Design eines isolierten DC-DC-Wandlers mit halber Brücke

Erstellt: März 4, 2022
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Obwohl fast die gesamte Netzstromversorgung direkt als Wechselstrom erzeugt wird, basieren die Elektronikgeräte, die wir täglich verwenden, auf Gleichstrom. Neuere Technologien in den Bereichen alternative Energie, Elektrofahrzeuge, Infrastruktur, Motorsteuerung und Robotik setzen auf Stromwandler, die einen Wechselstromeingang gleichrichten können, um ihn in einen Gleichstrom umzuwandeln und diesen mit hoher Effizienz und hoher Leistungsdichte in die erforderliche Standardspannung zu konvertieren. In diesen fortschrittlichen Technologien sind die Leistungsdichte und Effizienz sehr wichtig, da diese Systeme alle auf eine hohe Leistungsabgabe mit schneller Reaktionszeit bei einer Standardspannung angewiesen sind.

Die Auswahl der Topologie des DC-DC-Wandlers ist sehr wichtig, da sie die Leistungsdichte und das erforderliche Regulierungsniveau bestimmt, sowie die absolute Menge an Leistung, die aus dem System gewonnen werden kann. Die modernen Anwendungen, die ich oben erwähnt habe, setzen auf isolierte Halbbrücken-DC-DC-Wandler, um das Bedürfnis nach einer hocheffizienten Stromversorgung bei Standardspannungen mit Kosten und Platzbedarf in Einklang zu bringen.

Warum sollte man eine Halbbrücken-Topologie einer anderen Topologie wie der Vollbrücke vorziehen? Wenn wir die Designpunkte rund um die Halbbrücken-Topologie betrachten, sollten einige ihrer Vorteile gegenüber Vollbrücken-Topologien deutlich werden. Wir werden diese Punkte untersuchen und einige Beispielkomponenten zeigen, die Sie verwenden können, um Ihr eigenes Design eines isolierten Halbbrücken-DC-DC-Wandlers zu implementieren.

Die isolierte Halbbrücken-Topologie

Halbbrücken-DC-DC-Wandler-Schaltungen haben einige gemeinsame Elemente, die im System erscheinen und das Ansteuern, Gleichrichten, Filtern, die EMI-Reduktion und die Steuerung implementieren:

Koppelelement: Dies bezieht sich allgemein auf einen Puls-/Leistungstransformator oder einen Optokoppler. Die Wahl des Schaltelements hängt von der Leistungsabgabe ab und davon, wo das Koppelelement platziert ist und welches Signal an den Ausgang gekoppelt wird. Beachten Sie, dass der Kopplungsmechanismus in den Gate-Treiber integriert sein könnte.
Schaltelement: In der Vergangenheit wären dies bipolare Si-Transistoren gewesen, aber neuere Systeme verwenden GaN- oder SiC-FETs als Schaltelemente, um eine hocheffiziente Leistungsumwandlung zu gewährleisten.
Gate-Treiber-Schaltung: Der Treiber ist normalerweise ein hochintegrierter PWM-Generator, der je nach den Gate-Ansteuerungscharakteristiken der Schalt-FETs auf Logikpegeln arbeiten könnte. Diese Komponenten haben manchmal einen integrierten Stromsensierungsstift, und der Treiber wird die Ausgabe anpassen, sollten irgendwelche Schwankungen auftreten.
Dioden: Diese gleichrichtenden Elemente befinden sich normalerweise auf der Ausgangsseite, wenn die Antriebsschaltung/FETs auf der Eingangsseite platziert sind, oder umgekehrt. Diese sorgen dafür, dass der Ausgangsstrom immer in dieselbe Richtung fließt, unabhängig von der Richtung des Eingangsstroms.

Einige Beispielentwürfe von isolierten Halbbrücken-DC-DC-Wandlern sind unten gezeigt. Sie werden bemerken, dass das Koppelelement entweder das Gate-Ansteuersignal oder die Leistung an den Ausgang koppeln könnte.

Ich habe kein Feedback zur Treiberschaltung hinzugefügt, um die obigen Bilder nicht zu überladen. Sie könnten jedoch definitiv eine Rückkopplungsschleife über einen Strommesswiderstand und einen Strommessverstärker einbeziehen. Einige hochintegrierte Treiberkomponenten haben dies bereits integriert, da sie nicht hoch konfigurierbar sind, was bedeutet, dass sie bestimmte FETs antreiben, um spezifische Spannungspegel an die Last zu liefern. In allen Schaltungen, bei denen die Antriebsstufe auf der Eingangsseite liegt, würden Sie Optokoppler benötigen, um die Lücke zu überbrücken.

