Progettazione di un Convertitore DC-DC Isolato a Mezzo Ponte

Sebbene quasi tutta l'energia elettrica della rete sia generata direttamente come corrente alternata (AC), l'elettronica che usiamo ogni giorno si affida alla corrente continua (DC). Le nuove tecnologie in energia alternativa, veicoli elettrici, infrastrutture, controllo dei motori e robotica si affidano a convertitori di potenza che possono prendere un ingresso AC, raddrizzarlo in DC e convertirlo nella tensione standard richiesta con alta efficienza e alta densità di potenza. In queste tecnologie avanzate, la densità di potenza e l'efficienza sono molto importanti poiché questi sistemi si affidano tutti alla consegna di alta potenza con tempi di risposta rapidi a una tensione standard.

La selezione della topologia del convertitore DC-DC è molto importante poiché determinerà la densità di potenza e il livello di regolazione richiesti, così come la quantità assoluta di potenza che può essere estratta dal sistema. Le applicazioni moderne che ho menzionato sopra si affidano a convertitori DC-DC isolati a mezzo ponte per bilanciare la necessità di consegna di potenza ad alta efficienza a tensioni standard con costi e ingombro.

Perché utilizzare una topologia a mezzo ponte piuttosto che un'altra topologia come il ponte completo? Mentre esaminiamo i punti di progettazione che circondano la topologia a mezzo ponte, alcuni dei suoi vantaggi rispetto alle topologie a ponte completo dovrebbero diventare evidenti. Esamineremo questi punti e mostreremo alcuni componenti di esempio che puoi utilizzare per implementare il tuo design di convertitore DC-DC isolato a mezzo ponte.

La Topologia Isolata a Mezzo Ponte

I circuiti convertitori DC-DC a mezzo ponte hanno alcuni elementi comuni che appaiono nel sistema che implementano la guida, la raddrizzatura, il filtraggio, la riduzione EMI e il controllo:

• Elemento di accoppiamento: Questo si riferisce in modo generale a un trasformatore di impulsi/potenza, o a un optoaccoppiatore. La scelta dell'elemento di commutazione dipende dall'uscita di potenza e da dove l'elemento di accoppiamento è posizionato e quale segnale viene accoppiato all'uscita. Nota che il meccanismo di accoppiamento potrebbe essere integrato nel driver del gate.

• Elemento di commutazione: In passato sarebbero stati transistor Si bipolari, ma i sistemi più recenti stanno utilizzando FET in GaN o SiC come elementi di commutazione per garantire una conversione di potenza altamente efficiente.

• Circuito driver del gate: Il driver è normalmente un generatore PWM altamente integrato, che potrebbe operare a livelli logici a seconda delle caratteristiche di guida del gate dei FET di commutazione. Questi componenti avranno talvolta un pin di rilevamento della corrente integrato, e il driver regolerà l'uscita in caso di fluttuazioni.

• Diodi: Questi elementi di raddrizzamento si trovano solitamente sul lato di uscita quando il circuito di guida/FET è posizionato sul lato di ingresso, o viceversa. Questi forzeranno la corrente di uscita a fluire sempre nella stessa direzione indipendentemente dalla direzione della corrente di ingresso.

Di seguito sono mostrati alcuni esempi di design di convertitori DC-DC isolati a mezzo ponte. Noterai che l'elemento di accoppiamento potrebbe accoppiare sia il segnale di guida del gate che la potenza all'uscita.

Non ho incluso il feedback al circuito di pilotaggio solo per evitare che le immagini sopra diventassero troppo ingombranti. Tuttavia, potresti certamente includere un anello di feedback attraverso una resistenza di rilevamento della corrente e un amplificatore di rilevamento della corrente. Alcuni componenti di pilotaggio altamente integrati avranno questo incorporato poiché non sono altamente configurabili, il che significa che stanno pilotando particolari FET per fornire livelli di tensione specifici al carico. In qualsiasi circuito in cui lo stadio di pilotaggio si trova sul lato di ingresso, avresti bisogno di optoisolatori per colmare il divario.

