Guida alla selezione e progettazione di driver MOSFET a ponte completo

Creato: febbraio 11, 2022
Aggiornato: giugno 25, 2023

La fornitura di energia con tensione e corrente DC stabili è critica per regolatori/convertitori di potenza, driver di motori e altre applicazioni come circuiti di illuminazione e generazione di impulsi. Molti progettisti che lavorano su sistemi di potenza inferiore potrebbero essere tentati di provare a scalare una topologia di convertitore di potenza inferiore a un sistema di potenza superiore, ma ciò non si rivela vantaggioso per il progettista. Tentare di fornire energia con una topologia di convertitore/regolatore standard porta inevitabilmente a guasti dei componenti, fornitura di potenza insufficiente o un sistema sovradimensionato con bassa efficienza.

Per la fornitura di potenza DC da moderata ad alta, una topologia a ponte è una scelta migliore, specificamente una topologia a ponte completo con MOSFET. I MOSFET utilizzati come elementi di commutazione forniscono bassa resistenza allo stato acceso, bassa dissipazione di potenza, alta tensione di rottura e alta corrente di saturazione rispetto agli IGBT comparabili. L'uso dei MOSFET in questa topologia richiede un driver MOSFET a ponte completo per commutare i transistor con un segnale PWM. Questi componenti possono essere altamente integrati con ingombro ridotto per pilotare carichi ad alta corrente, offrendo ai progettisti un'opzione compatta per i loro prodotti.

Comprendere i Driver MOSFET a Ponte Completo

La topologia standard utilizzata per la fornitura di potenza nei motori di grado commerciale e nei convertitori di potenza è una delle molte topologie di commutazione. I progettisti di convertitori di commutazione sono probabilmente familiari con le topologie standard buck, boost, buck-boost e flyback, dove uno o più transistor di commutazione sono utilizzati per regolare l'uscita di potenza e impostare il livello di tensione di uscita. Questi componenti sono altamente integrati poiché questi sistemi non sono generalmente utilizzati per la conversione DC-DC di alta potenza o la fornitura di potenza nei motori.

Per capire perché questi componenti sono importanti e come vengono utilizzati, è utile guardare alle due applicazioni più comuni dei driver MOSFET a ponte completo: convertitori risonanti LLC e azionamenti per motori.

Esempio: Convertitore Risonante LLC a Ponte Completo

Invece, i convertitori di alta potenza e i driver di motori utilizzano una configurazione a mezzo ponte o a ponte completo di transistor di commutazione. I componenti driver per motori e convertitori di potenza sono progettati per commutare ciascun lato del circuito a ponte completo o a mezzo ponte con un segnale PWM, fornendo energia al carico. I driver di gate a ponte completo per MOSFET ad alta potenza integrano essenzialmente più driver di gate IC per un singolo transistor su un unico chip. Il diagramma del circuito qui sotto mostra un IC driver a ponte completo con quattro MOSFET utilizzati come elemento di commutazione in un convertitore risonante LLC.

In questo sistema, il compito del driver a ponte completo è di amplificare un segnale PWM e utilizzarlo per commutare i quattro transistor ON e OFF; solo due transistor sono accesi in un dato momento. In questa topologia, sul lato della bobina primaria, il driver IC commuta contemporaneamente i transistor del lato alto sinistro e del lato basso destro ON, mentre gli altri transistor rimangono OFF. Nel ciclo successivo, gli stati di tutti e 4 i transistor si scambiano. Infine, sul lato secondario della bobina, la tensione di uscita viene raddrizzata con diodi per fornire una tensione DC stabile.

Come in qualsiasi altra topologia di convertitore, la corrente di uscita può essere rilevata e riportata in ingresso, che può poi essere utilizzata per regolare il segnale PWM per garantire una regolazione stabile. Qualsiasi funzione di controllo, inclusa qualsiasi funzionalità di abilitazione sul driver MOSFET a ponte completo, è implementata in un MCU o logica specializzata. Una topologia molto simile può essere utilizzata per fornire una regolazione di potenza stabile in grandi motori DC.

Nell'applicazione di conversione di potenza sopra descritta, potremmo implementare un puro mezzo ponte (ad es., convertitore risonante LLC a mezzo ponte). I driver a mezzo ponte e a ponte completo possono essere utilizzati nei circuiti di azionamento dei motori, come vedremo di seguito.

Esempio: Driver MOSFET a Ponte Completo Singolo vs. Doppio Mezzo Ponte per Azionamenti Motori

Due implementazioni comuni di azionamento motori con potenza DC stabile e regolabile sono con driver a ponte completo e a mezzo ponte. Due esempi con azionamento a mezzo ponte e a ponte completo per un motore sono mostrati nei diagrammi qui sotto.

In questo esempio, i driver a doppio mezzo ponte devono essere selezionati con attenzione affinché il segnale di azionamento passi al secondo driver IC. Alcuni componenti abilitano questo per impostazione predefinita, come MAX14871 di Maxim Integrated. Se ciò non è abilitato nel componente driver, sarà necessario inviare il segnale PWM al secondo IC in parallelo. Inoltre, è importante notare gli stati dei MOSFET nella configurazione a mezzo ponte; gli stati dei MOSFET superiore e inferiore su ciascun lato sono invertiti per fornire la corrente richiesta nel motore.

In contrasto, il pannello sulla destra mostra la stessa implementazione ma con un driver MOSFET a ponte completo. In questo circuito, l'uscita dal driver IC commuta i MOSFET a coppie utilizzando un singolo segnale PWM da un MCU. Questa opzione altamente integrata riduce il numero di componenti richiesti e può ancora essere utilizzata con un feedback preciso per il controllo della velocità o della potenza.

