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

Jak osiągnąć wyższą wydajność zasilania - część 2: szybsze drivery bramek

ghost666 14 Mar 2017 17:02 2571 5
  • Jak pisaliśmy w pierwszej części cyklu, obecnie elektronika - zwłaszcza systemy zasilania - podąża za trendem ciągłego zwiększania wydajności energetycznej. Oznacza to, że powstające obecnie zasilacze muszą charakteryzować się wyższą sprawnością, niż poprzednie generacje. Aby poprawiać parametry tych systemów, opartych obecnie głównie na przetwornicach impulsowych, stosuje się wiele zabiegów. W poprzedniej części opisaliśmy jeden z aspektów zmian w zakresie driverów bramek tranzystorów wyjściowych - prąd. W drugiej części, poniżej, skupimy się na innym aspekcie - szybkości narastania i opadania napięcia sterującego na bramce wyjściowych FETów w przetwornicy.

    Szybki driver bramki tranzystora wyjściowego w przetwornicy impulsowej pozwala na zmniejszenie strat mocy, która normalnie 'pochłaniana' jest przez wbudowaną w tranzystor polowy diodę. Element ten jest ubocznym efektem w strukturze tranzystora FET i jest pasożytniczą przewodnością w strukturze FETa. Jego obecność wynika z formowania się złącza P-N pomiędzy drenem a źródłem elementu. Na rysunku 1 zaprezentowano ideowy symbol typowego tranzystora MOSFET (z kanałem typu P i typu N) na którym doskonale widać gdzie i w jaki sposób umiejscowiona jest pasożytnicza dioda.

    Jak osiągnąć wyższą wydajność zasilania - część 2: szybsze drivery bramek
    Rys.1. Symbole tranzystorów MOSFET z ideową reprezentacją pasożytniczej diody w strukturze elementu.


    Ograniczanie przewodności tej pasożytniczej diody w tranzystorze przekłada się na mniejszy prąd przez nią płynący i w konsekwencji na mniejsze straty na tym elemencie, ponieważ w typowych warunkach spadek napięcia na tej diodzie jest wyższy niż różnica potencjałów pomiędzy drenem a źródłem, gdy tranzystor jest w stanie przewodnictwa. Jako że P = I x U (gdzie P to moc - w tym wypadku strat, I to prąd a V to spadek napięcia na elemencie, w tym wypadku pasożytniczej diodzie), to dla tego samego prądu, im spadek napięcia jest wyższy, tym straty mocy na diodzie większe. Dla tych samych prądów straty mocy na samym tranzystorze, tj. na rezystancji jego kanału, są o wiele mniejsze; dioda więc jest jednym z głównych źródeł strat mocy na tranzystorze polowym.

    Opisany powyżej koncept jest szczególnie istotny w układach np. synchronicznych prostowników w elektronicznych układach mocy. Tego rodzaju prostowniki stosuje się do zwiększenia sprawności prostownika - ponieważ eliminowane są z układu diody to straty są istotnie mniejsze, gdyż spadek napięcia na tranzystorach FET jest istotnie mniejszy niż na krzemowych diodach np. mostka Graetza. W tym przypadku zależy nam także na minimalizacji przewodności diod w zastosowanych tranzystorach - przełoży się to na dalsze zwiększanie sprawności prostownika synchronicznego.

    Dla uproszczenia rozważmy tranzystor FET pracujący w synchronicznej przetwornicy typu buck. Pasożytnicza dioda w strukturze tranzystora po niskiej stronie zasilania zostaje spolaryzowana w kierunku przewodnictwa gdy tranzystor po stronie wysokiej wyłącza się, ale w indukcyjności przetwornicy nadal zmagazynowany jest ładunek. Po krótkim czasie martwym, który jest krytycznie ważny, aby uniknąć przypadkowego zwarcia (pół)mostka wyjściowego, załącza się tranzystor po stronie niskiej zasilania i to przez niego zaczyna płynąć prąd - przez jego kanał, nie przez pasożytniczą diodę w jego strukturze. Zasadniczo analogiczna sytuacja ma także miejsce w innych przetwornicach synchronicznych, pracujących z wyjściem w architekturze mostka, ale także w innych układach stosujących taki układ tranzystorów, na przykład w sterownikach silników AC, falownikach itp.

    Niezwykle istotnym parametrem drivera takiego mostka jest prędkość włączania tranzystorów, która bezpośrednio uzależniona jest od czasu propagacji sygnału w danym sterowniku bramki. Czas propagacji definiuje się jako czas pomiędzy podaniem sygnału na wejście sterownika bramki, a momentem w którym zaczyna narastać napięcie na wyjściu drivera. Łatwiej jest zrozumieć to patrząc na rysunek 2, gdzie te zależności czasowe zobrazowani na wykresie.

    W dużym uproszczeniu mówiąc, im szybciej załączamy dany tranzystor FET w półmostku, tym szybciej dioda w jego strukturze przestaje być spolaryzowana w kierunku przewodnictwa, gdy to generuje straty. Im krócej przez diodę płynie prąd, tym sprawność układu będzie wyższa. Im czas propagacji w sterowniku bramek półmostka będzie krótszy, tym szybciej załączane będą sterowane przezeń tranzystory polowe, minimalizując straty na pasożytniczych diodach w strukturze tego elementu.

    Jak osiągnąć wyższą wydajność zasilania - część 2: szybsze drivery bramek
    Rys.2. Diagram przebiegów z zaznaczonymi zależnościami czasowymi. Czas t_PDLH to opisywany powyżej czas propagacji podczas załączania drivera.


