Wybór i przewodnik projektowania sterownika MOSFET w pełnym mostku

Utworzono: luty 11, 2022
Zaktualizowano: czerwiec 25, 2023

Dostarczanie energii z stabilnym napięciem i prądem stałym jest kluczowe dla regulatorów/przetworników mocy, sterowników silników oraz innych zastosowań takich jak obwody oświetleniowe i generacji impulsów. Wielu projektantów pracujących nad systemami o niższej mocy może być skłonnych do próby skalowania topologii przetwornika o niższej mocy do systemu o wyższej mocy, ale to nie przynosi korzyści dla projektanta. Próba zasilania przy użyciu standardowej topologii przetwornika/regulatora nieuchronnie prowadzi do awarii komponentów, niewystarczającej dostawy mocy lub przewymiarowanego systemu o niskiej efektywności.

Dla umiarkowanej do wysokiej dostawy mocy stałoprądowej, lepszym wyborem jest topologia mostkowa, a konkretnie pełna topologia mostkowa z MOSFETami. MOSFETy używane jako elementy przełączające zapewniają niską rezystancję w stanie przewodzenia, niskie rozpraszanie mocy, wysokie napięcie przebicia i wysoki prąd nasycenia w porównaniu do porównywalnych IGBT. Użycie MOSFETów w tej topologii wymaga pełnego sterownika mostkowego MOSFET do przełączania tranzystorów sygnałem PWM. Te komponenty mogą być wysoko zintegrowane z małą powierzchnią montażową do sterowania obciążeniami o wysokim prądzie, dając projektantom kompaktową opcję dla ich produktów.

Rozumienie sterowników pełnego mostka MOSFET

Standardowa topologia używana do dostarczania mocy w silnikach komercyjnych i przetwornikach mocy jest jedną z wielu topologii przełączających. Projektanci przetworników przełączających prawdopodobnie są zaznajomieni ze standardowymi topologiami przetworników buck, boost, buck-boost i flyback, gdzie jeden lub więcej tranzystorów przełączających jest używanych do regulacji wyjścia mocy i ustawienia poziomu napięcia wyjściowego. Te komponenty są wysoko zintegrowane, ponieważ te systemy generalnie nie są używane do wysokomocowej konwersji DC-DC lub dostarczania mocy w silnikach.

Aby zrozumieć, dlaczego te komponenty są ważne i jak są używane, warto przyjrzeć się dwóm najczęstszym zastosowaniom sterowników pełnego mostka MOSFET: przetwornikom rezonansowym LLC i napędom silników.

Przykład: Pełny mostek przetwornika rezonansowego LLC

Zamiast tego, wysokomocowe przetworniki i sterowniki silników używają konfiguracji półmostka lub pełnego mostka tranzystorów przełączających. Komponenty sterujące dla silników i przetworników mocy są zaprojektowane do przełączania każdej strony pełnego mostka lub półmostka obwodu sygnałem PWM, zapewniając dostawę mocy do obciążenia. Sterowniki bramek pełnego mostka dla wysokomocowych MOSFETów zasadniczo integrują wiele układów sterownika bramek dla pojedynczego tranzystora na pojedynczym chipie. Poniższy schemat obwodu pokazuje układ scalony sterownika pełnego mostka z czterema MOSFETami używanymi jako element przełączający w przetworniku rezonansowym LLC.

W tym systemie zadaniem sterownika pełnego mostu jest wzmacnianie sygnału PWM i używanie go do przełączania czterech tranzystorów na ON i OFF; w danym momencie włączone są tylko dwa tranzystory. W tej topologii, po stronie pierwotnej cewki, układ scalony sterownika przełącza jednocześnie tranzystory z lewej strony wysokiego napięcia i z prawej strony niskiego napięcia na ON, podczas gdy pozostałe tranzystory pozostają w stanie OFF. W następnym cyklu stany wszystkich 4 tranzystorów się przełączają. Ostatecznie, po stronie wtórnej cewki, napięcie wyjściowe jest prostowane za pomocą diod, aby uzyskać stabilne napięcie stałe.

Tak jak w przypadku innych topologii przetwornic, prąd wyjściowy może być wykrywany i zwracany na wejście, co może być następnie użyte do dostosowania sygnału PWM w celu zapewnienia stabilnej regulacji. Wszelkie funkcje kontrolne, w tym wszelkie funkcje włączania na sterowniku MOSFET pełnego mostu, są implementowane w MCU lub specjalistycznej logice. Bardzo podobna topologia może być używana do zapewnienia stabilnej regulacji mocy w dużych silnikach prądu stałego.

