Hướng dẫn Lựa chọn và Thiết kế Trình điều khiển MOSFET Cầu Đầy đủ

Created: Tháng Hai 11, 2022
Updated: Tháng Sáu 25, 2023

Việc cung cấp năng lượng với dòng điện và điện áp DC ổn định là rất quan trọng đối với các bộ điều chỉnh/đổi nguồn năng lượng, trình điều khiển động cơ và các ứng dụng khác như mạch phát sáng và tạo xung. Nhiều nhà thiết kế làm việc trên các hệ thống công suất thấp có thể bị cám dỗ để cố gắng mở rộng một cấu trúc đổi nguồn công suất thấp lên hệ thống công suất cao hơn, nhưng điều này không mang lại lợi ích cho nhà thiết kế. Cố gắng cung cấp năng lượng với một cấu trúc chuyển đổi/điều chỉnh tiêu chuẩn cuối cùng dẫn đến hỏng linh kiện, cung cấp năng lượng không đủ, hoặc một hệ thống quá khổ với hiệu suất thấp.

Đối với việc cung cấp năng lượng DC từ mức vừa phải đến cao, một cấu trúc cầu là lựa chọn tốt hơn, cụ thể là cấu trúc cầu đầy đủ với MOSFETs. Các MOSFET được sử dụng làm yếu tố chuyển mạch cung cấp điện trở trạng thái thấp, tổn thất công suất thấp, điện áp phá hủy cao, và dòng bão hòa cao so với IGBT tương đương. Sử dụng MOSFET trong cấu trúc này đòi hỏi một trình điều khiển MOSFET cầu đầy đủ để chuyển đổi các transistor bằng tín hiệu PWM. Những linh kiện này có thể được tích hợp cao với kích thước nhỏ gọn để điều khiển tải dòng cao, mang lại cho các nhà thiết kế một lựa chọn gọn nhẹ cho sản phẩm của họ.

Hiểu về Trình Điều Khiển MOSFET Cầu Đầy Đủ

Cấu trúc tiêu chuẩn được sử dụng để cung cấp năng lượng trong các động cơ thương mại và bộ chuyển đổi năng lượng là một trong nhiều cấu trúc chuyển mạch. Các nhà thiết kế bộ chuyển đổi chuyển mạch có thể quen thuộc với các cấu trúc chuyển đổi tiêu chuẩn như buck, boost, buck-boost, và flyback, nơi một hoặc nhiều transistor chuyển mạch được sử dụng để điều chỉnh công suất đầu ra và thiết lập mức điện áp đầu ra. Những linh kiện này được tích hợp cao vì những hệ thống này không chung được sử dụng cho chuyển đổi DC-DC công suất cao hoặc cung cấp năng lượng trong động cơ.

Để hiểu tại sao những linh kiện này quan trọng và cách chúng được sử dụng, việc nhìn vào hai ứng dụng phổ biến nhất của trình điều khiển MOSFET cầu đầy đủ là hữu ích: bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC và ổ đĩa động cơ.

Ví dụ: Bộ Chuyển Đổi Cộng Hưởng LLC Cầu Đầy Đủ

Thay vào đó, các bộ chuyển đổi công suất cao và trình điều khiển động cơ sử dụng cấu hình cầu đầy đủ hoặc cầu nửa của các transistor chuyển mạch. Các linh kiện trình điều khiển cho động cơ và bộ chuyển đổi năng lượng được thiết kế để chuyển đổi mỗi bên của mạch cầu đầy đủ hoặc cầu nửa với tín hiệu PWM, cung cấp năng lượng cho tải. Trình điều khiển cổng cầu đầy đủ cho MOSFET công suất cao cơ bản tích hợp nhiều IC trình điều khiển cổng cho một transistor cá nhân vào một chip duy nhất. Sơ đồ mạch dưới đây cho thấy một IC trình điều khiển cầu đầy đủ với bốn MOSFET được sử dụng làm yếu tố chuyển mạch trong một bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC.

Trong hệ thống này, nhiệm vụ của bộ điều khiển cầu đầy đủ là khuếch đại tín hiệu PWM và sử dụng nó để chuyển đổi bốn transistor bật và tắt; chỉ có hai transistor được bật cùng một lúc. Trong cấu trúc này, ở phía cuộn cảm chính, IC điều khiển chuyển đổi transistor bên trái phía cao và transistor bên phải phía thấp bật cùng một lúc, trong khi các transistor khác vẫn tắt. Trong chu kỳ tiếp theo, trạng thái của tất cả 4 transistor được chuyển đổi. Cuối cùng, ở phía thứ cấp của cuộn cảm, điện áp đầu ra được chỉnh lưu bằng diode để tạo ra một điện áp DC ổn định.

