Thiết kế Bộ Chuyển Đổi DC-DC Cách Ly Nửa Cầu

Created: Tháng Ba 4, 2022
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Mặc dù gần như tất cả nguồn điện lưới được tạo ra trực tiếp dưới dạng điện xoay chiều (AC), nhưng các thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng hàng ngày lại phụ thuộc vào điện một chiều (DC). Các công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng thay thế, xe điện, cơ sở hạ tầng, điều khiển động cơ và robot phụ thuộc vào các bộ chuyển đổi nguồn có thể nhận đầu vào AC, chỉnh lưu thành DC và chuyển đổi này thành điện áp tiêu chuẩn với hiệu suất cao và mật độ công suất cao. Trong những công nghệ tiên tiến này, mật độ công suất và hiệu suất rất quan trọng vì những hệ thống này đều phụ thuộc vào việc cung cấp công suất cao với thời gian phản hồi nhanh ở một điện áp tiêu chuẩn.

Việc lựa chọn cấu trúc bộ chuyển đổi DC-DC rất quan trọng vì nó sẽ xác định mật độ công suất và mức độ điều chỉnh cần thiết, cũng như tổng lượng công suất có thể được trích xuất từ hệ thống. Các ứng dụng hiện đại mà tôi đề cập ở trên phụ thuộc vào bộ chuyển đổi DC-DC cô lập nửa cầu để cân bằng nhu cầu về việc cung cấp điện năng hiệu quả cao ở điện áp tiêu chuẩn với chi phí và kích thước.

Tại sao sử dụng cấu trúc nửa cầu thay vì cấu trúc cầu đầy? Khi chúng ta xem xét các điểm thiết kế xung quanh cấu trúc nửa cầu, một số ưu điểm của nó so với cấu trúc cầu đầy sẽ trở nên rõ ràng. Chúng ta sẽ xem xét những điểm này và chỉ ra một số thành phần ví dụ bạn có thể sử dụng để thực hiện thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC cô lập nửa cầu của riêng bạn.

Cấu trúc Nửa Cầu Cô Lập

Mạch bộ chuyển đổi DC-DC nửa cầu có một số yếu tố chung xuất hiện trong hệ thống thực hiện việc lái, chỉnh lưu, lọc, giảm EMI và điều khiển:

Yếu tố ghép nối: Điều này đề cập rộng rãi đến một máy biến áp xung/công suất, hoặc một optocoupler. Sự lựa chọn của yếu tố chuyển mạch phụ thuộc vào công suất đầu ra và vị trí đặt yếu tố ghép nối và tín hiệu nào được ghép nối với đầu ra. Lưu ý rằng cơ chế ghép nối có thể được tích hợp vào trình điều khiển cổng.
Yếu tố chuyển mạch: Trong quá khứ, đây sẽ là các transistor Si bipolar, nhưng các hệ thống mới hơn đang sử dụng FETs GaN hoặc SiC làm yếu tố chuyển mạch để đảm bảo chuyển đổi công suất hiệu quả cao.
Mạch điều khiển cổng: Trình điều khiển thường là một bộ tạo PWM tích hợp cao, có thể hoạt động ở mức logic tùy thuộc vào đặc tính điều khiển cổng của các FETs chuyển mạch. Những linh kiện này đôi khi có một chân cảm biến dòng tích hợp, và trình điều khiển sẽ điều chỉnh đầu ra nếu có bất kỳ biến động nào.
Diode: Những yếu tố chỉnh lưu này thường được tìm thấy ở phía đầu ra khi mạch lái/FETs được đặt ở phía đầu vào, hoặc ngược lại. Chúng sẽ buộc dòng đầu ra luôn chảy theo cùng một hướng bất kể hướng của dòng đầu vào.

Một số thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC cô lập nửa cầu ví dụ được hiển thị dưới đây. Bạn sẽ nhận thấy rằng yếu tố ghép nối có thể ghép nối tín hiệu điều khiển cổng hoặc công suất với đầu ra.

Tôi không bao gồm phản hồi vào mạch điều khiển chỉ để tránh làm cho các hình ảnh trên trở nên rối rắm. Tuy nhiên, bạn hoàn toàn có thể bao gồm một vòng phản hồi thông qua một điện trở cảm biến dòng và một khuếch đại cảm biến dòng. Một số linh kiện điều khiển tích hợp cao sẽ có sẵn tính năng này vì chúng không được cấu hình cao, nghĩa là chúng điều khiển các FET cụ thể để cung cấp các mức điện áp cụ thể cho tải. Trong bất kỳ mạch nào mà giai đoạn điều khiển nằm ở phía đầu vào, bạn sẽ cần có optocoupler để vượt qua khoảng cách.

