Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Dwie architektury izolowanych diverów MOSFETów

ghost666 18 Lis 2015 14:40 2883 8
  • W typowej aplikacji izolowanego systemu zasilania, istnieją dwie popularne metody implementacji izolacji pomiędzy driverem bramki tranzystora a sterowanym przez niego MOSFETem. Pierwsza z nich to zastosowanie transformatora, a druga to zastosowanie dedykowanego drivera po stronie wtórnej i izolacja niskonapięciowych sygnałów sterujących. Wykorzystanie takiego drivera pozwala na znaczną oszczędność powierzchni na płytce drukowanej oraz istotne zmniejszenie ilości elementów. Przykładem takiego układu może być UCC27714, na podstawie którego omówiona zostanie typowa aplikacja tego systemu. Poniżej opisane są obie techniki sterowania tranzystorami wraz z ich zaletami i wadami.

    Rysunek 1 pokazuje typową implementację transformatoraf izolującego znajdującego się pomiędzy kontrolerem a półmostkiem z tranzystorów MOSFET. Dodatkowe elementy (w porównaniu do rysunku 2) potrzebne są do działania takiego układu w sposób poprawny i niezawodny. Tymi elementami są:

    * CB - kondensator blokujący, zapewniający, że transformator nie zostanie nasycony.
    * D1, D2 - diody pozwalające na uniknięcie symetrycznego, ujemnego polaryzowania bramek i utraty napięcia na bramce, potrzebnego do kontroli tranzystora
    * Q1, Q2 - niskonapięciowe tranzystor PMOS lub PNP, pozwalające na osiągnięcie lepszej charakterystyki czasowej wyłączania tranzystora.
    * Z1, Z2 - diody Zenera, zapewniające ochronę bramek MOSFETów przed nadmiernym napięciem.

    Dwie architektury izolowanych diverów MOSFETów
    Rysunek 1. Realna implementacja transformatorowego drivera bramki MOSFETów z uwzględnieniem pasożytniczych elementów.


    Jak nietrudno się domyślić, dodatkowe elementy potrzebne w układzie zwiększają poziom skomplikowania takiego systemu. Indukcyjności rozproszone także mają negatywny wpływ na parametry układu, szczególnie na maksymalny prąd sterowania bramki oraz znaczne przesterowanie (spowodowane właśnie indukcyjnością rozproszoną i pojemnością złącza MOSFETa).

    Z punktu widzenia praktycznego, zwiększanie prądu sterowania bramki tranzystora zwiększa wymagania co do wielkości rdzenia transformatora i grubości drutu uzwojenia. Pozwala to na zwiększenie szybkości sterowania bramką, ale kosztem zwiększonego jej przesterowania ponieważ indukcyjność rozproszona jest większa. Uzwojenie bifilarne pozwala na zmniejszenie tej indukcyjności, jednakże zastosowanie takiego rodzaju uzwojenia zwiększa sprzężenie pojemnościowe pomiędzy stroną pierwotną a wtórną układu CIO. Pojemność CIO jest jedną z głównych pasożytniczych pojemności ograniczających odporność systemu na współbieżne skoki napięcia. Podsumowując - niełatwo jest znaleźć kompromis pomiędzy opisanymi powyżej czynnikami, projektując taki rodzaj sterownika.





    Rysunek 2 pokazuje implementację scalonego drivera obu tranzystorów w mostku, sprzęgniętego z izolacją galwaniczną po stronie sterującej. Do układu dodano elementy RBoot i stabilizator LDO dla napięcia 5 V, pozwalający na lepsze połączenie pomiędzy VBias, 10 V i 20 V z stroną wtórną układu, która potrzebuje napięcia zasilającego na poziomie od 3 V do 5 V.

    Jako że w układzie nie ma transformatora, związana z nim indukcyjność rozproszona nie występuje. Przekłada się to na łatwiejsze uzyskanie pożądanych parametrów szybkości narastania i prądu sygnału sterującego bramką. Układ generuje także mniejsze przesterowanie tego sygnału i zapewnia lepszą stabilność pracy.

    Dwie architektury izolowanych diverów MOSFETów
    Rysunek 2. Realna implementacji scalonego drivera półmostka tranzystorowego z dodaną izolacją galwaniczną.