Accoppiamento di Potenza o di Pilotaggio del Gate?

Questi esempi implementano due tipi di accoppiamento: accoppiamento di potenza e accoppiamento di pilotaggio del gate. Solo l'implementazione in alto a sinistra accoppia direttamente la potenza all'uscita, quindi sarebbe utilizzata per la consegna di alta potenza a un carico. I diodi dovrebbero avere una tensione di rottura inversa elevata. L'induttore di uscita (L1) dovrebbe anche avere una resistenza in DC molto bassa/un rating di corrente elevato per gestire la potenza fornita. Questo tipo di sistema potrebbe essere utilizzato in modalità step-up o step-down, a seconda delle esigenze del carico. Questo tipo di sistema sarebbe tipicamente implementato come una scheda autonoma, come in un PSU dedicato.

Tutti gli altri metodi mostrati sopra accoppiano un segnale di pilotaggio del gate o un segnale di abilitazione del gate. Nel caso in cui viene accoppiato il segnale di pilotaggio del gate, l'elemento di accoppiamento sarà normalmente un optoisolatore, assumendo che il pilotaggio del gate sia a livelli logici, anche se potrebbero essere utilizzati trasformatori. Tutto ciò potrebbe essere integrato nel circuito di pilotaggio del gate; non deve essere collocato in componenti separati a meno che il superamento delle valutazioni di potenza non sia motivo di preoccupazione.

Implementazione dell'Isolamento

L'isolamento sarà necessario quando la corrente di uscita è molto alta. Questi circuiti variano in termini di come l'isolamento è implementato in termini di componenti. In termini di layout del PCB, implementare l'isolamento è semplice; si divide semplicemente il piano di massa in due reti tra i lati di ingresso e uscita del sistema. Ciò crea due diversi set di anelli di corrente su ciascun lato del sistema (ingresso/uscita o primario/secondario).

Accoppiamento di Pilotaggio del Gate

Nei circuiti di accoppiamento di pilotaggio del gate, l'isolamento è implementato in tre possibili modi: con un optoisolatore, un trasformatore o all'interno del circuito di pilotaggio del gate utilizzando l'isolamento a giunzione. Il metodo esatto che dovrebbe essere utilizzato dipende da come la potenza viene accoppiata attraverso il divario. Se si tratta solo del segnale di pilotaggio del gate, che sarà a bassa tensione/corrente, allora un optoisolatore o una giunzione isolata saranno appropriati. Un optoisolatore potrebbe essere utilizzato per accoppiare solo il segnale di abilitazione che attiva un componente di pilotaggio (in basso a sinistra negli esempi sopra), o il segnale PWM potrebbe essere accoppiato attraverso il divario di isolamento utilizzando sia optoisolatori che piccoli trasformatori (entrambi i circuiti a destra).

In tutti e tre i casi con accoppiamento del driver di gate sopra, la funzione del convertitore DC-DC è sostanzialmente quella di modulare la consegna di potenza da una fonte sul lato di uscita. Il "Carico" nei casi sopra sarebbe quindi la tipica fase di raddrizzamento in un convertitore buck/boost, o possibilmente un convertitore flyback con un trasformatore aggiuntivo. Questo prenderà quindi l'uscita pulsante e la convertirà in tensione DC stabile.

Accoppiamento di Potenza

Se la potenza viene accoppiata direttamente all'uscita, verrà commutata sul lato primario del trasformatore, poi verrà accoppiata al lato di uscita. La lacuna del piano di massa dovrebbe essere posizionata direttamente tra le bobine del trasformatore nel modo tipico. Un esempio di questa implementazione è mostrato di seguito, dove la potenza è fornita interamente dalla rete V_IN. Questo dovrebbe spiegare perché l'implementazione del driver a mezzo ponte sul lato primario sarebbe normalmente trovata in un progetto di alimentazione isolata.