W powyższej aplikacji konwersji mocy, moglibyśmy zaimplementować czysty półmostek (np. rezonansowy przetwornik półmostkowy LLC). Sterowniki półmostka i pełnego mostka mogą być używane w obwodach sterowania silnikami, jak zobaczymy poniżej.

Przykład: Pojedynczy sterownik MOSFET pełnego mostu vs. Podwójny półmostek dla napędów silnikowych

Dwa powszechne sposoby implementacji sterowania silnikiem z stabilną, regulowaną mocą prądu stałego to sterowniki pełnego mostu i półmostu. Dwa przykłady z napędem silnika przy użyciu sterowania półmostkiem i pełnym mostkiem są pokazane na poniższych schematach.

W tym przykładzie, podwójne sterowniki półmostka muszą być starannie dobrane, tak aby sygnał sterujący przechodził do wtórnego układu scalonego sterownika. Pewne komponenty umożliwiają to domyślnie, takie jak MAX14871 od Maxim Integrated. Jeśli ta funkcja nie jest włączona w komponencie sterownika, będziesz musiał wysłać sygnał PWM do wtórnego układu scalonego równolegle. Należy również zwrócić uwagę na stany tranzystorów MOSFET w konfiguracji półmostka; stany tranzystorów MOSFET na górze i na dole po każdej stronie są odwrócone, aby zapewnić wymagany przepływ prądu w silniku.

W przeciwieństwie, panel po prawej stronie pokazuje tę samą implementację, ale z sterownikiem MOSFET pełnego mostu. W tym obwodzie, wyjście z układu scalonego sterownika przełącza tranzystory MOSFET parami, używając pojedynczego sygnału PWM z MCU. Ta wysoko zintegrowana opcja redukuje wymaganą liczbę komponentów i może być nadal używana z precyzyjnym sprzężeniem zwrotnym do kontroli prędkości lub mocy.

Sterownik pełnego mostu vs. Sterownik bramki

Układ scalony sterownika bramki pełni funkcję bardzo podobną do sterownika pełnego mostu: przełącza tranzystor MOSFET między stanami ON i OFF. Istnieją pewne różnice w sposobie implementacji tych komponentów w projekcie. Podczas gdy sterownik pełnego mostu jest specjalnie zaprojektowany do stałej konfiguracji z czterema tranzystorami MOSFET, sterownik bramki może przełączać pojedyncze tranzystory MOSFET bez wymagania synchronizacji z żadnym innym sterownikiem bramki. Należy zauważyć, że można stworzyć obwód sterownika MOSFET pełnego mostu, używając czterech sterowników bramki MOSFET. Wybór zależy od napięcia zasilania, które musisz przełączyć na tranzystorach MOSFET, oraz od poziomu integracji potrzebnego w komponencie.

Wybór komponentów sterownika MOSFET pełnego mostu

Natężenie wyjściowe jest prawdopodobnie najważniejszą specyfikacją, na którą należy zwrócić uwagę, i tę specyfikację należy porównać ze specyfikacjami twoich tranzystorów. Oto inne ważne specyfikacje, na które powinieneś zwrócić uwagę przy wyborze układu sterownika bramki:

Integracja. Niektóre sterowniki MOSFET pełnego mostu będą zawierać MOSFETy na die. Te komponenty będą rozpraszać moc bezpośrednio na chipie i będą miały pewną ocenę prądu nasycenia.
Napięcie zasilania. Specyfikacja napięcia zasilania określa, do jakiej głębokości MOSFETy mogą być przełączane między stanami ON i OFF.
Opcja podwójnego półmostka. Niektóre sterowniki bramki pełnego mostu mogą być używane jako dwa niezależne sterowniki półmostka (patrz aplikacja sterowania silnikiem powyżej).
Zakres częstotliwości PWM i cykl pracy. Te parametry są ważne w każdym przetworniku lub sterowniku przełączającym. W szczególności cykl pracy będzie określał średnią dostarczaną moc, podczas gdy częstotliwość może wpływać na wzmocnienie i impedancję w komponencie obciążenia, szczególnie w indukcyjnych obciążeniach znajdujących się w sterowaniu silnikami i produktach mocy.
Ocena temperatury. Te komponenty mogą pracować przy wysokiej mocy, lub mogą być umieszczone w pobliżu innych komponentów, które rozpraszają dużą moc. Rozważ ocenę temperatury i wszelkie strategie chłodzenia, które możesz potrzebować zaimplementować w swoim systemie. Jeśli sterownik zawiera zintegrowane MOSFETy, prawdopodobnie będziesz potrzebować pewnego poziomu chłodzenia termicznego w swojej konstrukcji, aby zapobiec przegrzewaniu się komponentu i jego awarii.