    Poniższa tabela porównuje dwie powyższe metody. Zasadniczo scalony driver 'wygrywa' w zestawieniu, ponieważ jego aplikacja wymaga mniejszej liczby elementów, charakteryzuje się mniejszymi pasożytniczymi indukcyjnościami i przesterowaniem sygnału, zajmuje mniej miejsca na płytce i pozwala na elastyczniejsze sterowanie prądem bramki.








    Transformator izolujący bramkiDedykowany scalony driver po stronie wtórnej niskonapięciowego izolatora
    Izolowane napięcie polaryzująceNieTak
    Ilość dodatkowych elementówDużoNiewiele
    Pasożytnicze indukcyjnościDużeMałe
    CIOWysokie (powyżej 10 pF)Bardzo niska (poniżej 1 pF)
    Przesterowanie sygnału po stronie wtórnejDużeNiewielkie
    Pole zajmowane na płytce drukowanejZnaczneBardzo małe
    Maksymalny prąd bramki w impulsieOgraniczona, głównie wielkością rdzenia transformatoraDo 10 A


    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/11/04/gate-drive-transformer-vs-high-low-side-driver-a-close-look-of-detailed-implementation?HQS=hpa_pwrhouseGATE_151115&DCMP=mytinwsltr_11_14_2015&sp_rid_pod3=LTI3NjA2MDY4NDMS1&sp_mid_pod3=4968551


    Fajne!
  • #2 18 Lis 2015 17:33
    KJ
    Poziom 31  

    Fakt Przy driverze scalonym potrzeba mniej elementów w samym sterowniku ale za to potrzeba dwóch lub więcej izolowanych napięć co komplikuje zasilacz. Moje drivery z transformatorem wyglądały inaczej. Po stronie wtórnej był tylko opornik i równolegle do niego szybka dioda w kierunku "od bramki" w celu przyspieszenia wyłączania. Natomiast równolegle do bramki transil dwukierunkowy lub dwie zenerki połączone w szereg katodami. Stosowałem i stosuję takie drivery do mosfetów i IGBT nawet tak dużych jak CM300. Co masz na myśli pisząc przesterowanie ? Próbowałem także stosować drivery scalone - IR2110 do mosfetów jednak miałem notoryczne problemy z układem bootstrapu. Pomogło dopiero wyrzucenie całego bootstrapu i zastąpienie go kolejnym izolowanym napięciem zasilania. Potrzebowałem więc zasilacza dostarczającego pięciu osobnych napięć - jednego dla logiki po stronie HV drugiego dla logiki po stronie niskonapięciowej trzeciego wspólnego dla dwóch dolnych driverów czwartego i piątego dla dwóch górnych driverów (mowa o pełnym mostku). Natomiast przy transformatorze wystarczyły nie izolowane od siebie napięcia 5 i 12V. Fakt że przy driverze na IR2110 przebiegi bramkowe były znacznie ładniejsze jednak prostota układu z transformatorem wygrała.

  • #3 18 Lis 2015 17:35
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Istotnie, chociaż nie do końca. Trochę to zależy od prądu bramek, jaki potrzebujemy, ponieważ jest szereg układów izolujących (np seria ADuM Analoga), które mają wbudowane także izolowane przetwornice do zasilania elementów po stronie wtórnej.

  • #4 19 Lis 2015 05:34
    olinek2
    Poziom 23  

    KJ, Ghost miał na myśli pik napięcia na narastającym zboczu impulsu. Zawsze występuje, raz mniejszy raz większy, zależnie od trafka. Przytoczony driver z tranzystorami pomocniczymi stosowaliśmy w spawarkach i dawał sobie całkiem fajnie radę.

    Swoją drogą przy scalonych driverach w niektórych konfiguracjach jest problem z przepięciami, które skutecznie ubijają driver, więc trzeba stosować większe diody (w przypadku Forwarda 2T), do 1kW jeszcze nie ma tragedii, ale więcej to już trzeba dobrze przemyśleć :)

  • #5 20 Lis 2015 07:49
    Einherjer
    Poziom 11  

    Mała uwaga do tłumaczenia. Angielskie "leakage inductance" to po polsku "indukcyjność rozproszenia", nie żadne "upływy indukcyjne".

  • #6 20 Lis 2015 09:26
    mkpl
    Poziom 37  

    Artykuł fajny ale nie obejmuje całej tematyki jeśli chodzi o zastosowania.

