Выбор и руководство по проектированию драйвера MOSFET с полным мостом

Создано: 11 Февраля, 2022
Обновлено: 25 Июня, 2023

Обеспечение питания с стабильным постоянным напряжением и током критически важно для регуляторов/преобразователей мощности, драйверов двигателей и других приложений, таких как схемы освещения и генерации импульсов. Многие разработчики, работающие с системами меньшей мощности, могут быть склонны попытаться масштабировать топологию преобразователя меньшей мощности для системы большей мощности, но это не приносит пользы разработчику. Попытка обеспечить питание с помощью стандартной топологии преобразователя/регулятора неизбежно приводит к выходу из строя компонентов, недостаточной подаче мощности или к созданию переразмеренной системы с низкой эффективностью.

Для умеренной и высокой постоянной подачи мощности лучшим выбором является мостовая топология, в частности полномостовая топология с MOSFET. MOSFET, используемые в качестве коммутирующих элементов, обеспечивают низкое сопротивление в открытом состоянии, низкое рассеивание мощности, высокое напряжение пробоя и высокий ток насыщения по сравнению с сопоставимыми IGBT. Использование MOSFET в этой топологии требует полномостового драйвера MOSFET для коммутации транзисторов сигналом ШИМ. Эти компоненты могут быть высокоинтегрированными с малым размером для управления нагрузками высокого тока, предоставляя разработчикам компактный вариант для их продуктов.

Понимание драйверов полномостовых MOSFET

Стандартная топология, используемая для подачи мощности в коммерческих двигателях и преобразователях мощности, является одной из многих коммутируемых топологий. Разработчики коммутируемых преобразователей, вероятно, знакомы со стандартными топологиями понижающего, повышающего, понижающе-повышающего и обратноходового преобразователей, где один или несколько коммутирующих транзисторов используются для регулирования выходной мощности и установки уровня выходного напряжения. Эти компоненты высокоинтегрированы, поскольку эти системы обычно не используются для преобразования постоянного тока высокой мощности или подачи мощности в двигатели.

Чтобы понять, почему эти компоненты важны и как они используются, полезно рассмотреть два наиболее распространенных применения драйверов полномостовых MOSFET: резонансные преобразователи LLC и приводы двигателей.

Пример: Полномостовый резонансный преобразователь LLC

Вместо этого преобразователи высокой мощности и драйверы двигателей используют конфигурацию полумоста или полного моста коммутирующих транзисторов. Компоненты драйверов для двигателей и преобразователей мощности разработаны для коммутации каждой стороны полномостовой или полумостовой схемы сигналом ШИМ, обеспечивая подачу мощности к нагрузке. Драйверы полных мостов для высокомощных MOSFET по сути интегрируют несколько микросхем драйверов затворов для отдельного транзистора на одном чипе. Ниже приведена схема драйвера полного моста на четырех MOSFET в качестве коммутирующего элемента в резонансном преобразователе LLC.

В этой системе задача драйвера полного моста заключается в усилении сигнала ШИМ и использовании его для переключения четырех транзисторов ВКЛ и ВЫКЛ; в любой момент времени включены только два транзистора. В этой топологии, на стороне первичной обмотки, драйвер микросхемы одновременно включает левый верхний и правый нижний транзисторы, в то время как остальные транзисторы остаются выключенными. В следующем цикле состояния всех 4 транзисторов переключаются. Наконец, на вторичной стороне обмотки, выходное напряжение выпрямляется с помощью диодов для получения стабильного постоянного напряжения.

Как и в любой другой топологии преобразователя, выходной ток может быть измерен и возвращен на вход, что затем может быть использовано для корректировки сигнала ШИМ для обеспечения стабильной регулировки. Любые функции управления, включая любую функцию включения на драйвере MOSFET полного моста, реализуются в МКУ или специализированной логике. Очень похожая топология может быть использована для обеспечения стабильной регулировки мощности в больших постоянных двигателях.

В вышеупомянутом приложении преобразования мощности мы могли бы реализовать чистый полумост (например, полумостовой резонансный преобразователь LLC). Драйверы полумоста и полного моста могут использоваться в схемах управления двигателями, как мы увидим ниже.

Пример: Одиночный драйвер MOSFET полного моста против двойного полумоста для приводов двигателей

Два распространенных способа управления двигателями с стабильным, регулируемым постоянным током - это использование драйверов полного и полумоста. Два примера с использованием полумоста и полного моста для двигателя показаны на диаграммах ниже.

В этом примере двойные драйверы полумоста должны быть тщательно подобраны так, чтобы сигнал управления проходил к вторичной микросхеме драйвера. Некоторые компоненты по умолчанию позволяют это, например, MAX14871 от Maxim Integrated. Если это не включено в компонент драйвера, вам нужно будет отправить сигнал ШИМ на вторичную микросхему параллельно. Также будьте внимательны к состояниям MOSFET в конфигурации полумоста; состояния верхнего и нижнего MOSFET на каждой стороне изменены на противоположные для обеспечения необходимого тока в двигателе.

В отличие от этого, панель справа показывает ту же реализацию, но с драйвером MOSFET полного моста. В этой схеме выход с микросхемы драйвера переключает MOSFET парами с использованием одного сигнала ШИМ от МКУ. Этот высокоинтегрированный вариант сокращает необходимое количество компонентов и все еще может быть использован с точной обратной связью для контроля скорости или мощности.

