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

Jak osiągnąć wyższą wydajność zasilania - część 1: mocniejsze drivery bramek

ghost666 13 Mar 2017 20:26 2385 0
  • Tworzymy systemy elektroniczne w czasach, gdy inżynierowie zmuszeni są coraz bardziej zwiększać wydajność projektowanych urządzeń. Wymagania co do wydajności systemów zasilania cały czas rosną - chcemy z zasilacza pobierać w zasadzie tyle ile pobiera on z zewnątrz. Zwiększanie wydajności to praca zespołowa wielu elementów zasilacza, głównie: coraz lepszych sterowników bramek tranzystorów, kontrolerów przetwornic o wyższych parametrach oraz wykorzystania nowych elementów wykonawczych wykonanych z półprzewodników szerokoprzerwowych.

    W pierwszej części tego cyklu artykułów skupimy się na jednym z aspektów sterowników bramek tranzystorów - prądzie wyjściowym. Ma on wpływ na całkowitą wydajność systemu zasilania ponieważ "mocniejsze" sterowani kluczy wyjściowych w przetwornicy przekłada się na minimalizację strat podczas och przełączania.

    Straty podczas przełączania na tranzystorze polowym (FET) następują podczas załączania i wyłączania przepływu prądu przez jego strukturę. Z czego dokładnie wynikają? Aby załączyć tranzystor FET konieczne jest naładowanie pojemności bramki tranzystora powyżej napięcia załączenia tego elementu. Im wyższy prąd sterowania bramką FETa tym szybciej ta pojemność zostanie naładowana. Analogiczna sytuacja następuje przy wyłączaniu tranzystora - musimy rozładować bramkę, a im większym prądem to zrobimy, tym szybciej zupełnie wyłączony zostanie dany FET.

    Straty podczas przełączania występują w momencie ładowania/rozładowywania bramki, gdyż w tych momentach Rds(on) tranzystora wzrasta, podczas gdy płynie przezeń prąd. Dodatkowo, dłuższe czasy przełączania tranzystora wyjściowego w przetwornicy zwiększają zniekształcenia sygnału, co także negatywnie wpływa na pracę i wydajność przetwornicy.

    Mówiąc w uproszczeniu: celem optymalizacji jest zminimalizowanie strat przełączania poprzez możliwe skrócenie czasu w jakim przełączane są klucze wyjściowe przetwornicy, szczególnie w zasilaczach pracujących przy dużej częstotliwości przełączania tranzystorów wyjściowych. Czasy narastania i opadania odnaleźć możemy w specyfikacji/karcie katalogowej wykorzystywanych przez nas driverach bramek, jak pokazano na rysunku 1.

    Jak osiągnąć wyższą wydajność zasilania - część 1: mocniejsze drivery bramek
    Rys.1. Typowy wykres obrazujący specyfikację czasów narastania i opadania napięcia na wyjściu drivera bramek.


    Jeśli chcemy podnieść poprzeczkę jeszcze wyżej, możemy wybrać sterownik bramek tranzystorów polowych nie tylko o wysokim prądzie wyjściowym, ale także z tzw, synchronizacją opóźnienia. Układy wyposażone w tą funkcję posiadają dwa (lub więcej) kanałów drivera o dobranych do siebie opóźnienia, dzięki czemu wszystkie wyjścia załączane są z takim samym opóźnieniem. Synchronizacja czasów propagacji jest także istotna, gdy łączymy równolegle wyjścia dwóch lub więcej kanałów. Przykładem drivera w jakim odnaleźć możey taką funkcję jest np. UCC27524A firmy Texas Instruments. Różnica opóźnień pomiędzy kanałami wynosi typowo 1 ns, co pozwala na połączenie dwóch 5 A kanałów, aby uzyskać prąd bramki na poziomie 10 A.

    Na rysunku 2 pokazano w jaki sposób wyjścia A oraz B układu UCC27524A połączone są ze sobą: wejścia INA oraz INB połączone są do wspólnego źródła sygnałów wyzwalających, podobnie jak połączone ze sobą OUTA i OUTB, sterujące jedną bramką. Dzięki synchronizacji opóźnień w kanałach A i B tego drivera praca równolegle połączonych ze sobą kanałów nie wpływa negatywnie na czasy narastania/opadania sygnału i nie zwiększa strat przełączania na tranzystorach wyjściowych.

    Jak osiągnąć wyższą wydajność zasilania - część 1: mocniejsze drivery bramek
    Rys.2. Driver UCC27524A z zrównoleglonymi wyjściami dla uzyskania dwukrotnie większego prądu wyjściowego.


    Jednym z rezultatów zwiększenia prądu wyjściowego drivera jest także zwiększenie gęstości mocy w optymalizowanej przetwornicy. To kolejny trend, jaki obserwuje się w projektowaniu systemów zasilania, szczególnie przetwornicach DC/DC czy np. inwerterach dla instalacji fotowoltaicznych.

    W tabeli 1 zebrano przykładowe drivery bramek produkcji Texas Instruments z synchronizacją opóźnień, wraz z opisem parametrów, czasami narastania.

    Tab.1. Przykładowe drivery bramek tranzytorów FET produkcji Texas Instruments.
    UkładOpisCzas narastania/opadaniaSynchronizacja opóźnień?
    UCC277144 A, 600 V, praca po wysokiej i niskiej stronie zasilania15 ns, 15 nsTak
    UCC27524A5 A, ultraszybki driver pracujący po niskiej stronie zasilania7 ns, 6 nsTak
    UCC27211A4 A, 120 V, praca po wysokiej i niskiej stronie zasilania7.2 ns, 5,5 nsTak


    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/11/16/how-to-achieve-higher-system-efficiency-with-high-current-gate-drivers

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9414 postów o ocenie 7062, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Computer Controls