Kết nối Điện hoặc Kết nối Điều khiển Cổng?

Các ví dụ này thực hiện hai loại kết nối: kết nối điện và kết nối điều khiển cổng. Chỉ có triển khai ở góc trên bên trái kết nối điện trực tiếp với đầu ra, do đó nó sẽ được sử dụng để cung cấp điện năng cao cho tải. Các diode sẽ cần có điện áp đánh thủng ngược cao. Cuộn cảm đầu ra (L1) cũng cần phải có điện trở DC thấp/rating dòng cao để xử lý điện năng được cung cấp. Loại hệ thống này có thể được sử dụng trong chế độ tăng áp hoặc giảm áp, tùy thuộc vào yêu cầu của tải. Loại hệ thống này thường được triển khai dưới dạng một bảng mạch độc lập, như trong một PSU chuyên dụng.

Tất cả các phương pháp khác được hiển thị ở trên đều kết nối một tín hiệu điều khiển cổng hoặc tín hiệu kích hoạt cổng. Trong trường hợp tín hiệu điều khiển cổng được kết nối, phần tử kết nối thường sẽ là một optocoupler, giả sử tín hiệu điều khiển cổng ở mức logic, mặc dù biến áp cũng có thể được sử dụng. Tất cả điều này có thể được tích hợp vào mạch điều khiển cổng; nó không cần phải được đặt trong các linh kiện riêng biệt trừ khi vượt quá các rating công suất là một vấn đề nào đó.

Triển khai Cách ly

Cách ly sẽ cần thiết khi dòng đầu ra rất cao. Các mạch này đều khác nhau về cách cách ly được triển khai về mặt linh kiện. Về mặt bố trí PCB, việc triển khai cách ly là đơn giản; bạn chỉ cần chia mặt đất thành hai mạng lưới giữa phía đầu vào và đầu ra của hệ thống. Điều này tạo ra hai bộ vòng dòng điện khác nhau ở mỗi phía của hệ thống (đầu vào/đầu ra hoặc chính/thứ cấp).

Kết nối Điều khiển Cổng

Trong các mạch kết nối điều khiển cổng, cách ly được triển khai theo ba cách có thể: với một optocoupler, một biến áp, hoặc bên trong mạch điều khiển cổng sử dụng cách ly nút. Phương pháp cụ thể nào nên được sử dụng phụ thuộc vào cách điện năng được kết nối qua khoảng cách. Nếu chỉ là tín hiệu điều khiển cổng, sẽ có điện áp/dòng thấp, thì một optocoupler hoặc nút cách ly sẽ phù hợp. Một optocoupler có thể được sử dụng để kết nối chỉ tín hiệu kích hoạt bật một linh kiện điều khiển (ở góc dưới bên trái trong các ví dụ ở trên), hoặc tín hiệu PWM có thể được kết nối qua khoảng cách cách ly sử dụng optocoupler hoặc biến áp nhỏ (cả hai mạch ở bên phải).

Trong cả ba trường hợp với việc ghép nối truyền động cổng ở trên, chức năng của bộ chuyển đổi DC-DC cơ bản là để điều chỉnh việc cung cấp năng lượng từ một nguồn ở phía đầu ra. "Tải" trong các trường hợp trên sẽ là giai đoạn chỉnh lưu tiêu chuẩn trong một bộ chuyển đổi buck/boost, hoặc có thể là một bộ chuyển đổi flyback với một máy biến áp bổ sung. Điều này sẽ chuyển đổi đầu ra dao động thành điện áp DC ổn định.

Ghép Nối Năng Lượng

Nếu năng lượng được ghép nối trực tiếp vào đầu ra, nó sẽ được chuyển mạch ở phía sơ cấp của máy biến áp, sau đó nó sẽ được ghép nối vào phía đầu ra. Khoảng trống mặt đất sẽ cần được đặt trực tiếp giữa các cuộn dây máy biến áp theo cách thông thường. Một ví dụ về việc triển khai này được hiển thị dưới đây, nơi năng lượng được cung cấp hoàn toàn bởi mạng V_IN. Điều này nên giải thích tại sao việc triển khai trình điều khiển nửa cầu phía sơ cấp thường được tìm thấy trong thiết kế nguồn cung cấp năng lượng cách ly.

Các mạng GND cũng cần được nối lại với nhau bằng một tụ điện an toàn, chẳng hạn như một tụ điện loại Y. Tụ điện này nên được đặt qua khoảng trống mặt đất giữa cả hai phần của bộ chuyển đổi, và nó nên có dung lượng vượt qua dung lượng điện dung giữa các cuộn dây của bất kỳ máy biến áp nào được sử dụng để ghép nối. Hãy chắc chắn rằng dòng rò của tụ điện không quá lớn vì điều này có thể tạo ra một cú sốc nhẹ cho người dùng nếu họ tương tác với cực mặt đất ở phía đầu ra.