Upewnij się, że dokładnie dopasujesz swój komponent sterujący, zewnętrzne MOSFETy (jeśli nie są zintegrowane na die sterownika), generator PWM i wszelkie komponenty używane w pętli sprzężenia zwrotnego.

Porównanie dwóch sterowników MOSFET pełnego mostu

Sterownik bramki MOSFET pełnego mostu L6203 od STMicroelectronics pokazuje rodzaj integracji obecnej w tych komponentach i jak zapewniają one wysoką moc. Ten komponent jest zaprojektowany do sterowania małymi silnikami i zawiera zintegrowany układ H-bridge MOSFET z napięciem wyjściowym do 48 V przy umiarkowanie wysokim prądzie (5 A szczytowo, 4 A RMS). L6203 zawiera wewnętrzne odniesienie napięcia dla precyzyjnej regulacji, obwód zabezpieczający przed przegrzaniem i pin włączający z zewnętrznego kontrolera. Rezystor pomiarowy może być podłączony, aby zapewnić sprzężenie zwrotne dla sterowania silnikiem. Piny wejściowe i włączające mogą być również modulowane, aby zapewnić jednofazowe lub dwufazowe cięcie dla zewnętrznego silnika.

Porównywalnym komponentem jest TLE7181EMXUMA1 od Infineon. Z poniższego schematu blokowego widzimy, że ten komponent może być konfigurowany dla podwójnego półmostka lub pełnego mostu z 2 lub 4 MOSFETami, odpowiednio. Te zewnętrzne MOSFETy są używane do wysokoprądowych napędów silników DC w sieciach zasilania 12 V (do 34 V napięcia zasilania) przy wysokim prądzie. Aby zapewnić niezawodność i zapobiec uszkodzeniu komponentów pośrednich, istnieje kompleksowy obwód ochronny zapewniający ochronę przed zbyt niskim/nadmiernym napięciem, prądem, temperaturą i zwarciem. Ponadto, istnieje zintegrowany regulator zapewniający stabilne wyjście.

Te dwa komponenty mają różne poziomy integracji i funkcji na chipie, ale są dobrymi przykładami tego, czego można oczekiwać od typowych komponentów sterowników pełnego mostka MOSFET. L6203 integruje wszystko na die i zapewnia rozwiązanie o małej powierzchni, ale moc wyjściowa jest ograniczona przez MOSFETy na chipie. Rozpraszanie ciepła odbywa się bezpośrednio w komponencie, więc mogą być potrzebne środki chłodzące, aby zapobiec przegrzewaniu się.

W przeciwieństwie do tego, TLE7181EMXUMA1 może być używany z różnymi mocami, które będą ograniczone przez pobór mocy przez silnik, zewnętrzne limity prądu MOSFET i zasilacz używany z zewnętrznymi MOSFETami. Ogólnie rzecz biorąc, sterownik wraz z jego zewnętrznym obwodem mostka zajmuje więcej miejsca, ale można uzyskać większą moc.

Inne komponenty dla sterowników silników i systemów zasilania

Komponenty pokazane powyżej to wysoko zintegrowane komponenty sterowników silników, ale zawsze będą inne komponenty, które będziesz musiał dostarczyć, aby zapewnić stabilne dostarczanie energii do silnika lub przetwornicy mocy. Komponenty do sterowania/aktywowania obwodu napędowego, dostarczania sygnału PWM, czujniki i regulacja mocy wyjściowej oraz filtracja, aby zapewnić czystą, wolną od zakłóceń moc dostarczaną do obciążenia w systemie.

Kiedy szukasz sterowników pełnego mostka MOSFET z dowolnym poziomem integracji, spróbuj użyć zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Będziesz miał dostęp do obszernej wyszukiwarki z danymi dystrybutorów i specyfikacjami części, wszystko to dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zapoznaj się z naszą stroną z układami scalonymi do zarządzania energią, aby znaleźć komponenty potrzebne do konwersji, kondycjonowania i zarządzania energią.

Zapoznaj się z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.