Trasformatori e circuiti di azionamento dei gate

A trasformatore di azionamento del gate è ottimizzato per trasmettere impulsi elettrici rettangolari con tempi di salita e discesa rapidi per attivare o disattivare un dispositivo di commutazione.

Nonostante siano disponibili diversi circuiti integrati di pilotaggio per MOSFET/IGBT a canale flottante, l'azionamento del gate con accoppiamento a trasformatore è ancora l'opzione migliore da utilizzare per le applicazioni ad alta potenza per molte ragioni. Ad esempio, grazie al numero multiplo di avvolgimenti di uscita isolati galvanicamente, un singolo trasformatore può pilotare tutti gli interruttori del ponte e facilita il pilotaggio di interruttori paralleli (MOSFET/IGBT). Inoltre, ha una polarizzazione negativa del gate quando il dispositivo è spento, il che riduce la suscettibilità al dv/dt (un tasso eccessivo di dv/dt potrebbe causare false commutazioni o danni permanenti a un dispositivo di commutazione). Inoltre, una soluzione con accoppiamento a trasformatore correttamente progettata presenta ritardi trascurabili e può funzionare con differenze di potenziale più elevate.

Trasformatori di azionamento per cancelli

A trasformatore di azionamento del gate è un trasformatore ottimizzato per la trasmissione di impulsi elettrici rettangolari con tempi di salita e discesa rapidi per attivare o disattivare un dispositivo di commutazione. Gestisce basse potenze ma correnti di picco elevate per pilotare il gate di un interruttore di potenza. La potenza nominale varia da µW a diversi KW.

Il trasformatore di pilotaggio del gate fornisce sia l'alimentazione che lo spostamento di livello del segnale di commutazione al semiconduttore di potenza, eliminando così un'alimentazione flottante separata. Può essere utilizzato per pilotare direttamente i gate degli interruttori di potenza (MOSFET/IGBT) o per isolare il segnale di controllo che viene poi applicato a un circuito integrato di pilotaggio dei gate. Inoltre, fornisce anche l'adattamento dell'impedenza.

Quando si opera ad alte frequenze di commutazione (> 100 KHz), la progettazione e la costruzione di trasformatori di pilotaggio per gate ad alto isolamento richiedono un'attenta considerazione per evitare gli effetti negativi dei componenti parassiti (induttanza di dispersione e capacità distribuita).

Un trasformatore di pilotaggio del gate può essere chiamato anche trasformatore di impulsi, trasformatore di attivazione, trasformatore a banda larga, o trasformatore di segnale. La distinzione si basa principalmente sullo scopo effettivo del trasformatore: quando il trasformatore viene utilizzato per pilotare direttamente un dispositivo di potenza si parla di trasformatore di potenza. trasformatore di azionamento del gate; Se viene utilizzato solo come mezzo per trasmettere segnali/impulsi di tensione rettangolari a un gate semiconduttore, viene definito come un trasformatore di impulsi. Tuttavia, in generale, un trasformatore di impulsi trasferisce un impulso di corrente/tensione dal lato primario/generatore del circuito al lato secondario/carico del circuito, mantenendone la forma e le altre proprietà. Se l'impulso del trasformatore dà inizio a un'azione o a un evento, si può parlare di un impulso di corrente o di tensione. trasformatore di attivazione.

I trasformatori hanno almeno due avvolgimenti (primario e secondario) che facilitano l'isolamento, un attributo importante. Il rapporto di spire tra primario e secondario consente anche di scalare la tensione, ma di solito non è necessario.

Circuito di base

Il circuito di base di un azionamento di gate isolato basato su trasformatore è relativamente grande. Oltre al trasformatore, è composto anche dai componenti di reset associati, come il condensatore di blocco C, la resistenza primaria R, la resistenza di gate R_g, diodi Zener retrostanti, ecc.

Quando un impulso quadrato viene applicato ai terminali primari, sarà trasmesso al secondario come un'onda quadra o il segnale trasmesso sarà la derivata della tensione di ingresso.

Il condensatore di blocco C è posto in serie all'avvolgimento primario del trasformatore per fornire la tensione di reset (polarizzazione negativa) per l'induttanza magnetizzante. Senza il condensatore, si verificherebbe una tensione continua dipendente dal rapporto di lavoro sull'avvolgimento (offset CC o “flux walking”) e il trasformatore si saturerebbe. Si tratta di un circuito molto semplice; l'ampiezza della tensione di uscita si riduce con l'aumento del rapporto di funzionamento, quindi questo circuito limita il ciclo di funzionamento a meno di 50%. Questo approccio funziona bene in alimentazione a commutazione (SMPS) circuiti, dove la frequenza è elevata e il rapporto di duty cycle è piccolo.

