Guide de sélection et de conception de pilote de MOSFET en pont complet

La fourniture d'énergie avec une tension et un courant DC stables est cruciale pour les régulateurs/convertisseurs de puissance, les pilotes de moteurs et d'autres applications telles que l'éclairage et les circuits de génération d'impulsions. De nombreux concepteurs travaillant sur des systèmes de faible puissance peuvent être tentés d'essayer de dimensionner une topologie de convertisseur de faible puissance à un système de plus haute puissance, mais cela ne tourne pas à l'avantage du concepteur. Essayer de fournir de l'énergie avec une topologie de convertisseur/régulateur standard conduit inévitablement à une défaillance des composants, une livraison de puissance insuffisante, ou un système surdimensionné avec une faible efficacité.

Pour la fourniture de puissance DC de modérée à élevée, une topologie en pont est un meilleur choix, spécifiquement une topologie en pont complet avec des MOSFETs. Les MOSFETs utilisés comme éléments de commutation offrent une faible résistance à l'état passant, une faible dissipation de puissance, une haute tension de claquage et un courant de saturation élevé par rapport aux IGBTs comparables. Utiliser des MOSFETs dans cette topologie nécessite un pilote de MOSFET en pont complet pour commuter les transistors avec un signal PWM. Ces composants peuvent être hautement intégrés avec une petite empreinte pour piloter des charges à courant élevé, offrant aux concepteurs une option compacte pour leurs produits.

Comprendre les pilotes de MOSFET en pont complet

La topologie standard utilisée pour la fourniture de puissance dans les moteurs de qualité commerciale et les convertisseurs de puissance est l'une des nombreuses topologies de commutation. Les concepteurs de convertisseurs à commutation sont probablement familiers avec les topologies standard de convertisseurs abaisseur, élévateur, abaisseur-élévateur et flyback, où un ou plusieurs transistors de commutation sont utilisés pour réguler la sortie de puissance et définir le niveau de tension de sortie. Ces composants sont hautement intégrés car ces systèmes ne sont généralement pas utilisés pour la conversion DC-DC de haute puissance ou la fourniture de puissance dans les moteurs.

Pour voir pourquoi ces composants sont importants et comment ils sont utilisés, il est utile de regarder les deux applications les plus courantes des pilotes de MOSFET en pont complet : les convertisseurs résonnants LLC et les entraînements de moteurs.

Exemple : Convertisseur résonnant LLC en pont complet

À la place, les convertisseurs de haute puissance et les pilotes de moteurs utilisent une configuration en demi-pont ou en pont complet de transistors de commutation. Les composants pilotes pour les moteurs et les convertisseurs de puissance sont conçus pour commuter chaque côté du circuit en pont complet ou demi-pont avec un signal PWM, fournissant de l'énergie à la charge. Les pilotes de grille en pont complet pour MOSFETs de haute puissance intègrent essentiellement plusieurs circuits intégrés de pilote de grille pour un transistor individuel sur une seule puce. Le schéma ci-dessous montre un circuit intégré de pilote en pont complet avec quatre MOSFETs utilisés comme élément de commutation dans un convertisseur résonnant LLC.

Dans ce système, le travail du pilote de pont complet est d'amplifier un signal MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) et de l'utiliser pour commuter les quatre transistors en ON et OFF ; seulement deux transistors sont activés à un moment donné. Dans cette topologie, du côté de la bobine primaire, le circuit intégré pilote active simultanément les transistors du côté haut gauche et du côté bas droit, tandis que les autres transistors restent désactivés. Dans le cycle suivant, l'état des 4 transistors change. Enfin, du côté secondaire de la bobine, la tension de sortie est redressée avec des diodes pour fournir une tension continue stable.

Comme pour toute autre topologie de convertisseur, le courant de sortie peut être détecté et renvoyé à l'entrée, ce qui peut ensuite être utilisé pour ajuster le signal MLI afin d'assurer une régulation stable. Toutes les fonctions de contrôle, y compris toute fonction d'activation sur le circuit intégré pilote de MOSFET de pont complet, sont implémentées dans un MCU ou une logique spécialisée. Une topologie très similaire peut être utilisée pour fournir une régulation de puissance stable dans de grands moteurs à courant continu.