    Sterowniki scalone wygodne, szybkie i ładny kształt sterowania bramką. Bardzo dobrze sprawują się w przetwornicach gdzie sterownik jest po stronie wysokiego napięcia i izolacja jest zbędna!. Jak już zajdzie potrzeba izolacji robi się drogo. ADUM to drogie układy z izolacja max 5kV zazwyczaj w obudowie so8, która ma rzędy pinów stosunkowo blisko siebie (w porównaniu np do transoptorów sprzężenia zwrotnego).

    Transformator znów jest prosty. Stosowany kiedyś i nadal stosowany w wszystkich przetwornicach gdzie sterownik jest po stronie niskiego napięcia (wyjściowej). Poprawia to sprawność ale głównie daje możliwość kontroli kilku napięć jednocześnie (np zasilacze AT/ATX) co trudno uzyskać w sterowniku po stronie pierwotnej gdzie mieli byśmy zbiorczy sygnał z transoptora.

  • #7 20 Lis 2015 13:47
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Einherjer napisał:
    Mała uwaga do tłumaczenia. Angielskie "leakage inductance" to po polsku "indukcyjność rozproszenia", nie żadne "upływy indukcyjne".


    Poprawione, dzięki.

    mkpl napisał:
    Artykuł fajny ale nie obejmuje całej tematyki jeśli chodzi o zastosowania.

    Sterowniki scalone wygodne, szybkie i ładny kształt sterowania bramką. Bardzo dobrze sprawują się w przetwornicach gdzie sterownik jest po stronie wysokiego napięcia i izolacja jest zbędna!. Jak już zajdzie potrzeba izolacji robi się drogo. ADUM to drogie układy z izolacja max 5kV zazwyczaj w obudowie so8, która ma rzędy pinów stosunkowo blisko siebie (w porównaniu np do transoptorów sprzężenia zwrotnego).

    Transformator znów jest prosty. Stosowany kiedyś i nadal stosowany w wszystkich przetwornicach gdzie sterownik jest po stronie niskiego napięcia (wyjściowej). Poprawia to sprawność ale głównie daje możliwość kontroli kilku napięć jednocześnie (np zasilacze AT/ATX) co trudno uzyskać w sterowniku po stronie pierwotnej gdzie mieli byśmy zbiorczy sygnał z transoptora.


    ADuM są wyjątkowo drogie, ale mają bdb parametry moim zdaniem. Dobrze integruje się je w układach, gdzie izolować mają coś ważniejszego niż przetwornicę. Wyobraźmy sobie np. falownik, gdzie po jednej stronie są MOSFETy z driverami bramek, a po drugiej stronie nie jakiś kosztujący $1 kontroler, ale układ FPGA za $100 - wtedy koszt ADuMa jest wyjątkowo uzasadniony ;).

  • #8 20 Lis 2015 16:22
    olinek2
    Poziom 23  

    mkpl napisał:
    Transformator znów jest prosty. Stosowany kiedyś i nadal stosowany w wszystkich przetwornicach gdzie sterownik jest po stronie niskiego napięcia (wyjściowej). Poprawia to sprawność ale głównie daje możliwość kontroli kilku napięć jednocześnie (np zasilacze AT/ATX) co trudno uzyskać w sterowniku po stronie pierwotnej gdzie mieli byśmy zbiorczy sygnał z transoptora.


    A niby jak ma kontrolować kilka napięć lepiej niż jeden transoptor i wzmacniacze operacyjne na pierwotnej? Przecież tak i tak jest tam sumator, nie da się wpłynąć osobno na każde z napięć, dlatego w starych ATXach dławik wyjściowy odgrywa tak ważną rolę.


    Swoją drogą w ATXach jeszcze trafo służyło za przekładnik prądowy, a układ tak naprawdę był tylko regulowany ze strony pierwotnej, bo oscylacje były wzbudzane same przy włączaniu.

  • #9 20 Lis 2015 22:07
    satanistik
    Poziom 27  

    W ATkach - w ATX ach nie było już układu samodławnego a kontroler zasila przetwornica stand-by 5V.

    W sprzęcie RTG z którym mam do czynienia występują głównie układy z separowanym napięciem +/-15V i to różnie - trafko falowane przez mini przetwornice lub zwykłe transformatory 230/15V a sterowanie bramki zwykle dość rozbudowanym układem z opto izolacją i zabezpieczeniem nad prądowym w postaci pomiaru napięcia na przewodzącym kluczu. Transformatorki bramkowe trafiają się raczej w starszych konstrukcjach, królują za to w spawarkach.