Chọn Loại FET Nào?

Việc chọn FET cũng quan trọng trong các cấu trúc trên vì điều này sẽ quyết định giới hạn hoạt động của bộ chuyển đổi như một thiết bị cung cấp năng lượng. Trong các triển khai trên, loại FET được sử dụng không ảnh hưởng đến thiết kế tổng thể của mạch, ít nhất là về mặt cấu trúc của nó. Thay vào đó, FET (GaN, GaAs, SiC, v.v.) nên được chọn dựa trên điện áp hoặc tốc độ chuyển mạch cần thiết, đặc biệt nếu năng lượng sẽ được rút trực tiếp qua đầu ra. Tổng năng lượng cần cung cấp cho thiết bị cũng quan trọng vì các thành phần này có thể nhanh chóng quá nhiệt khi được sử dụng để cung cấp điện áp quá mức.

Bộ Chuyển Đổi DC-DC Nửa Cầu so với Cầu Đầy Đủ

Một cấu trúc cầu đầy đủ tuân theo cùng một ý tưởng khái niệm về chuyển mạch và chỉnh lưu trong một bộ chuyển đổi nửa cầu, nhưng nó sử dụng một sắp xếp H-bridge trong ngân hàng MOSFET để thực hiện chuyển mạch. Nói cách khác, điều này đòi hỏi ít nhất 4 transistor với một mạch điều khiển phối hợp. Giống như trong một bộ chuyển đổi DC-DC nửa cầu, việc điều khiển có thể được thực hiện thông qua một vòng phản hồi bằng cách đưa đầu ra trở lại mạch điều khiển thông qua một điện trở cảm biến dòng. Tín hiệu PWM của trình điều khiển sau đó có thể được điều chỉnh để bù cho sự biến đổi pha của đầu ra hoặc sự sụt giảm trong điện áp đầu ra.

Thông thường, bộ chuyển đổi DC-DC cầu đầy đủ sẽ được sử dụng trong một cấu trúc LLC cộng hưởng với ngân hàng MOSFET ở phía bên kia của một máy biến áp xung. Tuy nhiên, bạn hoàn toàn có thể đặt ngân hàng MOSFET ở phía bên đầu ra của hệ thống. Bảng dưới đây cung cấp sự so sánh giữa các lựa chọn bộ chuyển đổi DC-DC cầu đầy đủ và cầu nửa với một số ưu và nhược điểm của chúng.

Từ bảng trên, chúng ta có thể tóm tắt ngắn gọn các sự đánh đổi khi sử dụng cấu trúc bộ chuyển đổi DC-DC cầu đầy đủ so với cầu nửa. Cấu trúc cầu đầy đủ có thể tiếp cận công suất đầu ra cao hơn so với cấu trúc cầu nửa; để hai cái bằng nhau, bạn có thể cần sử dụng FET song song trong bố trí cầu nửa với các ngân hàng đặt ở phía đầu ra. Tuy nhiên, sự đánh đổi cho công suất cao hơn và dao động thấp hơn là tiếng ồn chuyển mạch gấp đôi tiềm năng và nhu cầu về các thành phần cảm ứng lớn hơn về mặt vật lý bất cứ khi nào chúng được triển khai trên nút đầu ra công suất trong hệ thống. Dấu chân cũng lớn hơn cho hệ thống cầu đầy đủ, một phần do số lượng MOSFETs lớn hơn nhưng cũng do giai đoạn trình điều khiển cổng.

Chọn Linh Kiện cho Bộ Chuyển Đổi Cầu Nửa

Rõ ràng, có rất nhiều linh kiện cần xem xét khi chọn phần cho thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC cách ly cầu nửa. Nhiều công ty bán dẫn đã phát triển danh mục sản phẩm nhắm mục tiêu cụ thể vào cấu trúc cầu nửa và cầu đầy đủ với FET hiệu suất cao và mạch điều khiển/tích hợp động cơ để đảm bảo điều chỉnh rất chính xác, ngay cả khi có sự giảm điện áp đầu vào. Một số linh kiện bạn sẽ cần cho bộ chuyển đổi công suất DC-DC của mình có thể được tìm thấy trong các hướng dẫn khác của chúng tôi:

Khi bạn cần tìm linh kiện cho thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC cách ly cầu nửa của mình, hãy sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá cả của nhà phân phối cập nhật, hàng tồn kho, và thông số kỹ thuật của linh kiện, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm linh kiện bạn cần.

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