Jak wybrać układ sterownika bramki

W dzisiejszych czasach tranzystory występują w różnych kształtach i rozmiarach, czy to zintegrowane z CPU, czy dostępne jako oddzielne komponenty. Każdy tranzystor wymaga pewnego prądu do przełączania między stanami WŁ i WYŁ, co umożliwia przepływ prądu przez urządzenie. Większe tranzystory, zarówno te fizycznie większe, jak i te o większym wyjściu prądowym, wymagają więcej mocy do przełączania. Moc tę może dostarczyć układ scalony sterownika bramki, który jest specjalizowany w dostarczaniu bufora między kontrolerem a tranzystorem mocy.

Nie wszystkie aplikacje będą potrzebować układu scalonego sterownika bramki. Aplikacje wysokoczęstotliwościowe mogą zawierać zoptymalizowany obwód sterownika bramki wewnątrz nadajnika-odbiorcy lub innego komponentu RF, aby zapewnić wymaganą moc do przełączania wzmacniacza tranzystorowego, w tym w wzmacniaczach mocy RF. Te komponenty są integralną częścią systemów zasilania, ponieważ dostarczają wymaganą moc przełączania, jednocześnie chroniąc inne krytyczne komponenty. Oto jak działają te komponenty i jak wybrać układ scalony sterownika bramki.

Dlaczego używać układu scalonego sterownika bramki?

Jak wspomniano powyżej, układ scalony sterownika bramki dostarcza wysoki prąd do tranzystora dużej mocy, takiego jak IGBT lub MOSFET, aby w pełni go włączyć w stan przewodzenia. Te komponenty otrzymują niskoprądowe wejście od innego komponentu, takiego jak MCU lub inny układ scalony kontrolera. W ten sposób układ scalony sterownika bramki działa jak bufor między MCU a tranzystorem. Typowe rozmieszczenie układu scalonego sterownika bramki w łańcuchu sygnałowym pokazano poniżej.

Łańcuch sygnałowy dla układu scalonego sterownika bramki

Chociaż podstawowym celem sterownika bramki jest działanie jako wzmacniacz do sterowania dużym tranzystorem, istnieje głębszy powód, dla którego używa się układu scalonego sterownika bramki do przełączania. Główne cele stosowania specjalizowanego układu scalonego sterownika bramki to:

1. Zmniejszenie strat przełączania w tranzystorze obciążenia

2. Skrócenie czasu przełączania tranzystora obciążenia

3. Pełne włączenie tranzystora w stan przewodzenia/nieprzewodzenia

Trzeci cel, który nie jest zapewniany przez wszystkie sterowniki bramek, to zapewnienie izolacji między obciążeniem a kontrolerem. Jest to zapewniane przez mały wewnętrzny transformator w sterowniku bramki; takie komponenty nazywane są izolowanymi sterownikami bramek.

Wszystkie tranzystory mają pewną nieliniową pojemność, tj. działają jak waraktory. Gdy tranzystor obciążenia jest przełączany, pewien ładunek pozostaje na obszarze bramki, który utrzymuje kanał w jego obecnym stanie nieprzewodzenia lub przewodzenia. Gdy kolejny impuls prądowy jest stosowany, wysokie ciepło może być generowane w tranzystorze, jeśli sygnał przełączający jest wolny lub działa przy niskim prądzie. Stosowanie sygnału przełączającego przy wyższym prądzie zapewnia szybsze przełączanie między stanami z mniejszymi stratami.

Układ pokazany powyżej oraz potrzeba pełnej, szybkiej modulacji tranzystorów dużej mocy sprawiają, że układ sterujący bramką (gate driver IC) jest ważny w każdej aplikacji, gdzie obciążenie dużej mocy wymaga pełnego przełączania i modulacji. Gdybyśmy próbowali zrobić to za pomocą MCU, duży pobór prądu przez MCU mógłby spowodować jego przegrzanie i awarię, stąd potrzeba użycia sterownika bramki. Trzy typowe zastosowania to przełączające przetwornice DC-DC, przekształtniki mocy oraz obwody sterowania silnikami.

Przetwarzanie DC-DC

Po otrzymaniu sygnału wejściowego od kontrolera, sterownik bramki dostarcza wysoki prąd do pojedynczego tranzystora lub wielu tranzystorów połączonych równolegle. Należy zauważyć, że równoległe połączenie tranzystorów jest powszechne, szczególnie w przypadku IGBTs lub MOSFETs, w przełączających przetwornicach DC-DC o wysokim prądzie wyjściowym. Tego typu system jest niezbędny, gdy szereg dużych tranzystorów wymaga kilku amperów prądu, aby w pełni przełączyć się w stan przewodzenia, co jest typowe dla przetwornic dużej mocy.

