طراحان محصول باید بتوانند محدودیتهای متعدد را متعادل کنند - اندازه بسته، هزینه، قابلیت اطمینان و زمان عرضه به بازار. چالش اصلی انتخاب منبع تغذیه مناسب برای فضای کوچک مورد نیاز برای کاربردهای مدرن است.
سطوح قدرت جمع و جور و با کارایی بالا به راه حل های درایو گیت سریع و قابل اعتماد متکی است. این راه حل ها از درایوهای جانبی ساده کم فشار تا نسخه های کاملا ایزوله برای محیط های پرفشار را شامل می شود. برای بسیاری از طرح ها، یک درایور دروازه شناور و غیر عایق، مسیری موثر برای موفقیت فراهم می کند.
درایور گیت به عنوان یک وسیله میانی برای انتقال سیگنال های کنترل توان کم، معمولاً از یک میکروکنترلر یا یک کنترل کننده مدولاسیون عرض پالس (PWM)، به یک سوئیچ قدرت بالا که جریان انرژی را تنظیم می کند، عمل می کند. این دستگاه ها سوئیچینگ تمیز، سریع و دقیق را برای بهینه سازی توان خروجی تضمین می کنند.
برای انتخاب درایور گیت مناسب، نیاز به ولتاژ و جریان، توپولوژی و فرکانس سوئیچینگ باید ارزیابی شود. درایوهای همسان کارایی بالا، دقت زمان بندی و پایداری حرارتی را ارائه می دهند که برای سیستم های فشرده و با کارایی بالا ضروری هستند.
مزایای توپولوژی نیم پل
توپولوژی نیم پل یک روش پرکاربرد در تبدیل توان مدرن است که تثبیت ولتاژ کارآمد را در طرح های فشرده امکان پذیر می کند. این توپولوژی متکی بر دو دستگاه سوئیچینگ با سرعت بالا، معمولاً ماسفت ها یا ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT)، برای ولتاژهای ورودی متناوب، تامین ترانسفورماتورها در طرح های ایزوله، یا تامین مستقیم بارها در سیستم های غیر ایزوله است. این توپولوژی به دلیل کارایی و پتانسیل بهینه سازی حرارتی آن ارزشمند است.
آی سی درایور گیت برای کنترل این سوئیچ ها یکپارچه است و به عنوان رابط بین کنترلر و مرحله قدرت عمل می کند. این آی سی سیگنال PWM را به یک سیگنال درایو جریان بالا تبدیل می کند و از سوئیچینگ سریع و دقیق بین ترانزیستورهای سمت ولتاژ بالا و ولتاژ پایین اطمینان حاصل می کند. این عملیات سریع و کارآمد اتلاف انرژی را به حداقل می رساند و عملکرد کلی سیستم را بهبود می بخشد.
در مدار نیم پل، منبع ماسفت سمت ولتاژ بالا به گره سوئیچ متصل می شود که به سرعت بین زمین (0 ولت) و ولتاژ ورودی (مثلا 12 ولت، 48 ولت و غیره) با توجه به دوره سوئیچینگ حرکت می کند. هنگامی که از یک درایور دروازه غیر ایزوله شناور استفاده می شود، درایور جانبی ولتاژ بالا با ولتاژ گره سوئیچ شناور می شود تا تبدیل تمیز و کارآمد حاصل شود.
هنگامی که نیازی به ایزوله نیست، اما ساختار فشرده، سرعت و کارایی در اولویت قرار دارند، درایور دروازه نیمه پل غیرعایق زمین شناور یک راه حل ایده آل است. این درایورها برای کنترل سوئیچ های ماسفت سمت ولتاژ بالا و پایین طراحی شده اند و از پیچیدگی جداسازی اجتناب می کنند و عملکرد سوئیچینگ دقیق را تضمین می کنند. از آنجایی که این نوع درایو هیچ جداسازی قدرتی بین منطق کنترل و سطح توان ایجاد نمی کند، در سیستمی که همه اجزا در آن مشترک هستند بهترین عملکرد را دارد.
یک خازن بوت استرپ معمولاً برای تولید ولتاژ درایو گیت مورد نیاز برای MOSFET سمت ولتاژ بالا مورد نیاز است. خازن زمانی شارژ می شود که سوئیچ سمت LV روشن باشد. هنگامی که سوئیچ سمت ولتاژ بالا باز می شود، خازن برق را تامین می کند.