Leistungs- oder Gate-Treiberkopplung?

Diese Beispiele implementieren zwei Arten von Kopplungen: Leistungskopplung und Gate-Treiberkopplung. Nur die Implementierung oben links koppelt die Leistung direkt an den Ausgang, daher würde sie für die Lieferung hoher Leistung an eine Last verwendet. Die Dioden müssten eine hohe Rückwärtsdurchbruchspannung aufweisen. Die Ausgangsdrossel (L1) müsste auch einen sehr niedrigen Gleichstromwiderstand/hohe Strombewertung haben, um die gelieferte Leistung zu bewältigen. Dieses System könnte im Step-Up- oder Step-Down-Modus verwendet werden, abhängig von den Anforderungen der Last. Dieses System würde typischerweise als eigenständige Platine implementiert, wie in einem dedizierten Netzteil.

Alle anderen oben gezeigten Methoden koppeln ein Gate-Treibersignal oder ein Gate-Aktivierungssignal. Im Fall, dass das Gate-Treibersignal gekoppelt wird, wird normalerweise ein Optokoppler verwendet, vorausgesetzt, das Gate-Treiber ist auf Logikpegeln, obwohl auch Transformatoren verwendet werden könnten. All dies könnte in den Gate-Treiberkreis integriert werden; es muss nicht in separaten Komponenten platziert werden, es sei denn, das Überschreiten von Leistungsbewertungen ist von Bedeutung.

Isolierung implementieren

Isolierung wird benötigt, wenn der Ausgangsstrom sehr hoch ist. Diese Schaltungen variieren in Bezug darauf, wie Isolierung in Bezug auf Komponenten implementiert wird. In Bezug auf das PCB-Layout ist die Implementierung der Isolierung einfach; Sie teilen einfach die Massefläche in zwei Netze zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite des Systems. Dies schafft zwei verschiedene Sätze von Stromschleifen auf jeder Seite des Systems (Eingang/Ausgang oder Primär/Sekundär).

Gate-Treiberkopplung

In Schaltungen mit Gate-Treiberkopplung wird die Isolierung auf drei mögliche Arten implementiert: mit einem Optokoppler, einem Transformator oder innerhalb des Gate-Treiberkreises unter Verwendung von Sperrschichtisolierung. Die genaue Methode, die verwendet werden sollte, hängt davon ab, wie die Leistung über die Lücke gekoppelt wird. Wenn es nur das Gate-Treibersignal ist, welches niedrige Spannung/Strom haben wird, dann wäre ein Optokoppler oder eine isolierte Sperrschicht angemessen. Ein Optokoppler könnte verwendet werden, um nur das Aktivierungssignal zu koppeln, das eine Treiberkomponente einschaltet (unten links in den Beispielen oben), oder das PWM-Signal könnte über die Isolationslücke gekoppelt werden, entweder mit Optokopplern oder kleinen Transformatoren (beide Schaltungen rechts).

In allen drei Fällen mit Gate-Treiber-Kopplung oben besteht die Funktion des DC-DC-Wandlers effektiv darin, die Leistungsübertragung von einer Quelle auf der Ausgangsseite zu modulieren. Die „Last“ in den oben genannten Fällen wäre dann die standardmäßige Gleichrichtungsstufe in einem Buck-/Boost-Wandler oder möglicherweise ein Flyback-Wandler mit einem zusätzlichen Transformator. Dies wird dann den pulsierenden Ausgang nehmen und ihn in eine stabile Gleichspannung umwandeln.

Leistungskopplung

Wenn die Leistung direkt an den Ausgang gekoppelt wird, wird sie auf der Primärseite des Transformators geschaltet und dann an die Ausgangsseite gekoppelt. Die Lücke in der Masseebene müsste direkt zwischen den Transformatorspulen auf typische Weise platziert werden. Ein Beispiel für diese Implementierung wird unten gezeigt, wo die Leistung vollständig durch das V_IN-Netz bereitgestellt wird. Dies sollte erklären, warum die Implementierung des Halbbrücken-Treibers auf der Primärseite normalerweise in einem isolierten Netzteil-Design zu finden wäre.

Die GND-Netze müssten auch mit einem Sicherheitskondensator, wie einem Y-Typ-Kondensator, verbunden werden. Der Kondensator sollte über die Masse-Lücke zwischen beiden Abschnitten des Wandlers platziert werden, und er sollte eine Kapazität haben, die die Wicklungskapazität jedes für die Kopplung verwendeten Transformators übersteigt. Stellen Sie sicher, dass der Leckstrom des Kondensators nicht zu groß ist, da dies einen leichten Schock für den Benutzer verursachen kann, sollte er mit dem Masseanschluss auf der Ausgangsseite interagieren.

