A transformateur d'entraînement de porte est optimisé pour transmettre des impulsions électriques rectangulaires avec des temps de montée et de descente rapides afin d'activer ou de désactiver un dispositif de commutation.
Bien qu'il existe plusieurs circuits intégrés de commande de MOSFET/IGBT à canal flottant, une commande de grille couplée à un transformateur reste la meilleure option à utiliser pour les applications à haute puissance, et ce pour de nombreuses raisons. Par exemple, en raison du grand nombre d'enroulements de sortie isolés galvaniquement, un seul transformateur peut piloter tous les interrupteurs du pont et facilite également le pilotage d'interrupteurs parallèles (MOSFETs/IGBTs). Il présente également une polarisation négative de la grille lorsque le dispositif est éteint, ce qui réduit la susceptibilité dv/dt (un taux dv/dt excessif peut provoquer de fausses commutations ou endommager de manière permanente un dispositif de commutation). En outre, une solution couplée à un transformateur correctement conçue présente des retards négligeables et peut fonctionner avec des différences de potentiel plus élevées.
Transformateurs de commande de porte
A transformateur d'entraînement de porte est un transformateur optimisé pour transmettre des impulsions électriques rectangulaires avec des temps de montée et de descente rapides pour activer ou désactiver un dispositif de commutation. Il gère une faible puissance mais des courants de pointe élevés pour piloter la grille d'un commutateur de puissance. Les puissances nominales vont de µW à plusieurs KW.
Le transformateur de commande de grille fournit à la fois l'alimentation de secours et le décalage de niveau du signal de commutation vers le semi-conducteur de puissance, éliminant ainsi une alimentation flottante séparée. Il peut être utilisé pour piloter directement les grilles du commutateur de puissance (MOSFET/IGBT) ou pour isoler le signal de commande qui est ensuite appliqué à un circuit intégré de pilotage de grille. En outre, il fournit également une adaptation d'impédance.
Lorsqu'ils fonctionnent à des fréquences de commutation élevées (> 100 KHz), la conception et la construction de transformateurs d'entraînement de grille à haute isolation nécessitent une attention particulière afin d'éviter les effets néfastes des composants parasites (inductance de fuite et capacité distribuée).
Un transformateur de commande de grille peut également être appelé transformateur d'impulsions, transformateur de déclenchement, transformateur à large bande, ou transformateur de signal. La distinction repose principalement sur l'objectif réel du transformateur : lorsque le transformateur est utilisé pour piloter directement un portail d'alimentation, il est appelé transformateur d'entraînement de porte; s'il est utilisé uniquement comme moyen de transmission de signaux/impulsions de tension rectangulaires à une porte semi-conductrice, il est alors appelé transformateur d'impulsions. Cependant, en général, un transformateur d'impulsion transfère une impulsion de courant/tension du côté primaire/générateur du circuit au côté secondaire/charge du circuit en conservant sa forme et ses autres propriétés. Si l'impulsion du transformateur déclenche une action ou un événement, on peut parler de transformateur de déclenchement.
Les transformateurs ont au moins deux enroulements (primaire et secondaire) qui facilitent l'isolation, une caractéristique importante. Le rapport des spires entre le primaire et le secondaire permet également d'échelonner la tension, mais cela n'est généralement pas nécessaire.
Circuit de base
Le circuit de base d'une commande de porte isolée basée sur un transformateur est relativement grand. Outre le transformateur, il comprend également les composants de réinitialisation associés, tels que le condensateur de blocage C, la résistance primaire R, la résistance de grille Rg, les diodes Zener dos à dos, etc.
Lorsqu'une impulsion carrée est appliquée aux bornes du primaire, elle est transmise au secondaire sous forme d'onde carrée ou le signal transmis est une dérivée de la tension d'entrée.
Le condensateur de blocage C est placé en série avec l'enroulement primaire du transformateur pour fournir la tension de réinitialisation (polarisation négative) pour l'inductance de magnétisation. Sans le condensateur, il y aurait une tension continue dépendant du rapport cyclique aux bornes de l'enroulement (décalage continu ou “marche du flux”) et le transformateur saturerait. Il s'agit d'un circuit très simple ; l'amplitude de sa tension de sortie diminue avec l'augmentation du rapport d'utilisation, c'est pourquoi ce circuit limite le rapport d'utilisation à moins de 50%. Cette approche fonctionne bien dans les alimentation à découpage (SMPS) circuits, où la fréquence est élevée et le rapport cyclique faible.