Tensione del condensatore di accoppiamento:

La tensione effettiva di pilotaggio del gate, V_c, cambia con il rapporto di lavoro. Inoltre, le variazioni improvvise del rapporto di lavoro eccitano il serbatoio risonante L-C, formato da L_m & C. Questa risonanza L-C può essere smorzata da una resistenza di basso valore (R).

Il gate viene pilotato tra -V_c e V_DRV-V_c al posto dei livelli di tensione di uscita originali del driver, 0 V e V_DRV

I diodi Zener back-to-back sono utilizzati per bloccare la tensione di gate del dispositivo, evitando così le sovratensioni generate dall'induttanza di dispersione del trasformatore T non accoppiato. Una resistenza di gate Rg viene utilizzata per evitare il transitorio di sovracorrente del gate.

La saturazione del nucleo limita il prodotto volt-tempo applicato agli avvolgimenti. Il progetto del trasformatore deve prevedere il prodotto volt-tempo massimo in tutte le condizioni operative, che devono includere i transitori del caso peggiore con il massimo rapporto di lavoro e la massima tensione di ingresso allo stesso tempo.

Prodotto a tempo di volt massimo:

T = Periodo di commutazione
F = Frequenza operativa
V_PICCO = Tensione di pilotaggio di picco
D = Ciclo di lavoro

Il trasformatore di pilotaggio del gate è pilotato da un impulso di larghezza variabile in funzione del rapporto di lavoro PWM e di ampiezza costante o variabile a seconda della configurazione del circuito.

Esistono due tipi di circuiti di pilotaggio per gate con accoppiamento a trasformatore: singolo e a doppia mandata.

In entrambi i circuiti single e double ended, i trasformatori di pilotaggio del gate vengono azionati sia nel primo che nel terzo quadrante del piano B-H.

Azionamenti per gate ad accoppiamento di trasformatori a singola uscita

I circuiti di pilotaggio del gate single-ended sono utilizzati con un controllore PWM a uscita singola per pilotare un interruttore lato alto e il trasformatore di pilotaggio del gate è pilotato da un impulso di larghezza e ampiezza variabile.

Questo circuito è limitato al rapporto di funzionamento 50%. Per applicazioni con un ampio ciclo di funzionamento, come ad esempio convertitori buck, Non fornisce un'adeguata tensione di pilotaggio del gate e quindi è necessario aggiungere un circuito di ripristino della corrente continua sul lato secondario del trasformatore (condensatore e diodo). La tensione del condensatore di accoppiamento aumenta con l'aumento del rapporto di lavoro e riduce la tensione effettiva di pilotaggio del gate (per l'accensione) e aumenta il bias negativo (durante il tempo di spegnimento). L'aggiunta di un condensatore e di un diodo nel circuito consente di ripristinare l'ampiezza di pilotaggio originale del gate sul lato secondario del trasformatore.

Azionamenti per gate ad accoppiamento di trasformatori a doppia uscita

I circuiti di pilotaggio dei gate double-ended sono utilizzati con un controller PWM a doppia uscita per pilotare 2 o 4 interruttori in applicazioni ad alta potenza come ad esempio in convertitori half-bridge e full-bridge e il trasformatore di pilotaggio del gate è pilotato da un impulso di larghezza variabile e ampiezza costante.

FUORI_A e OUT_B sono di polarità opposta e simmetrici, quando OUT_A è acceso, tensione positiva applicata, quando OUT_B è acceso, viene applicata una tensione di polarità opposta sull'avvolgimento primario del trasformatore di pilotaggio del gate. La media della tensione sul primario per due periodi di commutazione consecutivi dà come risultato zero volt. Pertanto, l'accoppiamento CA non è necessario (il condensatore di accoppiamento e la resistenza di smorzamento non sono necessari nel lato primario del circuito).

Conclusione

I circuiti di pilotaggio dei gate con accoppiamento a trasformatore offrono molti vantaggi, soprattutto nelle applicazioni ad alta potenza. In seguito, analizzeremo più da vicino i vantaggi desiderati caratteristiche di risposta all'impulso di un trasformatore di pilotaggio del gate e i parametri che li influenzano.