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.
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.
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.
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
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.
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.
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 bramki | Dedykowany scalony driver po stronie wtórnej niskonapięciowego izolatora | |
| Izolowane napięcie polaryzujące | Nie | Tak |
| Ilość dodatkowych elementów | Dużo | Niewiele |
| Pasożytnicze indukcyjności | Duże | Małe |
| CIO | Wysokie (powyżej 10 pF) | Bardzo niska (poniżej 1 pF) |
| Przesterowanie sygnału po stronie wtórnej | Duże | Niewielkie |
| Pole zajmowane na płytce drukowanej | Znaczne | Bardzo małe |
| Maksymalny prąd bramki w impulsie | Ograniczona, głównie wielkością rdzenia transformatora | Do 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? Ranking DIY