Tension du condensateur de couplage :
La tension réelle de commande de la grille, Vc, change avec le rapport d'utilisation. En outre, les variations soudaines du rapport d'exploitation excitent le réservoir de résonance L-C formé par Lm & C. Cette résonance L-C peut être amortie par une résistance de faible valeur (R).
La grille est pilotée entre -Vc et VDRV-Vc au lieu des niveaux de tension de sortie originaux du circuit d'attaque, 0 V et VDRV
Des diodes Zener dos à dos sont utilisées pour brider la tension de grille du dispositif, évitant ainsi les surtensions générées par l'inductance de fuite du transformateur T non couplé. Une résistance de grille Rg est utilisée pour éviter le courant de surtension transitoire de la grille.
La saturation du noyau limite le produit tension-temps appliqué à travers les enroulements. La conception du transformateur doit anticiper le produit tension-temps maximal dans toutes les conditions de fonctionnement, ce qui doit inclure les transitoires les plus défavorables avec un rapport de service maximal et une tension d'entrée maximale en même temps.
Produit de temps de volt maximum :
T = Période de commutation
F = Fréquence de fonctionnement
VPEAK = Tension d'entraînement de crête
D = Cycle d'utilisation
Le transformateur de commande de grille est commandé par une largeur d'impulsion variable en fonction du rapport de travail PWM et d'une amplitude constante ou variable en fonction de la configuration du circuit.
Il existe deux types de circuits de commande de grille couplés à un transformateur : simple et à double extrémité.
Dans les circuits simples et doubles, les transformateurs de commande de grille fonctionnent dans le premier et le troisième quadrant du plan B-H.
Entraînements de porte couplés à un transformateur et à une seule extrémité
Les circuits de commande de grille à extrémité unique sont utilisés avec un contrôleur PWM à sortie unique pour commander un commutateur du côté haut et le transformateur de commande de grille est commandé par une largeur d'impulsion variable et une amplitude variable.
Ce circuit est limité à un rapport d'utilisation de 50%. Pour les applications à cycle de fonctionnement étendu telles que convertisseurs buck, La tension du condensateur de couplage augmente avec l'augmentation du rapport d'utilisation et réduit également la tension réelle de commande de la grille (pour l'allumage) et augmente la polarisation négative (pendant le temps d'arrêt). La tension du condensateur de couplage augmente avec le rapport d'utilisation et réduit également la tension réelle de commande de la grille (pour la mise en marche) et augmente la polarisation négative (pendant le temps d'arrêt). L'ajout d'un condensateur et d'une diode dans le circuit permet de rétablir l'amplitude originale de l'entraînement de la grille du côté secondaire du transformateur.
Entraînements de porte couplés à un transformateur à double extrémité
Les circuits de commande de porte à double extrémité sont utilisés avec un contrôleur PWM à double sortie pour commander 2 ou 4 interrupteurs dans des applications à haute puissance telles que dans convertisseurs en demi-pont et en pont complet et le transformateur de commande de la grille est piloté par une impulsion de largeur variable et d'amplitude constante.
OUTA et OUTB sont de polarité opposée et symétriques, lorsque OUTA est allumée, une tension positive est appliquée, lorsque OUTB est activé, une tension de polarité opposée est appliquée sur l'enroulement primaire du transformateur de commande de la grille. La moyenne de la tension aux bornes du primaire pour deux périodes de commutation consécutives donne zéro volt. Le couplage AC n'est donc pas nécessaire (le condensateur de couplage et la résistance d'amortissement ne sont pas nécessaires du côté primaire du circuit).
Conclusion
Les circuits de commande de grille couplés à un transformateur offrent de nombreux avantages, en particulier dans les applications à haute puissance. Ensuite, nous examinerons de plus près les caractéristiques souhaitées des circuits de commande de grille couplés à un transformateur. caractéristiques de la réponse aux impulsions d'un transformateur de commande de grille, et les paramètres qui les influencent.
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