Dans l'application de conversion de puissance ci-dessus, nous pourrions implémenter un demi-pont pur (par exemple, un convertisseur résonant LLC demi-pont). Les pilotes de demi-pont et de pont complet peuvent être utilisés dans les circuits de commande de moteur, comme nous le verrons ci-dessous.

Exemple : Pilote MOSFET de Pont Complet Unique vs. Double Demi-pont pour Commandes de Moteur

Deux mises en œuvre courantes de la commande de moteur avec une puissance continue stable et ajustable sont avec des pilotes de pont complet et demi-pont. Deux exemples avec des commandes de moteur demi-pont et pont complet sont montrés dans les schémas ci-dessous.

Dans cet exemple, il est nécessaire de sélectionner avec soin les pilotes de demi-pont doubles afin que le signal de commande passe au circuit intégré pilote secondaire. Certains composants permettent cela par défaut, comme le MAX14871 de Maxim Integrated. Si cela n'est pas activé dans le composant pilote, vous devrez envoyer le signal MLI au second CI en parallèle. De plus, faites attention aux états des MOSFETs dans la configuration demi-pont ; les états des MOSFETs supérieurs et inférieurs de chaque côté sont inversés pour fournir le flux de courant requis dans le moteur.

En contraste, le panneau de droite montre la même mise en œuvre mais avec un pilote de MOSFET de pont complet. Dans ce circuit, la sortie du circuit intégré pilote commute les MOSFETs par paires en utilisant un seul signal MLI d'un MCU. Cette option hautement intégrée réduit le nombre de composants requis et peut toujours être utilisée avec un retour précis pour le contrôle de la vitesse ou de la puissance.

Pilote de Pont Complet vs. Pilote de Porte

Un circuit intégré pilote de porte offre à peu près la même fonction qu'un pilote de pont complet : il commute un MOSFET entre les états ON et OFF. Il existe quelques différences en termes de mise en œuvre de ces composants dans une conception. Alors qu'un pilote de pont complet est spécifiquement conçu pour une configuration fixe avec quatre MOSFETs, un pilote de porte peut commuter des MOSFETs individuels sans nécessiter de synchronisation avec un autre pilote de porte. Notez que vous pourriez créer un circuit pilote de MOSFET de pont complet en utilisant quatre pilotes de porte MOSFET. Le choix dépend de la tension d'alimentation que vous devez commuter les MOSFETs, et du niveau d'intégration nécessaire dans le composant.

Sélection des Composants de Pilote de MOSFET de Pont Complet

Le courant de sortie est probablement la spécification la plus importante que vous aurez à examiner, et cette spécification doit être comparée aux spécifications de vos transistors. Voici d'autres spécifications importantes que vous devriez examiner lors de la sélection d'un circuit intégré de commande de grille :

• Intégration. Certains pilotes de MOSFET en pont complet incluront les MOSFETs sur la puce. Ces composants dissiperont directement la puissance sur la puce et auront une certaine capacité de courant de saturation.

• Tension d'alimentation. La spécification de tension d'alimentation détermine à quelle profondeur les MOSFETs peuvent être basculés entre les états ON et OFF.

• Option demi-pont double. Certains pilotes de pont complet peuvent être utilisés comme deux pilotes de demi-pont indépendants (voir l'application de contrôle de moteur ci-dessus).

• Plage de fréquence PWM et cycle de travail. Ces paramètres sont importants dans tout convertisseur ou pilote à commutation. En particulier, le cycle de travail déterminera la puissance moyenne fournie, tandis que la fréquence peut influencer le gain et l'impédance dans le composant de charge, particulièrement dans les charges inductives trouvées dans le contrôle de moteur et les produits de puissance.

• Classe de température. Ces composants peuvent fonctionner à haute puissance, ou ils peuvent fonctionner à proximité d'autres composants qui dissipent une haute puissance. Considérez la classe de température et toute stratégie de refroidissement que vous pourriez devoir mettre en œuvre dans votre système. Si le pilote comprend des MOSFETs intégrés, alors vous aurez probablement besoin d'un certain niveau de refroidissement thermique dans votre conception pour empêcher le composant de surchauffer et de tomber en panne.