Giống như bất kỳ cấu trúc chuyển đổi nào khác, dòng điện đầu ra có thể được cảm nhận và phản hồi vào đầu vào, sau đó có thể được sử dụng để điều chỉnh tín hiệu PWM để đảm bảo điều chỉnh ổn định. Bất kỳ chức năng điều khiển nào, bao gồm bất kỳ chức năng kích hoạt nào trên IC điều khiển MOSFET cầu đầy đủ, được thực hiện trong một MCU hoặc logic chuyên biệt. Một cấu trúc tương tự rất có thể được sử dụng để cung cấp điều chỉnh công suất ổn định trong các động cơ DC lớn.

Trong ứng dụng chuyển đổi công suất trên, chúng ta có thể thực hiện một cầu bán phần thuần túy (ví dụ, bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC bán cầu). Các bộ điều khiển bán cầu và cầu đầy đủ có thể được sử dụng trong mạch điều khiển động cơ, như chúng ta sẽ thấy dưới đây.

Ví dụ: Bộ điều khiển MOSFET cầu đầy đủ đơn so với Bán cầu kép cho Động cơ

Hai cách thực hiện phổ biến của việc điều khiển động cơ với công suất DC ổn định, có thể điều chỉnh là với bộ điều khiển cầu đầy đủ và bán cầu. Hai ví dụ với việc điều khiển bán cầu và cầu đầy đủ cho một động cơ được hiển thị trong các sơ đồ dưới đây.

Trong ví dụ này, cần phải lựa chọn cẩn thận bộ điều khiển bán cầu kép sao cho tín hiệu điều khiển được truyền qua IC điều khiển thứ cấp. Một số linh kiện mặc định cho phép điều này, chẳng hạn như MAX14871 của Maxim Integrated. Nếu chức năng này không được kích hoạt trong linh kiện điều khiển, bạn sẽ cần phải gửi tín hiệu PWM ra IC thứ cấp song song. Ngoài ra, hãy chú ý đến trạng thái của các MOSFET trong cấu hình bán cầu; trạng thái MOSFET trên và dưới ở mỗi bên được đảo ngược để cung cấp dòng điện cần thiết cho động cơ.

Ngược lại, bảng bên phải hiển thị cùng một cách thực hiện nhưng với bộ điều khiển MOSFET cầu đầy đủ. Trong mạch này, đầu ra từ IC điều khiển chuyển đổi các MOSFET thành cặp sử dụng một tín hiệu PWM duy nhất từ một MCU. Lựa chọn tích hợp cao này giảm số lượng linh kiện cần thiết và vẫn có thể được sử dụng với phản hồi chính xác cho kiểm soát tốc độ hoặc công suất.

Bộ điều khiển cầu đầy đủ so với Bộ điều khiển cổng

Một IC điều khiển cổng cung cấp chức năng tương tự như một bộ điều khiển cầu đầy đủ: nó chuyển đổi một MOSFET giữa các trạng thái BẬT và TẮT. Có một số khác biệt về cách các linh kiện này được triển khai trong thiết kế. Trong khi một bộ điều khiển cầu đầy đủ được thiết kế cụ thể cho một cấu hình cố định với bốn MOSFET, một bộ điều khiển cổng có thể chuyển đổi từng MOSFET mà không cần đồng bộ hóa với bất kỳ bộ điều khiển cổng nào khác. Lưu ý rằng bạn có thể tạo một mạch điều khiển MOSFET cầu đầy đủ sử dụng bốn bộ điều khiển cổng MOSFET. Lựa chọn nào phụ thuộc vào điện áp cung cấp bạn cần để chuyển đổi các MOSFET, và mức độ tích hợp cần thiết trong linh kiện.

Chọn Linh Kiện Bộ Điều Khiển MOSFET Cầu Đầy Đủ

Dòng điện ra có lẽ là thông số quan trọng nhất bạn cần xem xét, và thông số này nên được so sánh với thông số của các transistor của bạn. Dưới đây là một số thông số quan trọng khác bạn nên xem xét khi chọn một IC điều khiển cổng:

Tích hợp. Một số trình điều khiển MOSFET cầu đầy đủ sẽ bao gồm các MOSFET trên chíp. Những linh kiện này sẽ tỏa nhiệt trực tiếp trên chíp và sẽ có một xếp hạng dòng bão hòa nhất định.
Điện áp cung cấp. Thông số điện áp cung cấp xác định độ sâu mà MOSFET có thể được chuyển đổi giữa trạng thái BẬT và TẮT.
Tùy chọn nửa cầu kép. Một số trình điều khiển cổng cầu đầy đủ có thể được sử dụng như hai trình điều khiển nửa cầu độc lập (xem ứng dụng điều khiển động cơ ở trên).
Dải tần số PWM và chu kỳ làm việc. Những tham số này quan trọng trong bất kỳ bộ chuyển đổi hoặc trình điều khiển chuyển mạch nào. Cụ thể, chu kỳ làm việc sẽ xác định công suất trung bình được cung cấp, trong khi tần số có thể ảnh hưởng đến lợi ích và trở kháng trong thành phần tải, đặc biệt là trong các tải cảm ứng được tìm thấy trong điều khiển động cơ và sản phẩm công suất.
Xếp hạng nhiệt độ. Những linh kiện này có thể hoạt động ở công suất cao, hoặc chúng có thể hoạt động gần các linh kiện khác tỏa nhiệt cao. Xem xét xếp hạng nhiệt độ và bất kỳ chiến lược làm mát nào bạn có thể cần thực hiện trong hệ thống của mình. Nếu trình điều khiển bao gồm MOSFET tích hợp, thì bạn sẽ cần một số mức làm mát nhiệt trong thiết kế của mình để giữ cho linh kiện không bị quá nhiệt và hỏng.