Драйвер полного моста против драйвера затвора

Микросхема драйвера затвора выполняет практически ту же функцию, что и драйвер полного моста: она переключает MOSFET между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ. Существуют некоторые различия в том, как эти компоненты реализуются в дизайне. В то время как драйвер полного моста специально разработан для фиксированной конфигурации с четырьмя MOSFET, драйвер затвора может переключать отдельные MOSFET без необходимости синхронизации с любым другим драйвером затвора. Заметьте, что вы могли бы создать схему драйвера MOSFET полного моста, используя четыре драйвера затвора MOSFET. Выбор зависит от напряжения питания, которое вам нужно для переключения MOSFET, и уровня интеграции, необходимого в компоненте.

Выбор компонентов драйвера MOSFET полного моста

Выходной ток, вероятно, является самой важной характеристикой, на которую вам нужно обратить внимание, и эту характеристику следует сравнивать со спецификациями ваших транзисторов. Вот некоторые другие важные характеристики, на которые вам следует обратить внимание при выборе микросхемы драйвера затвора:

Интеграция. Некоторые драйверы полного моста MOSFET будут включать MOSFETы на кристалле. Эти компоненты будут рассеивать мощность непосредственно на чипе и будут иметь некоторый рейтинг тока насыщения.
Напряжение питания. Спецификация напряжения питания определяет, насколько глубоко MOSFETы могут быть переключены между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ.
Опция двойного полумоста. Некоторые драйверы полного моста могут использоваться как два независимых драйвера полумоста (см. применение в управлении двигателями выше).
Диапазон частот PWM и скважность. Эти параметры важны в любом коммутируемом преобразователе или драйвере. В частности, скважность будет определять среднюю передаваемую мощность, в то время как частота может влиять на усиление и импеданс в нагрузке, особенно в индуктивных нагрузках, используемых в управлении двигателями и силовых продуктах.
Температурный рейтинг. Эти компоненты могут работать при высокой мощности, или они могут находиться рядом с другими компонентами, рассеивающими высокую мощность. Учитывайте температурный рейтинг и любую стратегию охлаждения, которую вам может потребоваться реализовать в вашей системе. Если драйвер включает интегрированные MOSFETы, то вам, вероятно, потребуется некоторый уровень термического охлаждения в вашем дизайне, чтобы предотвратить перегрев компонента и его выход из строя.

Обязательно тщательно подбирайте ваш компонент драйвера, внешние MOSFETы (если они не интегрированы на кристалле драйвера), генератор PWM и любые компоненты, используемые в обратной связи.

Сравнение двух драйверов полного моста MOSFET

Драйвер полного моста MOSFET L6203 от STMicroelectronics показывает уровень интеграции этих компонентов и как они обеспечивают высокую мощность. Этот компонент предназначен для управления малыми двигателями и включает интегрированную схему H-моста MOSFET с выходным напряжением до 48 В при умеренно высоком токе (5 А пиковый, 4 А RMS). L6203 включает внутренний опорный источник напряжения для точной регулировки, схему термозащиты и вывод включения от внешнего контроллера. Резистор обратной связи может быть подключен для управления двигателем. Входные и управляющие выводы также могут модулироваться для обеспечения однофазного или двухфазного рубильника для внешнего двигателя.

Сопоставимый компонент - TLE7181EMXUMA1 от Infineon. Из приведенной ниже блок-схемы видно, что этот компонент может быть настроен для работы как двойного полумоста или полного моста с использованием 2 или 4 MOSFETов соответственно. Эти внешние MOSFETы используются для привода двигателей постоянного тока высокого тока в 12 В электросетях (до 34 В напряжения питания) при высоком токе. Для обеспечения надежности и предотвращения повреждения последующих компонентов предусмотрена комплексная схема защиты, обеспечивающая защиту от недостаточного/избыточного напряжения, перегрузки по току, перегрева и короткого замыкания. Кроме того, имеется интегрированный регулятор для обеспечения стабильного выхода.

Эти два компонента имеют различные уровни интеграции и встроенные функции, но они являются хорошими примерами того, чего можно ожидать от типичных компонентов драйвера полного моста MOSFET. L6203 интегрирует все на кристалле и обеспечивает компактное решение, но выходная мощность ограничена MOSFET на кристалле. Рассеивание тепла происходит непосредственно в компоненте, поэтому могут потребоваться меры охлаждения, чтобы предотвратить перегрев.

В отличие от этого, TLE7181EMXUMA1 можно использовать с различной мощностью, которая будет ограничена потреблением от двигателя, пределами тока внешних MOSFET и используемым блоком питания с внешними MOSFET. В целом, драйвер вместе с его внешней мостовой схемой занимает больше места, но вы можете получить больше мощности.

Другие компоненты для драйверов двигателей и энергосистем

Выше показанные компоненты являются высокоинтегрированными компонентами драйвера двигателя, но всегда есть и другие компоненты, которые вам понадобятся для обеспечения стабильной подачи энергии к двигателю или преобразователю мощности. Компоненты для управления/включения драйвера, предоставления сигнала ШИМ, контроля и регулирования выходной мощности, а также фильтрации для обеспечения чистой, без помех энергии, подаваемой на нагрузку в системе.

Когда вы ищете драйверы полного моста MOSFET с любым уровнем интеграции, попробуйте использовать расширенные функции поиска и фильтрации на Octopart. У вас будет доступ к обширному поисковому движку с данными дистрибьюторов и спецификациями деталей, все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами управления питанием, чтобы найти компоненты, необходимые для преобразования, кондиционирования и управления питанием.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.