Guia de Seleção e Design de Driver MOSFET de Ponte Completa

Criada: Fevereiro 11, 2022
Atualizada: Junho 25, 2023

A entrega de energia com tensão e corrente DC estáveis é crítica para reguladores/conversores de energia, drivers de motor e outras aplicações como circuitos de iluminação e geração de pulso. Muitos projetistas que trabalham em sistemas de baixa potência podem ser tentados a tentar escalar uma topologia de conversor de baixa potência para um sistema de maior potência, mas isso não resulta a favor do projetista. Tentar fornecer energia com uma topologia de conversor/regulador padrão inevitavelmente leva à falha de componentes, entrega de energia insuficiente ou um sistema sobredimensionado com baixa eficiência.

Para entrega de energia DC de moderada a alta, uma topologia de ponte é uma escolha melhor, especificamente uma topologia de ponte completa com MOSFETs. Os MOSFETs usados como elementos de comutação fornecem baixa resistência no estado ligado, baixa dissipação de potência, alta tensão de ruptura e alta corrente de saturação em comparação com IGBTs comparáveis. Usar MOSFETs nesta topologia requer um driver de MOSFET de ponte completa para comutar os transistores com um sinal PWM. Esses componentes podem ser altamente integrados com pequena pegada para conduzir cargas de alta corrente, dando aos projetistas uma opção compacta para seus produtos.

Entendendo Drivers de MOSFET de Ponte Completa

A topologia padrão usada para entrega de energia em motores de grau comercial e conversores de potência é uma das muitas topologias de comutação. Projetistas de conversores de comutação provavelmente estão familiarizados com as topologias padrão buck, boost, buck-boost e flyback, onde um ou mais transistores de comutação são usados para regular a saída de energia e definir o nível de tensão de saída. Esses componentes são altamente integrados, pois esses sistemas geralmente não são usados para conversão DC-DC de alta potência ou entrega de energia em motores.

Para ver por que esses componentes são importantes e como são usados, ajuda olhar para as duas aplicações mais comuns de drivers de MOSFET de ponte completa: conversores ressonantes LLC e acionamentos de motor.

Exemplo: Conversor Ressonante LLC de Ponte Completa

Em vez disso, conversores de alta potência e drivers de motor usam uma configuração de ponte completa ou meia-ponte de transistores de comutação. Componentes de driver para motores e conversores de potência são projetados para comutar cada lado do circuito de ponte completa ou meia-ponte com um sinal PWM, fornecendo entrega de energia à carga. Drivers de porta de ponte completa para MOSFETs de alta potência integram essencialmente vários ICs de driver de porta para um transistor individual em um único chip. O diagrama de circuito abaixo mostra um IC de driver de ponte completa com quatro MOSFETs usados como o elemento de comutação em um conversor ressonante LLC.

Neste sistema, a função do driver de ponte completa é amplificar um sinal PWM e usar isso para ligar e desligar os quatro transistores; apenas dois transistores estão ligados em um determinado momento. Nesta topologia, no lado da bobina primária, o CI do driver liga os transistores do lado alto esquerdo e do lado baixo direito ao mesmo tempo, enquanto os outros transistores permanecem desligados. No próximo ciclo, os estados dos 4 transistores se alternam. Finalmente, no lado secundário da bobina, a tensão de saída é retificada com diodos para fornecer uma tensão DC estável.

Assim como em qualquer outra topologia de conversor, a corrente de saída pode ser detectada e realimentada na entrada, que pode então ser usada para ajustar o sinal PWM para garantir uma regulação estável. Qualquer função de controle, incluindo qualquer funcionalidade de habilitação no CI driver MOSFET de ponte completa, é implementada em um MCU ou lógica especializada. Uma topologia muito semelhante pode ser usada para fornecer regulação de potência estável em motores DC de grande porte.

Na aplicação de conversão de potência acima, poderíamos implementar uma ponte meio completa pura (por exemplo, conversor ressonante LLC de meio-ponte). Drivers de meio-ponte e ponte completa podem ser usados em circuitos de driver de motor, como veremos a seguir.

Exemplo: Driver MOSFET de Ponte Completa Único vs. Duplo Meio-Ponte para Acionamentos de Motor

Duas implementações comuns de acionamento de motor com potência DC estável e ajustável são com drivers de ponte completa e meio-ponte. Dois exemplos com acionamento de meio-ponte e ponte completa para um motor são mostrados nos diagramas abaixo.

Neste exemplo, os drivers de meio-ponte duplo precisam ser cuidadosamente selecionados para que o sinal de acionamento passe para o CI driver secundário. Certos componentes permitem isso por padrão, como MAX14871 da Maxim Integrated. Se isso não estiver habilitado no componente do driver, você precisará enviar o sinal PWM para o CI secundário em paralelo. Além disso, tenha cuidado para notar os estados dos MOSFETs na configuração de meio-ponte; os estados dos MOSFETs superior e inferior de cada lado são invertidos para fornecer o fluxo de corrente necessário no motor.

Em contraste, o painel à direita mostra a mesma implementação, mas com um driver MOSFET de ponte completa. Neste circuito, a saída do CI driver alterna os MOSFETs em pares usando um único sinal PWM de um MCU. Esta opção altamente integrada reduz a contagem de componentes necessários e ainda pode ser usada com feedback preciso para controle de velocidade ou potência.