Driver a Ponte Completo vs. Driver di Gate

Un driver IC di gate fornisce una funzione molto simile a quella di un driver a ponte completo: commuta un MOSFET tra gli stati ON e OFF. Ci sono alcune differenze in termini di come questi componenti sono implementati in un design. Mentre un driver a ponte completo è specificamente progettato per una configurazione fissa con quattro MOSFET, un driver di gate può commutare singoli MOSFET senza richiedere la sincronizzazione con altri driver di gate. Da notare che si potrebbe creare un circuito driver MOSFET a ponte completo utilizzando quattro driver di gate MOSFET. Quale scegliere dipende dalla tensione di alimentazione che è necessario commutare per i MOSFET, e dal livello di integrazione necessario nel componente.

Selezione dei Componenti Driver MOSFET a Ponte Completo

La corrente di uscita è probabilmente la specifica più importante da considerare, e questa specifica dovrebbe essere confrontata con le specifiche dei tuoi transistor. Ecco alcune altre specifiche importanti che dovresti esaminare quando selezioni un circuito integrato driver per gate:

Integrazione. Alcuni driver MOSFET a ponte completo includeranno i MOSFET sul die. Questi componenti dissiperanno direttamente potenza sul chip e avranno una certa valutazione di corrente di saturazione.
Tensione di alimentazione. La specifica della tensione di alimentazione determina la profondità con cui i MOSFET possono essere commutati tra gli stati ON e OFF.
Opzione doppio mezzo ponte. Alcuni driver per gate a ponte completo possono essere utilizzati come due driver indipendenti a mezzo ponte (vedi l'applicazione di controllo del motore sopra).
Gamma di frequenza PWM e ciclo di lavoro. Questi parametri sono importanti in qualsiasi convertitore o driver a commutazione. In particolare, il ciclo di lavoro determinerà la potenza media fornita, mentre la frequenza può influenzare il guadagno e l'impedenza nel componente del carico, in particolare nei carichi induttivi trovati nel controllo del motore e nei prodotti di potenza.
Valutazione della temperatura. Questi componenti potrebbero operare ad alta potenza, o potrebbero operare vicino ad altri componenti che dissipano alta potenza. Considera la valutazione della temperatura e qualsiasi strategia di raffreddamento che potresti dover implementare nel tuo sistema. Se il driver include MOSFET integrati, allora probabilmente avrai bisogno di un certo livello di raffreddamento termico nel tuo design per evitare che il componente si surriscaldi e fallisca.

Assicurati di abbinare attentamente il tuo componente driver, i MOSFET esterni (se non integrati sul die del driver), il generatore PWM e qualsiasi componente utilizzato nel circuito di feedback.

Un confronto tra due driver MOSFET a ponte completo

Il driver per gate MOSFET a ponte completo L6203 di STMicroelectronics mostra il tipo di integrazione coinvolta in questi componenti e come forniscono alta potenza. Questo componente è progettato per pilotare piccoli motori e include un arrangiamento MOSFET a ponte H integrato con una tensione di uscita fino a 48 V a corrente moderatamente alta (5 A di picco, 4 A RMS). Il L6203 include un riferimento di tensione interno per una regolazione precisa, un circuito di spegnimento termico e un pin di abilitazione da un controller esterno. Una resistenza di sensore può essere collegata per fornire feedback per il controllo del motore. I pin di ingresso e abilitazione possono anche essere modulati per fornire un taglio a una o due fasi per un motore esterno.

Un componente comparabile è il TLE7181EMXUMA1 di Infineon. Dal diagramma a blocchi qui sotto, vediamo che questo componente può essere configurato per la guida doppio mezzo ponte o ponte completo con 2 o 4 MOSFET, rispettivamente. Questi MOSFET esterni sono utilizzati per azionamenti di motori DC ad alta corrente in reti di alimentazione a 12 V (fino a 34 V di tensione di alimentazione) ad alta corrente. Per garantire l'affidabilità e prevenire danni ai componenti a valle, è presente un circuito di protezione completo che fornisce protezione da sotto/sopratensione, sovracorrente, sovratemperatura e cortocircuito. Inoltre, è presente un regolatore integrato per garantire un'uscita stabile.

Questi due componenti presentano livelli variabili di integrazione e funzionalità integrate, ma sono buoni esempi di ciò che si può aspettare dai tipici componenti driver MOSFET a ponte completo. L'L6203 integra tutto sul die e offre una soluzione a ingombro ridotto, ma l'uscita di potenza è limitata dai MOSFET integrati. La dissipazione del calore avviene direttamente nel componente, quindi potrebbero essere necessarie misure di raffreddamento per prevenire il surriscaldamento.

In contrasto, il TLE7181EMXUMA1 può essere utilizzato con una gamma di potenze, che saranno limitate dal prelievo del motore, dai limiti di corrente dei MOSFET esterni e dall'alimentazione utilizzata con i MOSFET esterni. In generale, il driver più il suo circuito ponte esterno occupano più spazio, ma si può ottenere più potenza.

Altri Componenti per Driver di Motori e Sistemi di Alimentazione

I componenti mostrati sopra sono componenti di driver di motori altamente integrati, ma ci sono sempre altri componenti di cui avrai bisogno per fornire un'alimentazione stabile a un motore o a un convertitore di potenza. Componenti per controllare/abilitare il circuito di azionamento, fornire il segnale PWM, rilevare e regolare l'uscita di potenza e fornire la filtrazione per garantire che l'alimentazione pulita e priva di rumore sia consegnata al carico nel sistema.

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