Hãy chắc chắn rằng bạn phối hợp cẩn thận linh kiện trình điều khiển của mình, MOSFET bên ngoài (nếu không được tích hợp trên chíp trình điều khiển), bộ tạo PWM, và bất kỳ linh kiện nào được sử dụng trong vòng phản hồi.

So sánh Hai Trình Điều Khiển MOSFET Cầu Đầy Đủ

Trình điều khiển cổng MOSFET cầu đầy đủ L6203 từ STMicroelectronics cho thấy loại tích hợp liên quan trong những linh kiện này và cách chúng cung cấp công suất cao. Linh kiện này được thiết kế để điều khiển động cơ nhỏ và bao gồm một bố trí MOSFET H-bridge tích hợp với điện áp ra lên đến 48 V ở dòng điện cao vừa phải (5 A đỉnh, 4 A RMS). L6203 bao gồm một tham chiếu điện áp nội bộ cho quy định chính xác, mạch ngắt nhiệt, và chân kích hoạt từ bộ điều khiển bên ngoài. Một điện trở cảm biến có thể được kết nối để cung cấp phản hồi cho điều khiển động cơ. Các chân đầu vào và kích hoạt cũng có thể được điều chế để cung cấp chặn một pha hoặc hai pha cho động cơ bên ngoài.

Một linh kiện tương đương là TLE7181EMXUMA1 từ Infineon. Từ sơ đồ khối bên dưới, chúng ta thấy rằng linh kiện này có thể được cấu hình cho việc điều khiển nửa cầu kép hoặc cầu đầy đủ với 2 hoặc 4 MOSFET tương ứng. Những MOSFET bên ngoài này được sử dụng cho việc điều khiển động cơ DC công suất cao trong mạng điện 12 V (lên đến 34 V điện áp cung cấp) ở dòng điện cao. Để đảm bảo độ tin cậy và ngăn chặn hư hại cho các linh kiện hạ lưu, có một mạch bảo vệ toàn diện cung cấp bảo vệ quá/điện áp thấp, quá dòng, quá nhiệt, và mạch ngắn. Ngoài ra, có một bộ điều chỉnh tích hợp để đảm bảo đầu ra ổn định.

Hai thành phần này có mức độ tích hợp và tính năng trên chip khác nhau, nhưng chúng là những ví dụ tốt về những gì bạn có thể mong đợi từ các thành phần điều khiển MOSFET cầu đầy đủ điển hình. L6203 tích hợp mọi thứ vào die và cung cấp một giải pháp có diện tích nhỏ, nhưng công suất đầu ra bị giới hạn bởi các MOSFET trên die. Sự phân tán nhiệt xảy ra trực tiếp trong thành phần, vì vậy có thể cần các biện pháp làm mát để ngăn chặn quá nhiệt.

Ngược lại, TLE7181EMXUMA1 có thể được sử dụng với một loạt công suất, sẽ bị giới hạn bởi lực kéo từ động cơ, giới hạn dòng điện MOSFET bên ngoài, và nguồn cung cấp điện sử dụng với các MOSFET bên ngoài. Tổng thể, bộ điều khiển cùng với mạch cầu bên ngoài của nó chiếm nhiều không gian hơn, nhưng bạn có thể nhận được nhiều công suất hơn.

Các Thành Phần Khác cho Bộ Điều Khiển Động Cơ và Hệ Thống Điện

Các thành phần được hiển thị ở trên là các thành phần điều khiển động cơ tích hợp cao, nhưng luôn có các thành phần khác bạn sẽ cần để cung cấp nguồn điện ổn định cho động cơ hoặc bộ chuyển đổi điện. Các thành phần để kiểm soát/kích hoạt mạch điều khiển, cung cấp tín hiệu PWM, cảm biến và điều chỉnh công suất đầu ra, và cung cấp bộ lọc để đảm bảo nguồn điện sạch, không nhiễu được cung cấp cho tải trong hệ thống.

Khi bạn đang tìm kiếm các bộ điều khiển MOSFET cầu đầy đủ với bất kỳ mức độ tích hợp nào, hãy thử sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trong Octopart. Bạn sẽ có quyền truy cập vào một công cụ tìm kiếm rộng lớn với dữ liệu nhà phân phối và thông số kỹ thuật của các bộ phận, tất cả đều có thể truy cập qua giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp quản lý điện năng của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần cho chuyển đổi, điều kiện, và quản lý điện năng.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.