Assurez-vous de bien assortir votre composant pilote, les MOSFETs externes (s'ils ne sont pas intégrés sur la puce du pilote), le générateur PWM et tous les composants utilisés dans la boucle de rétroaction.

Une comparaison de deux pilotes de MOSFET en pont complet

Le pilote de grille MOSFET en pont complet L6203 de STMicroelectronics montre le type d'intégration impliqué dans ces composants et comment ils fournissent une haute puissance. Ce composant est conçu pour la commande de petits moteurs et inclut un arrangement MOSFET en H intégré avec jusqu'à 48 V de tension de sortie à un courant modérément élevé (5 A en crête, 4 A RMS). Le L6203 inclut une référence de tension interne pour une régulation précise, un circuit d'arrêt thermique et une broche d'activation depuis un contrôleur externe. Une résistance de détection peut être connectée pour fournir un retour pour le contrôle du moteur. Les broches d'entrée et d'activation peuvent également être modulées pour fournir un hachage à une phase ou à deux phases pour un moteur externe.

Un composant comparable est le TLE7181EMXUMA1 d'Infineon. D'après le schéma bloc ci-dessous, nous voyons que ce composant peut être configuré pour la conduite en demi-pont double ou en pont complet avec 2 ou 4 MOSFETs, respectivement. Ces MOSFETs externes sont utilisés pour des entraînements de moteurs à courant continu à haute intensité dans des réseaux électriques de 12 V (jusqu'à 34 V de tension d'alimentation) à courant élevé. Pour garantir la fiabilité et prévenir les dommages aux composants en aval, il existe un circuit de protection complet qui fournit une protection contre les sous/surtensions, les surintensités, les surtempératures et les courts-circuits. De plus, il y a un régulateur intégré pour assurer une sortie stable.

Ces deux composants présentent des niveaux d'intégration et des fonctionnalités sur puce variés, mais ils sont de bons exemples de ce que vous pouvez attendre de composants typiques de pilotes de MOSFET en pont complet. Le L6203 intègre tout sur la puce et offre une solution à faible empreinte, mais la sortie de puissance est limitée par les MOSFETs sur la puce. La dissipation de la chaleur se fait directement dans le composant, donc des mesures de refroidissement pourraient être nécessaires pour éviter la surchauffe.

En contraste, le TLE7181EMXUMA1 peut être utilisé avec une gamme de puissances, qui sera limitée par la traction du moteur, les limites de courant des MOSFET externes, et l'alimentation utilisée avec les MOSFETs externes. Globalement, le pilote plus son circuit de pont externe prend plus de place, mais vous pouvez obtenir plus de puissance.

Autres composants pour pilotes de moteurs et systèmes d'alimentation

Les composants présentés ci-dessus sont des composants de pilote de moteur hautement intégrés, mais il y a toujours d'autres composants dont vous aurez besoin pour fournir une alimentation stable à un moteur ou un convertisseur de puissance. Des composants pour contrôler/activer le circuit de commande, fournir le signal PWM, détecter et réguler la sortie de puissance, et fournir un filtrage pour assurer une alimentation propre et sans bruit au charge dans le système.

• Amplificateur de détection de courant pour le contrôle de rétroaction de courant élevé

• MCU ou FPGA pour activer et contrôler le système

• Condensateurs haute tension pour le filtrage de l'alimentation électrique

• Contrôleur pour circuits de correction de facteur de puissance à courant/haute tension

Lorsque vous recherchez des pilotes de MOSFET en pont complet avec n'importe quel niveau d'intégration, essayez d'utiliser les fonctionnalités de recherche avancée et de filtration sur Octopart. Vous aurez accès à un moteur de recherche étendu avec des données de distributeurs et des spécifications de pièces, le tout accessible via une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés de gestion de l'alimentation pour trouver les composants dont vous avez besoin pour la conversion, la conditionnement et la gestion de l'alimentation.

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