Како биполарно да контролирате униполарен двигател на портата
Прашање: Дали ви треба посебен двигател на портата за да генерирате позитивни и негативни напони? Одговор: Не, можете да го прилагодите униполарниот двигател на портата за возење на биполарен начин.
Доколку се потребни позитивни и негативни погони на портата за модул за напојување, дизајнерите на кола не мора да бараат двигател на портата што специфично овозможува биполарно работење.
Може да се користи трикот опишан подолу за да се создадат биполарни напони со униларен двигател на портата.
Ако возите MOSFET и IGBT средна и голема моќност, постои ризик дека ќе се појави ефектот Милер при вклучување ако има голема промена на напонот на модулот за напојување. Во овој случај, струјата се инјектира на портата на компонентата на моќноста преку капацитетот на одводот на портата или колекторот на портата.
Ако оваа струја е доволно за да го зголеми напонот на портата над прагот на компонентата, може да се појави паразитски прекинувач, што може да доведе до помала ефикасност или откажување на компонентата.
Ефектот Милер го опишува зголемувањето на влезниот капацитет на инвертен засилувач, што се случува поради ефективното засилување на капацитетот помеѓу влезот и излезот на овој засилувач. Ефектот може да биде ослабен со патека со многу мала импеданса од портата на електричниот уред до изворот или одводот.
Друга можност е да се вози портата со негативен напон во однос на изворот или одводот. Целта на техниките за ублажување на ефектот Милер е да се задржи напонот на портата под посакуваниот праг кога ќе се појави струја на пренапон поради капацитет на Милер.
Негативни напон на погонот на портата
На некои уреди за напојување им е потребен и негативен напон со цел целосно да се исклучат, што бара еден вид негативен напон на возачот што доаѓа од двигателот на портата. Производителите препорачуваат негативни напонски погонски напони за стандардни силиконски MOSFET, IGBT, SiC и GaN компоненти.
Постои широк спектар на изолирани двигатели на портите што работат на секундарната страна (страната што го управува уредот за напојување) на еднополарното напојување. Сепак, овие вклучуваат значително помалку двигатели на портите што експлицитно дозволуваат биполарна контрола.
Еден метод за решавање на проблемот со непостоечките компоненти со негативен напон на погонот на портата е да се оддели двигателот на портата од компонентата за напојување. На овој начин се создава негативен напон на двигателот на портата во однос на портата или одводот на компонентата за напојување, а IC-то на двигателот на портата препознава само еднополно напојување. Слика 1 прикажува примери на униполарни и биполарни форми на напон на двигателот.
Дијаграм на кола со идеален извор на напон е прикажан на слика 2. Во овој пример, компонентата за напојување се снабдува од возачот IC со напон што одговара на збирот на U1 и U2, додека портата на MOSFET во ON состојба со + U1 и во OFF состојба со - U2, во однос на изворниот јазол на MOSFET се контролира.
Во овој пример, двата извори се раздвојуваат со посебни кондензатори. Ефективно раздвојување за IC-двигателот на портата е сериско поврзување на кондензаторите, чиј вкупен капацитет е помал од вредноста на секој одделен кондензатор.
Доколку е потребно, може да се вметне дополнително раздвојување помеѓу UDD и GND. Притоа, важно е да се чуваат кондензаторите C1 и C2 како кондензатори кои одделно обезбедуваат патеки со мала импеданса за струјата на портата при вклучување и исклучување.
Изолирани двигатели на портите со УВЛО
Изолираните двигатели на портите честопати имаат заклучување на поднапонски напон (УВЛО), што спречува компонентата на напојувањето да се вози премногу слабо, ако возачот на портата се вози со напон на портата, кој е пренизок. Ако управуваниот униларен двигател на портата од Слика 2, очекуваната работа на УВЛО обично е поврзана со земјата на двигателот на портата.
