Úvod do ovladačů hradel pro výkonovou elektroniku

Ovladač hradla je výkonový zesilovač, který přijímá nízkopříkonový vstup z řídicího obvodu a vytváří odpovídající vysokoproudový hradlový pohon pro výkonové zařízení. Vzhledem k tomu, že požadavky na výkonovou elektroniku stále rostou, jsou konstrukce a výkonnost obvodů ovladače hradla stále důležitější.

Výkonové polovodičové součástky jsou srdcem moderního výkonová elektronika systémy. Tyto systémy využívají jako spínací prvky mnoho polovodičových součástek, jako jsou běžné tranzistory, tranzistory FET, BJT, MOSFET, IGBT a další. spínané napájecí zdroje (SMPS), univerzální zdroje napájení (UPS) a motorové pohony. Moderní technologický vývoj v oblasti výkonové elektroniky obecně sleduje vývoj výkonových polovodičových zařízení.

Požadavky na úroveň výkonu a spínací frekvenci se v odvětví výkonové elektroniky zvyšují. Polovodičový tranzistor s oxidem kovů (MOSFET) a bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT) jsou dvě nejoblíbenější a nejúčinnější polovodičová zařízení pro spínané zdroje se středním až vysokým výkonem ve většině aplikací.

Brána MOSFETu nebo IGBT je elektricky izolovaná řídicí svorka každého zařízení. Ostatní svorky těchto zařízení jsou source a drain nebo emitor a kolektor. Pro provoz MOSFET/IGBT je obvykle nutné přivést na hradlo napětí, které je relativní vůči zdroji/emitoru zařízení. Aby se tato spínací zařízení uvedla do vodivého stavu, musí být svorka hradla kladná vzhledem k jeho zdroji/emitoru.

Chování výkonového zařízení při spínání je ovlivněno parazitními kapacitami mezi třemi svorkami, tj. mezi hradlem a zdrojem (C_gs), gate-to-drain (C_gd) a drain-to-source (C_ds), které jsou obvykle nelineární a jsou funkcí předpětí. Nabíjení kondenzátoru hradla zapíná výkonové zařízení a umožňuje průtok proudu mezi jeho svorkami drain a source, zatímco jeho vybíjení zařízení vypíná a na svorkách drain a source je blokováno velké napětí.

Napětí na hradle výkonového zařízení se nezvýší, dokud se nenabije jeho vstupní kapacita hradla, a výkonové zařízení se nezapne, dokud jeho napětí na hradle nedosáhne prahového napětí hradla (V_th). V_th výkonového zařízení je definováno jako minimální předpětí hradla potřebné pro vytvoření vodivé cesty mezi jeho oblastí source a drain. Pro provoz výkonového zařízení jako spínače je nutné napětí dostatečně větší než V_th mezi hradlem a zdrojem/emitorovou svorkou.

Ovladače hradel pro výkonovou elektroniku

V aplikacích s vysokým výkonem nemůže být hradlo výkonového spínače nikdy řízeno výstupem logického integrovaného obvodu (PWM regulátoru). Vzhledem k nízkým proudovým možnostem těchto logických výstupů by nabíjení kapacity hradla vyžadovalo nadměrně dlouhou dobu, pravděpodobně delší, než je doba trvání spínací periody. Proto musí být použity speciální ovladače, které přivádějí napětí a dodávají řídicí proud do hradla napájecího zařízení. Může se jednat o řídicí obvod, který může být realizován jako speciální integrovaný obvod, diskrétní tranzistory nebo transformátory. Může být také integrován do řídicího obvodu PWM.

A ovladač brány je výkonový zesilovač, který přijímá nízký výkonový vstup z řídicího obvodu a vytváří odpovídající vysoký proud pro napájení výkonového zařízení. Používá se v případech, kdy regulátor PWM nemůže poskytnout výstupní proud potřebný k řízení kapacity hradla příslušného výkonového zařízení.

Nedílnou součástí systémů výkonové elektroniky jsou obvody ovladačů hradel. Ovladače hradel tvoří důležité rozhraní mezi výkonovou elektronikou a řídicím obvodem a používají se k řízení výkonových polovodičových součástek. Výstup měničů DC-DC nebo SMPS závisí především na chování obvodů ovladače hradla, což znamená, že pokud obvod ovladače hradla neřídí hradlo výkonového zařízení správně, nebude výstup měniče DC-DC odpovídat konstrukčnímu požadavku. Proto je návrh obvodu ovladače hradla při návrhu výkonových elektronických měničů kriticky důležitý.

Typy ovladačů brány

Nízkoprofilové ovladače - Slouží k řízení spínačů s vazbou na zem (spínače na spodní straně).

Řidiči s vysokým a nízkým sklonem - Používá se k řízení dvou spínačů zapojených v můstkovém uspořádání (oba spínače s plovoucí a zemní referencí).

Izolace ovladače brány

Obvody pohonu hradel pro výkonové měniče a konvertory často vyžadují elektrickou izolaci z funkčních i bezpečnostních důvodů. Izolace je předepsána regulačními a bezpečnostními certifikačními orgány, aby se zabránilo nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Chrání také nízkonapěťovou elektroniku před jakýmkoli poškozením v důsledku poruch na obvodech na straně vysokého výkonu a před lidskou chybou na straně řízení. Elektrické oddělení různých funkčních obvodů v systému zabraňuje přímému vedení mezi nimi a umožňuje, aby jednotlivé obvody měly různé zemní potenciály. Signál a výkon mohou mezi izolovanými obvody stále procházet pomocí indukčních, kapacitních nebo optických metod.

Mnoho aplikací výkonových zařízení (např. měniče, kde je vyžadována vysoká hustota výkonu a vysoká účinnost) vyžaduje izolovaný obvod pohonu hradla. Například v topologiích výkonových měničů, jako jsou polomůstek, plný můstek, buck, dvouspínač vpřed a aktivní svorka vpřed, jsou vysoké nároky na napájení. a nízké spínače, protože nízké ovladače nelze použít přímo pro řízení horního výkonového zařízení. Horní výkonová zařízení vyžadují izolovaný ovladač hradla, protože zdroj a emitor horních zařízení nejsou na potenciálu země (plovoucí).

V jednoduché topologické struktuře můstku s řídicím obvodem, jak je znázorněno zde, může být zdrojová svorka spínače 1 floating kdekoli od země po potenciál stejnosměrné sběrnice. Proto jsou pro řízení spínačů na horní straně zapotřebí dvě věci:

1. Plovoucí zásobování - pro napájení všech obvodů spojených s tímto potenciálem středního bodu.
2. Posuvník úrovní - k přenosu řídicího signálu PWM do obvodů ovladače floating.

Izolační techniky

V zásadě existují dvě populární techniky pro implementaci izolovaných ovladačů hradel: magnetické (pomocí transformátorů pro pohon hradel) a optický (pomocí optočlenu). V několika dalších článcích se zaměříme na techniku magnetické izolace, konkrétně na vlastnosti a požadavky na konstrukci. transformátory pohonu brány.