هنگامی که ماسفت سمت ولتاژ پایین روشن می شود، گره سوئیچینگ به زمین کشیده می شود و به یک مدار خازن دیود کوچک اجازه می دهد تا خازن بوت استرپ را از ریل برق شارژ کند. هنگامی که ماسفت سمت ولتاژ بالا نیاز به روشن شدن دارد، راننده با استفاده از شارژهای ذخیره شده، گیت را به ولتاژی بالاتر از گره سوئیچ، معمولاً 10 تا 15 ولت هدایت می کند.
طراح باید اطمینان حاصل کند که فرکانس باز شدن کلید در سمت ولتاژ پایین برای شارژ خازن بوت استرپ کافی است. در کاربردهای چرخه کاری بالا، ممکن است به اقدامات احتیاطی بیشتری نیاز باشد، مانند انتخاب مقدار ظرفیت خازنی مناسب و به حداقل رساندن افت ولتاژ در سراسر دیود بوت استرپ.
با استفاده از معماری بوت استرپ و ردیابی ولتاژ گره سوئیچ، درایور نیمه پل غیر ایزوله زمین شناور نه تنها از پیچیدگی دستیابی به ایزوله جلوگیری می کند، بلکه کنترل جانبی ولتاژ بالا قوی را تضمین می کند. این ساده و کارآمد است و برای برنامه های سوئیچینگ فرکانس بالا مانند مبدل های کاهنده و افزایش دهنده، تنظیم کننده های ولتاژ سنکرون، درایورهای موتور و تقویت کننده های صوتی کلاس D ایده آل است.
آی سی درایور گیت مناسب را انتخاب کنید
انتخاب درایورهای دروازه مناسب برای اطمینان از عملکرد کارآمد، قابل اعتماد و ایمن سطح توان، به ویژه در کاربردهای سوئیچینگ با سرعت بالا مانند مبدل های کاهنده، درایورهای موتور و سیستم های تولید برق خورشیدی ضروری است. در حالی که اصول اساسی درایو گیت به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، معیارهای انتخاب خاصی بسته به نیاز سیستم اهمیت ویژه ای پیدا می کنند.
به عنوان مثال، در سیستم های تبدیل خورشیدی و باتری، درایور دروازه باید با تغییرات زیاد ولتاژ ورودی و تغییر شرایط بار سازگار شود. ولتاژ نامی سمت ولتاژ بالا با حاشیه کافی برای مقاومت در برابر نوسانات ریل برق کامل و اطمینان از قابلیت اطمینان طولانی مدت مورد نیاز است.
مصونیت گذرا حالت مشترک (CMTI) یکی دیگر از ملاحظات مهم است. رویدادهای سوئیچینگ سریع تفاوت های ولتاژ شدیدی بین ماسفت های سمت ولتاژ بالا و فشار ضعیف ایجاد می کند و باعث ایجاد نویز و زنگ می شود. درایورهای گیت با CMTI بالا در محیط های پر سر و صدا عملکرد پایدارتری دارند.
اوج جریان درایو نیز مهم است، به ویژه در کاربردهای توان بالا. درایور باید جریان کافی برای شارژ سریع گیت ماسفت و غلبه بر ظرفیت انگلی برای کاهش تلفات سوئیچینگ و بهبود عملکرد حرارتی فراهم کند.
در نهایت، کنترل زمان مرده نقش کلیدی در توپولوژی نیم پل ایفا می کند. اگر بین بستن یک سوئیچ و باز کردن یک سوئیچ تاخیر کوتاهی وجود نداشته باشد، خرابی رخ می دهد، یعنی دو ماسفت به طور همزمان روشن هستند. بسیاری از درایورهای گیت دارای تنظیمات زمان مرده داخلی یا قابل تنظیم هستند تا از این مشکل جلوگیری کنند و عملکرد ایمن و کارآمد را در شرایط بار متفاوت ارائه دهند.
سری LTC706x از ADI
سهولت استفاده و قابلیت سوئیچینگ با سرعت بالا درایوهای نیمه پل شناور و غیر ایزوله بهترین راه حل برای بسیاری از طرح ها است. دستگاه های آنالوگ، شرکت (ADI) طیف گسترده ای از ویژگی های ولتاژ بالا را ارائه می دهد که برای برنامه های کاربردی طراحی شده اند.
درایور دروازه نیمه پل غیر ایزوله زمین شناور LTC706x (شکل 1) ADI یک راه حل چند منظوره برای رفع نیازهای تبدیل توان با سرعت بالا و ولتاژ بالا ارائه می دهد. بسته جمع و جور کنترل دقیق زمان، حفاظت از خرابی و نیروی محرکه قدرتمند را برای برآورده کردن نیازهای برنامه های مختلف از خودرو تا کنترل صنعتی فراهم می کند.