Како пример, земаме случај кога U1 = 15 V и U2 = 9 V и заклучувањето на поднапонот на двигателот на портата е околу 1 V, што е вообичаено кога се користат IGBT. Ако U1 потоа падне за повеќе од 4 V, УВЛО нема да се активира, но ИГБТ би се управувал под 11 V за време на ВКЛУЧЕНО време и со тоа се потценувал.
За овој пример, може да се генерираат два одделни извори на напон со две одделни изолирани напојувања, но цената е висока. Ако се користи конфигурација за враќање назад, може да се прислушат различни намотки со цел да се создадат различни напони релативно лесно.
Постојат и изолирани модули како извори на напон што снабдуваат изолиран напон. Еден доаѓа од РЕКОМ и нуди изолиран напон на напојување од +15 V и –9 V.
Возачот на портата мора да биде дизајниран за толку голем замав на напон. Два двигатели на портите што работат добро со овие напони се двигателите на портите IGBT со iCoupler технологија ADuM4135 и ADuM4136, кои нудат опсег на напон што овозможува употреба до 30 В.
Двете компоненти имаат наменска игла на излезната страна, што овозможува УВЛО-то на возачот да се упати на позитивното ниво на напојување. ADuM4135 има и вградена стегалка на Милер што го ослабува ефектот на Милер.
Пред-натоварени Зенер диоди за вториот напон
Едноставен начин да се создаде биполарно напојување со само еден напон на напојување е да се генерира втор напон со пристрасна зенер диода. Иако двигателите на портите генерираат големи струи кога се вклучуваат и исклучуваат компонентите на напојувањето, просечната струја што ја бара напојувањето е релативно мала - честопати само неколку десетици mA за повеќето апликации.
Зенер диодата може да се постави така што регулира или позитивен или негативен напон. Во зависност од ова, може да се избере кое ниво мора да има поголема точност.
Примерот прикажан на слика 3 е конфигуриран така што позитивниот напон е регулиран поточно од негативниот. Една од причините за точно регулирање на позитивниот напон може да биде дека портата што треба да се контролира има само многу мала толеранција во однос на напонот на портата, како што е случајот со некои GaN компоненти.
Точното регулирање на позитивното напојување, исто така, има предност што УВЛО на двигателот на портата работи како што се очекуваше, бидејќи секое осцилирање на U3 кај Зенер диодата е ослабено сè додека U3 не биде премал за да го обезбеди напонот на Зенер.
Ако Зенер диодата се користи за да се генерираат две од еден напон на напојување, распоредот е исто така поедноставен. Зенер диодата и отпорник не само што ефикасно го заменуваат целосно изолираниот извор на напон, туку кога се користи униполарен изолиран двигател на портата, може да се користи компонента со само шест врски - како ADuM4120. Ова заштедува уште поголем простор околу IC-то на двигателот на портата по изолираните области на струјата на истекување.
Референтен пример со биполарна конфигурација на диодата Зенер
Референтен пример за полу-мост со биполарна конфигурација на диодерна зенер е изграден со употреба на ADuM4121 од ADI и GS66508T од GaN Systems. Овој пример обезбедува напон на возачот од + 5 V и - 4 V за напојувањето на компонентата.
Референтниот пример лесно може да се прилагоди на погонски напон од +6 V и -3 V и исто изолирано напојување од 9 V со различна Зенер диода. Долго мртво време се користи за јасно одвојување на напливот на струјата на Милер од другите минливи прекинувачи.
Во пракса, сепак, ADuM4121 дозволува значително пократки мртви времиња во опсег од неколку 10 ns, што е важен параметар за GaN кола со висока ефикасност.
Заклучок: Нема ништо комплицирано во создавањето на негативен напон на погонот на портата што ќе го ублажи ефектот на Милер кога е вклучен. Со многу двигатели на портите кои работат еднополарно може да се управува и на таков начин што тие возат портата негативна со само минимални надворешни кола. Иако постојат некои импликации за кои треба да се внимава, како што е ефективниот УВЛО напон, придобивките од таквата работа се огромни.
* * Рајан Шнел е инженер за апликации во Аналогни уреди во Вилмингтон, САД.
Биполарни напојувања за системи за тестирање и мерење