Driver de Ponte Completa vs. Driver de Portão

Um CI driver de portão oferece praticamente a mesma função que um driver de ponte completa: ele alterna um MOSFET entre os estados LIGADO e DESLIGADO. Existem algumas diferenças em termos de como esses componentes são implementados em um design. Enquanto um driver de ponte completa é especificamente projetado para uma configuração fixa com quatro MOSFETs, um driver de portão pode alternar MOSFETs individuais sem necessidade de sincronização com qualquer outro driver de portão. Note que você poderia criar um circuito driver MOSFET de ponte completa usando quatro drivers de portão MOSFET. A escolha depende da tensão de alimentação que você precisa para alternar os MOSFETs, e do nível de integração necessário no componente.

Selecionando Componentes de Driver MOSFET de Ponte Completa

A corrente de saída é provavelmente a especificação mais importante que você precisará analisar, e essa especificação deve ser comparada com as especificações dos seus transistores. Aqui estão algumas outras especificações importantes que você deve examinar ao selecionar um CI de driver de porta:

Integração. Alguns drivers MOSFET de ponte completa incluirão os MOSFETs no próprio chip. Esses componentes dissiparão energia diretamente no chip e terão uma classificação de corrente de saturação.
Tensão de alimentação. A especificação de tensão de alimentação determina até que profundidade os MOSFETs podem ser comutados entre os estados LIGADO e DESLIGADO.
Opção de meia-ponte dupla. Alguns drivers de porta de ponte completa podem ser usados como dois drivers de meia-ponte independentes (veja a aplicação de controle de motor acima).
Faixa de frequência e ciclo de trabalho PWM. Esses parâmetros são importantes em qualquer conversor ou driver de comutação. Em particular, o ciclo de trabalho determinará a potência média entregue, enquanto a frequência pode influenciar o ganho e a impedância no componente de carga, particularmente em cargas indutivas encontradas no controle de motores e produtos de potência.
Classificação de temperatura. Esses componentes podem operar em alta potência, ou podem operar próximos a outros componentes que dissipam alta potência. Considere a classificação de temperatura e qualquer estratégia de resfriamento que você possa precisar implementar em seu sistema. Se o driver incluir MOSFETs integrados, então você provavelmente precisará de algum nível de resfriamento térmico em seu design para evitar que o componente superaqueça e falhe.

Certifique-se de combinar cuidadosamente seu componente driver, MOSFETs externos (se não integrados no chip do driver), gerador PWM e quaisquer componentes usados no loop de feedback.

Uma Comparação de Dois Drivers MOSFET de Ponte Completa

O driver de porta MOSFET de ponte completa L6203 da STMicroelectronics mostra o tipo de integração envolvida nesses componentes e como eles fornecem alta potência. Este componente é projetado para acionar pequenos motores e inclui um arranjo MOSFET de ponte H integrado com até 48 V de tensão de saída em corrente moderadamente alta (5 A de pico, 4 A RMS). O L6203 inclui uma referência de tensão interna para regulação precisa, circuito de desligamento térmico e pino de habilitação de um controlador externo. Um resistor de detecção pode ser conectado para fornecer feedback para o controle do motor. Os pinos de entrada e habilitação também podem ser modulados para fornecer corte de uma fase ou duas fases para um motor externo.

Um componente comparável é o TLE7181EMXUMA1 da Infineon. Pelo diagrama de blocos abaixo, vemos que este componente pode ser configurado para acionamento de meia-ponte dupla ou ponte completa com 2 ou 4 MOSFETs, respectivamente. Esses MOSFETs externos são usados para acionamentos de motores DC de alta corrente em redes de alimentação de 12 V (até 34 V de tensão de alimentação) em alta corrente. Para garantir a confiabilidade e prevenir danos aos componentes a jusante, há um circuito de proteção abrangente que fornece proteção contra sub/sobretensão, sobrecorrente, sobreaquecimento e curto-circuito. Além disso, há um regulador integrado para garantir uma saída estável.

Esses dois componentes possuem níveis variados de integração e recursos no chip, mas são bons exemplos do que você pode esperar de componentes típicos de driver MOSFET de ponte completa. O L6203 integra tudo no die e oferece uma solução de pequena dimensão, mas a saída de potência é limitada pelos MOSFETs no die. A dissipação de calor acontece diretamente no componente, então medidas de resfriamento podem ser necessárias para prevenir o superaquecimento.

Em contraste, o TLE7181EMXUMA1 pode ser usado com uma gama de potências, que serão limitadas pela demanda do motor, os limites de corrente dos MOSFETs externos e a fonte de alimentação usada com os MOSFETs externos. No geral, o driver mais seu circuito de ponte externo ocupa mais espaço, mas você pode obter mais potência.

Outros Componentes para Drivers de Motor e Sistemas de Potência

Os componentes mostrados acima são componentes de driver de motor altamente integrados, mas sempre há outros componentes que você precisará para fornecer uma entrega de potência estável a um motor ou conversor de potência. Componentes para controlar/ativar o circuito de drive, fornecer o sinal PWM, sentir e regular a saída de potência, e fornecer filtragem para garantir que uma potência limpa e livre de ruídos seja entregue à carga no sistema.

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