozwalają na regulację czasu martwego. Umożliwia to dokładne dostrojenie wielkości opóźnienia między cyklami przełączania w celu zminimalizowania strat mocy bez negatywnego wpływu na sprawność. Jest też blokada podnapięciowa (UVLO) zapewniająca, że sterownik bramki działa tylko wtedy, gdy jego napięcie zasilania mieści się w bezpiecznym zakresie.
Z perspektywy wydajności wszystkie układy z rodziny LTC706x zapewniają małą impedancję wyjścia sterującego bramką, z typowymi wartościami 1,5 Ω dla podciągania napięcia i 0,8 Ω dla obniżania. Umożliwia to szybkie ładowanie i rozładowywanie pojemności bramki, co jest krytycznym aspektem dla realizacji szybkiego przełączania, a więc minimalizacji strat przełączania w aplikacjach dużej prędkości kluczowania.
W przypadku aplikacji, gdzie współczynnik wypełnienia PWM jest duży, a więc tam, gdzie zasilanie za pomocą bootstrapu nie jest efektywne, projektanci mogą rozważyć alternatywne techniki sterowania bramką lub zasilania sterownika górnego tranzystora. Należy przy tym wziąć pod uwagę zagadnienia związane ze złożonością, wydajnością i kosztami realizacji. Przykładowo, izolowane sterowniki bramek wykorzystują transformatory lub izolatory cyfrowe do dostarczania niezależnych sygnałów sterujących bramkami, eliminując w ten sposób potrzebę stosowania mechanizmów ładowania bootstrapowego, podczas gdy dodatkowe zasilacze sterownika mogą zapewnić stabilne napięcie sterujące bramkami niezależne od cykli przełączania i wartości PWM.
Podsumowanie
W zastosowaniach o dużej mocy, w których najważniejsze są szybkość przełączania, sprawność konwersji i kompaktowa konstrukcja stopnia mocy, nieizolowane sterowniki półmostkowe z pływającą masą zapewniają optymalne rozwiązanie do sterowania tranzystorami MOSFET, zarówno dolnym jak i górnym. Wykorzystując obwód bootstrapowy do generowania niezbędnego napięcia sterującego bramką, sterowniki te eliminują złożoność izolowanych konstrukcji, zachowując jednocześnie precyzyjną wydajność przełączania. Rodzina produktów LTC706x firmy ADI zapewnia szereg wszechstronnych rozwiązań, aby sprostać wymaganiom konwersji mocy.
DigiKey
www.digikey.pl