Le reti GND dovrebbero anche essere collegate insieme con un condensatore di sicurezza, come un condensatore di tipo Y. Il condensatore dovrebbe essere posizionato attraverso la lacuna di terra tra entrambe le sezioni del convertitore, e dovrebbe avere una capacità che supera la capacità di interavvolgimento di qualsiasi trasformatore utilizzato per l'accoppiamento. Assicurarsi che la corrente di perdita del condensatore non sia troppo grande poiché ciò può creare uno shock lieve per l'utente nel caso interagiscano con il terminale di terra sul lato di uscita.

Quali Tipi di FET Utilizzare?

La scelta del FET è anche importante nelle topologie sopra menzionate poiché determinerà efficacemente i limiti operativi del convertitore come dispositivo di consegna di potenza. Nelle implementazioni sopra, il tipo di FET utilizzato non influisce sulla progettazione generale del circuito, almeno in termini di topologia. Invece, il FET (GaN, GaAs, SiC, ecc.) dovrebbe essere scelto in base alla tensione richiesta o alla velocità di commutazione, particolarmente se la potenza verrà prelevata direttamente attraverso l'uscita. Anche la potenza totale che deve essere fornita al dispositivo è importante poiché questi componenti possono rapidamente surriscaldarsi quando utilizzati per fornire tensioni eccessive.

Convertitori DC-DC Half-Bridge vs. Full-Bridge

Una topologia full-bridge segue le stesse idee concettuali riguardo alla commutazione e alla rettificazione in un convertitore half-bridge, ma utilizza un arrangiamento H-bridge nella banca dei MOSFET per implementare la commutazione. In altre parole, ciò richiede almeno 4 transistor con un circuito di guida coordinato. Proprio come in un convertitore DC-DC half-bridge, il controllo potrebbe essere implementato attraverso un ciclo di feedback riportando l'uscita al circuito di guida attraverso una resistenza di rilevamento di corrente. Il segnale PWM del driver può quindi essere regolato per compensare la varianza di fase in uscita o il calo della tensione di uscita.

Normalmente, i convertitori DC-DC a ponte completo sarebbero utilizzati in una topologia LLC risonante con la banca di MOSFET sul lato primario di un trasformatore ad impulsi. Tuttavia, potresti certamente posizionare la banca di MOSFET sul lato di uscita del sistema. La tabella fornisce un confronto tra le opzioni di convertitori DC-DC a ponte completo e a mezzo ponte con alcuni dei loro vantaggi e svantaggi.

Dalla tabella sopra, possiamo brevemente riassumere i compromessi nell'uso di una topologia di convertitore DC-DC a ponte completo rispetto a uno a mezzo ponte. La topologia a ponte completo può accedere a una potenza di uscita superiore rispetto a una topologia a mezzo ponte; per rendere i due uguali potresti aver bisogno di usare FET paralleli nell'arrangiamento a mezzo ponte con le banche posizionate sul lato di uscita. Tuttavia, il compromesso per una maggiore potenza e un minor ripple è potenzialmente il doppio del rumore di commutazione e la necessità di componenti induttivi fisicamente più grandi ogni volta che vengono implementati sul nodo di uscita di potenza nel sistema. L'ingombro è anche maggiore per il sistema a ponte completo, parzialmente a causa del numero maggiore di MOSFET ma anche a causa della fase del driver del gate.

Scelta dei Componenti per Convertitori a Mezzo Ponte

Ovviamente, ci sono molti componenti da considerare quando si selezionano le parti per un progetto di convertitore DC-DC isolato a mezzo ponte. Molte aziende di semiconduttori hanno sviluppato portafogli di prodotti che mirano specificamente a topologie a mezzo ponte e a ponte completo con FET ad alta efficienza e circuiti integrati di guida/controllo per garantire una regolazione molto precisa, anche in caso di calo della tensione di ingresso. Alcuni dei componenti di cui avrai bisogno per il tuo convertitore di potenza DC-DC possono essere trovati nelle nostre altre guide:

• FET avanzati come elementi di commutazione

• Amplificatore di misura di corrente per la regolazione nei cicli di feedback

• IC driver del gate per pilotare elementi di commutazione

• Optocoupler per accoppiamento diretto e cicli di feedback

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