    Portfolio driverów bramek FETów firmy Texas Instruments zawiera w sobie wiele nowoczesnych układów, pozwalających na minimalizowanie strat dzięki bardzo krótkim czasom propagacji sygnału. Przykładowe układy opisano w tabeli 1.

    Tab.1. Tabelka z przykładowymi szybkimi driverami tranzystorów firmy Texas Instruments.
    UkładOpisCzas propagacji podczas załączania
    UCC27517A4 A/4 A, szybki driver bramek tranzystorów po niskiej stronie zasilania13ns
    UCC276114 A/6 A, szybki driver bramek tranzystorów po niskiej stronie zasilania14ns
    UCC27201A3 A, 120 V, driver tranzystorów po wysokiej i niskiej stronie zasilania20ns


    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2017/01/31/how-to-achieve-higher-system-efficiency-with-high-speed-gate-drivers-part-two?DCMP=mytinwsltr_03_12_2017&userInfo=QGCFqO4///oIbSWhF5m/JQ==&article_name=app-hvp-hpd-gatedriver-nsl-blog-20170131-wwe&newsletter=12-FEB-17&eloquaCampaignId=522&utm_campaign=myTI%20newsletter%202017-03-12&utm_medium=email&utm_source=Eloqua

    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 9546 postów o ocenie 7611, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #2
    Wertyuud
    Poziom 21  
    Ok, a co z zakłóceniami EMI? Bardzo szybkie przełączanie tranzystorów spowoduję większą ilość generowanych zakłóceń, a z kolei, żeby je zmniejszyć, to trzeba spowolnić sygnały, albo zwiększyć filtrowanie i ekranowanie.
  • #3
    krisRaba
    Poziom 29  
    Wertyuud napisał:
    Ok, a co z zakłóceniami EMI? Bardzo szybkie przełączanie tranzystorów spowoduję większą ilość generowanych zakłóceń, a z kolei, żeby je zmniejszyć, to trzeba spowolnić sygnały, albo zwiększyć filtrowanie i ekranowanie.

    Myślę, że tutaj dużą rolę odgrywa sztuka tworzenia PCB, filtrowanie oraz odpowiednie obudowy elementów. "Kłopotliwe" ścieżki muszą być minimalizowane, tak jak znaleźć można w wielu dokumentacjach kontrolerów przetwornic oraz w dokumentach typu "design guide":
    http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/a...ng_regulator/converter_pcb_layout_appli-e.pdf
    http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an136f.pdf
    http://www.ti.com/lit/an/snva638a/snva638a.pdf

    Nie wiem jak przy większych mocach, ale dla tych mniejszych dodatkowo stosuje się coraz częściej obudowy bez nóżek, co też redukuje "druty" generujące zakłócenia itp.
  • #4
    Wertyuud
    Poziom 21  
    Tak, zgadzam się, ale jednak trzeba pamiętać, że to nie tylko ścieżki na pcb, bo tranzystory przełączające skądś muszą pobierać zasilanie i tym sposobem szybkie zbocza przenoszą się po zasilaniu, więc trzeba dodatkowe/lepsze elementy filtrujące. Jak wiadomo kondensatory często przestają blokować zakłócenia przy wyższych częstotliwościach. Do tego zazwyczaj w przetwornicach są elementy indukcyjne - cewki/transformatory. Komponenty te zazwyczaj trochę odstają od powierzchni płytki i generują pole magnetyczne w okół siebie, więc jest to kolejna droga do przenoszenia zakłóceń. No i na końcu filtracja wyjścia. Może nawet metalowa obudowa będzie wymagana.

    Nie mówię, że zaprezentowane rozwiązanie jest złe, ale opis brzmi jakby to rozwiązanie miało tylko same zalety. Nie wspomniano o dodatkowej trudności związanej ze stosowaniem szybkiego przełączania.
  • #5
    krisRaba
    Poziom 29  
    Fakt, nie wspominają otwartym tekstem o ewentualnych problemach. W tym przypadku targetem jest sprzedaż driverów ;), więc jak widać skupili się na opisie "in plus" co one wnoszą. Jest to zawsze jakiś kompromis i zwykle gdy przyjmujemy dane kryterium optymalizacji (tutaj minimalizacja strat przełączania), to inne parametry mogą ucierpieć. Jeśli chcemy inne parametry utrzymać w ryzach, to często trzeba zwiększyć koszty, np. na wspomniane przez Ciebie lepsze filtrowanie/ekranowanie.
    Fajnie to widać na "pokrętle" narzędzi on-line od TI (Webench) generujących schematy i BOM dla różnorakich topologii przetwornic. Masz bodajże sprawność, koszt elementów i wielkość (w sensie ew. miniaturyzacji). No i ustawiasz na czym Ci zależy... :)
  • #6
    Bojleros
    Poziom 16  
    Jak dla mnie to dobór parametrów obwodu bramkowego oraz prowadzenie w nim ścieżek po jak najmniejszym konturze to podstawa tak samo istotna, jak zblokowanie zasilania drivera kondensatorami o dobrych parametrach dynamicznych. Przy moich przetwornicach pracujących na kilkudziesięciu kHz sam driver raczej nic nowego nie wnosił. Za mała rezystancja bramkowa dawała natomiast efekty, z których ojciec dyrektor byłby dumny.

    Zwiększanie prądu bramkowego wprowadzi także piki na rezystor mierzący prąd drenu. Może być to przyczyną problemów jeżeli sterownik generuje pwm w trybie prądowym.