logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Wpływ sterownika bramki na działanie przetwornicy

ghost666 23 Sty 2018 17:19 2967 3
  • Szczytowe napięcie w fazie na kluczu (VPH) to w synchronicznej przetwornicy typu buck jeden z głównych parametrów określających niezawodność całego zasilacza. Projektanci tego rodzaju urządzeń zazwyczaj dopuszczają, aby oscylacje podczas przełączania kluczy wynosiły do 85..95% maksymalnego napięcia dla danego tranzystora MOSFET. Ten margines konieczny jest, aby zapewnić niezawodne działanie przetwornicy w dłuższym czasie oraz w szerokim zakresie warunków pracy, np. w temperaturach od -40°C do 85°C.

    Z punktu widzenia sterownika bramki tranzystora o amplitudzie oscylacji na wyjściu decyduje prąd sterowania bramki podczas załączania górnego tranzystora FET w mostku (FETUPPER). W poniższym tekście przyjrzymy się jak działa przetwornica dla różnej wartości rezystora ograniczającego prąd płynący do bramki MOSFETa.

    Na rysunku 1 przedstawiono 'górną' część synchronicznej przetwornicy typu buck z jej kluczem i sterownikiem bramki. Do załączenia tranzystora FETUPPER potrzebny jest pewien ładunek, który pochodzi z kondensatora oznaczonego na rysunku CBOOT. Kondensator ten ładowany jest przez opornik RBOOT z wykorzystaniem górnego tranzystora (MOSFET typu P) w sterowniku.

    Wpływ sterownika bramki na działanie przetwornicy
    Rys.1. Uproszczony schemat fragmentu przetwornicy typu buck wokół górnego tranzystora wyjściowego.


    Aby uprościć analizę załóżmy, że RBOOT jest zwarciem (zerowy opór) oraz że MOSFET DUP zachowuje się jak liniowo rosnący opór w czasie załączania klucza FETUPPER. Im wyższa wartość oporu kanału DUP, tym niższe będzie szczytowe napięcie oscylacji, ale także niższa wydajność konwersji całej przetwornicy, z uwagi na fakt, że zwiększą się straty podczas wolniejszego przełączania górnego klucza. Z drugiej strony, im niższy ten opór, tym wyższa wydajność, ale też mocniejsze oscylacje.

    Na rysunku 2 zaprezentowano oscylogram pokazujący oscylacje dla różnej siły sterowników. Przebiegi te zmierzone zostały na płytce uruchomieniowej ze sterownikiem TPS543C20 od Texas Instruments dla napięcia wejściowego równego 12 V, wyjściowego 1 V, częstotliwości przełączania kluczy wynoszącej 500 kHz i obciążenia 40 A. Dla oporu 6 Ω amplituda oscylacji jest o około 5 V wyższa niż dla oporu 8 Ω. Rezystancja ta może być w sterowniku TPS543C20 programowana poprzez interfejs komunikacyjny, taki jak I²C. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne porównanie parametrów pracy urządzenia dla tych samych warunków - zmienia się tylko rzeczona rezystancja, wszystkie pozostałe elementy są takie same.

    Porównajmy teraz zachowanie 6 Ω DUP wraz z różnymi wartościami opornika RBOOT z pracą przetwornicy z 8 Ω DUP. Z punktu widzenia prostej, pierwszorzędowej analizy układu układ z 6 Ω DUP i opornikiem RBOOT = 2 Ω powinien zachowywać się tak samo jak układ 8 Ω DUP. Na rysunku 2 widać także porównanie w pracy z 6 Ω DUP i opornikami RBOOT o oporze 1 Ω, 2 Ω oraz 5 Ω. Jak widać jednakże na oscylogramach - nachylenia narastania napięcia w układzie różnią się między sobą - jest ono szybsze dla 6 Ω DUP niż dla wyższego oporu, niezależnie od zastosowanego RBOOT.