Pod względem umieszczenia w łańcuchu sygnałowym, sterownik bramki będzie znajdować się w pętli sprzężenia zwrotnego, jak pokazano na poniższym obrazie. MCU może być użyte do implementacji prostego algorytmu sterowania w celu zapewnienia stabilnego napięcia wyjściowego, lub może być użyte do zmiany napięcia wyjściowego w odpowiedzi na wejście użytkownika. W przypadku, gdy od przetwornicy wymagana jest wysoka regulacja prądu, w pętli sprzężenia zwrotnego przed sterownikiem MCU/PWM może być użyty wzmacniacz pomiaru prądu, ponieważ daje to dokładny pomiar prądu do użycia w algorytmie sterowania.

Układ sterownika bramki w pętli sprzężenia zwrotnego dla przetwarzania DC-DC.

Przekształtniki mocy

To związane jest z przetwarzaniem DC-DC, chociaż teraz przełączamy ciągle, aby wyprodukować oscylującą falę. Izolowane sterowniki bramki są potrzebne w tej aplikacji, aby izolować źródło DC i kontroler od strony wyjściowej. Logika inwersyjna jest używana po stronie obciążenia, podczas gdy sterownik bramki jest zasilany niskoprądową falą oscylacyjną.

Obwody sterowania silnikami

Zasada ta dotyczy aplikacji, w której tranzystor jest sterowany sygnałem PWM. W tym przypadku sterownik bramki otrzymuje sygnał PWM i wyprowadza wzmacnianą, wysokoprądową wersję sygnału PWM. Następnie jest on wysyłany do tablicy tranzystorów, aby sterować silnikiem. Przykłady obejmują sterowanie silnikami krokowymi i silnikami szczotkowymi. Izolowane sterowniki bramki są zwykle używane w tej aplikacji, ponieważ znajdują się one między MCU/kontrolerem a silnikiem po stronie wyjściowej.

Ważne specyfikacje sterownika bramki

Prąd wyjściowy jest najważniejszą specyfikacją, na którą należy zwrócić uwagę, i tę specyfikację należy porównać ze specyfikacjami twoich tranzystorów. Oto kilka innych ważnych specyfikacji, które należy zbadać przy wyborze układu sterownika bramki IC:

• Rodzaj sterownika bramki. Wyróżniamy cztery typy sterowników bramek:

• • High-side: Są używane do sterowania tranzystorami mocy, które są połączone z dodatnim szyną zasilającą bez połączenia z masą.

  • Low-side: Służą do sterowania tranzystorami, które są połączone z ujemną szyną zasilającą bez połączenia odniesienia.

  • Półmostek: Te komponenty zawierają obwody sterownika low-side i high-side, co czyni je bardziej elastycznymi.

  • Trójfazowe: Te sterowniki bramek są używane w systemach trójfazowych.

• Czas narastania i opadania. Jest to ważne dla redukcji strat przełączania. W szczególności, przełączanie z szybszym czasem narastania/opadania zapewni niższe straty przełączania w tranzystorze.

• Maks. częstotliwość. Jest to ważne we wszystkich trzech powyższych zastosowaniach.

• Ocena temperaturowa. Ponieważ te komponenty pracują przy wysokiej mocy, mogą potrzebować radiatora do chłodzenia.

Sterownik bramki FAN73912MX od ON Semiconductor jest jednym z przykładów komponentu wysokiej mocy, który może być połączony w konfiguracji półmostka. Poniższy schemat aplikacji ilustruje, jak wysokomocowy sterownik bramki może być zintegrowany z kontrolerem w systemie wysokiego napięcia.

Schemat aplikacji sterownika bramki FAN73912MX. Z karty katalogowej FAN73912MX.

Kiedy szukasz komponentów elektroniki mocy, w tym tranzystorów i opcji układów scalonych sterowników bramek, wypróbuj zaawansowane funkcje wyszukiwania i filtracji w Octopart. Będziesz miał dostęp do obszernej wyszukiwarki z danymi dystrybutorów i specyfikacjami części, wszystko to w przyjaznym interfejsie. Zajrzyj na naszą stronę z układami scalonymi do zarządzania energią, aby znaleźć komponenty potrzebne do konwersji, kondycjonowania i zarządzania energią.

Zostań na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.