Welche Arten von FETs verwenden?

Die Wahl des FET ist auch in den oben genannten Topologien wichtig, da dies effektiv die Betriebsgrenzen des Wandlers als Leistungsübertragungsgerät bestimmen wird. In den oben genannten Implementierungen beeinflusst die Art des verwendeten FETs nicht das Gesamtdesign der Schaltung, zumindest nicht in Bezug auf seine Topologie. Stattdessen sollte der FET (GaN, GaAs, SiC usw.) basierend auf der erforderlichen Spannung oder Schaltgeschwindigkeit ausgewählt werden, insbesondere wenn die Leistung direkt durch den Ausgang gezogen wird. Die insgesamt an das Gerät zu liefernde Leistung spielt auch eine Rolle, da diese Komponenten schnell überhitzen können, wenn sie verwendet werden, um übermäßige Spannungen zu liefern.

Halbbrücken- vs. Vollbrücken-DC-DC-Wandler

Eine Vollbrücken-Topologie folgt den gleichen konzeptionellen Ideen bezüglich Schaltung und Gleichrichtung in einem Halbbrücken-Wandler, verwendet aber eine H-Brücken-Anordnung im MOSFET-Bank, um die Schaltung zu implementieren. Mit anderen Worten, dies erfordert mindestens 4 Transistoren mit einer koordinierten Ansteuerschaltung. Genau wie bei einem Halbbrücken-DC-DC-Wandler könnte die Steuerung durch eine Rückkopplungsschleife implementiert werden, indem der Ausgang über einen Strommesswiderstand zurück zum Treiberkreis geführt wird. Das PWM-Signal des Treibers kann dann angepasst werden, um für die Phasenvarianz des Ausgangs oder das Absinken der Ausgangsspannung zu kompensieren.

Normalerweise würden Vollbrücken-DC-DC-Wandler in einer resonanten LLC-Topologie mit der MOSFET-Bank auf der Primärseite eines Impulstransformators verwendet werden. Sie könnten jedoch definitiv die MOSFET-Bank auf der Ausgangsseite des Systems platzieren. Die Tabelle bietet einen Vergleich der Optionen von Vollbrücken- und Halbbrücken-DC-DC-Wandlern mit einigen ihrer Vor- und Nachteile.

Aus der obigen Tabelle können wir kurz die Kompromisse bei der Verwendung einer Vollbrücken- vs. Halbbrücken-DC-DC-Wandler-Topologie zusammenfassen. Die Vollbrücken-Topologie kann eine höhere Ausgangsleistung als eine Halbbrücken-Topologie erreichen; um die beiden gleichzusetzen, müssten Sie möglicherweise parallele FETs in der Halbbrücken-Anordnung verwenden, wobei die Banken auf der Ausgangsseite platziert sind. Der Kompromiss für höhere Leistung und geringeres Rauschen ist jedoch potenziell doppelt so viel Schaltungsrauschen und der Bedarf an physisch größeren induktiven Komponenten, wann immer sie am Leistungsausgangsknoten im System implementiert werden. Der Fußabdruck ist auch für das Vollbrückensystem größer, teilweise aufgrund der größeren Anzahl von MOSFETs, aber auch aufgrund der Gate-Treiber-Stufe.

Komponentenauswahl für Halbbrücken-Wandler

Offensichtlich gibt es viele Komponenten zu berücksichtigen, wenn man Teile für ein Halbbrücken-isoliertes DC-DC-Wandler-Design auswählt. Viele Halbleiterunternehmen haben Produktportfolios entwickelt, die speziell Halbbrücken- und Vollbrücken-Topologien mit hocheffizienten FETs und integrierten Antriebs-/Steuerungsschaltungen anvisieren, um eine sehr präzise Regelung zu gewährleisten, selbst wenn es zu einem Einbruch in der Eingangsspannung kommt. Einige der Komponenten, die Sie für Ihren DC-DC-Stromwandler benötigen, finden Sie in unseren anderen Leitfäden:

Wenn Sie Komponenten für Ihr Halbbrücken-isoliertes DC-DC-Wandler-Design finden müssen, nutzen Sie die fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart. Wenn Sie Octoparts Elektronik-Suchmaschine verwenden, haben Sie Zugang zu aktuellen Distributoren-Preisdaten, Teilebeständen und Teilespezifikationen, und das alles frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die benötigten Komponenten zu finden.

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