    Można zatem zapytać, czemu układ z 6 Ω DUP i opornikiem RBOOT = 2 Ω nie zachowuje się tak samo jak układ 8 Ω DUP, jeśli chodzi o napięcie szczytowej oscylacji. Wynika to z faktu, że DUP jest tranzystorem MOSFET, a co za tym idzie - elementem dynamicznym, które załącza się w skończonym czasie, co oznacza, że w czasie jego załączania rezystancja kanału zmienia się, a z kolei opornik RBOOT pozostaje statyczny i cały czas ma taki sam opór. Dlatego też tranzystor DUP o mniejszej rezystancji jest szybszy od tego o większej.

    Wpływ sterownika bramki na działanie przetwornicy
    Rys.2. Oscylacje podczas przełączania kluczy w module z kontrolerem TPS543C20.


    Na rysunku 3 zaprezentowana jest z kolei wydajność przetwornicy dla różnych kombinacji elementów. Przedstawione poniżej rezultaty w pełni korelują się z wcześniejszymi założeniami i obserwacjami. Najwyższą wydajność oferuje układ pracujący z najniższą rezystancją tranzystora sterującego bramką klucza, a najniższą wydajność ma układ z najwyższą rezystancją sterownika.

    Wpływ sterownika bramki na działanie przetwornicy
    Rys.3. Zależność wydajności od prądu dla różnej siły sterowników bramki w badanej przetwornicy.


    Jak widać zatem na przedstawionym przykładzie - siła sterownika bramki tranzystora MOSFET jest kluczowa dla uzyskania wysokiej niezawodności i wydajności konwersji przetwornicy. Niewielka nawet zmiana rezystancji w układzie sterowania mostkiem wyjściowym ma istotny wpływ na pracę układu. Zastosowanie kontrolera takiego jak TPS543C20, który umożliwia programowe zmienianie wartości rezystancji sterownika bramki pozwala elastycznie dobrać ją do warunków w przetwornicy, bez konieczności wprowadzenia fizycznych zmian w układzie.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2017/04/11/the-effects-of-gate-driver-strength-in-synchronous-buck-converters

    Fajne? Ranking DIY
    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.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #2 16984286
    coolrob
    Poziom 15  
    W tym artykule brakuje wyjaśnienia co jest przyczyną tych przepięć. Napisane jest, że decyduje o tym rezystancja taka czy inna i projektant musi zdecydować, czy woli większe przepięcia czy wyższą sprawność. To prawda, ale źródłem przepięć jest indukcyjność pasożytnicza obwodu komutacji, czyli oczka kondensator wejściowy - tranzystor górny - tranzystor - dolny. W praktyce - odległość kondensatora od przetwornicy. Jeśli nie da się nic wywalczyć z odległością tego kondensatora to wtedy powinno się zacząć kombinacje z rezystorami, snubberami itd.
  • #3 16994975
    _lazor_
    Moderator Projektowanie
    To dość normalne zjawisko że z wzrostem rezystancji amplituda drgań jest mniejsza, aż do rezystancji krytycznej gdzie drgania nie występują, ale jak wiadomo narost jest większy i straty na przełączaniu znacznie większe (hard switching powinien już odchodzić do lamusa).

    http://home.agh.edu.pl/~kryschna/downloads/RLC.pdf

    Jestem ciekawy jak wyglądają ścieżki od sterownika do kluczy, jakbyś był tak łaskawy i wkleił zdjęcie jak wygląda wykonanie połączenia.
  • #4 16995152
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    _lazor_ napisał:
    To dość normalne zjawisko że z wzrostem rezystancji amplituda drgań jest mniejsza, aż do rezystancji krytycznej gdzie drgania nie występują, ale jak wiadomo narost jest większy i straty na przełączaniu znacznie większe (hard switching powinien już odchodzić do lamusa).

    http://home.agh.edu.pl/~kryschna/downloads/RLC.pdf

    Jestem ciekawy jak wyglądają ścieżki od sterownika do kluczy, jakbyś był tak łaskawy i wkleił zdjęcie jak wygląda wykonanie połączenia.


    Rysunek ścieżek w module znajdziesz tutaj - http://www.ti.com/lit/ug/sluubl7/sluubl7.pdf
REKLAMA