يجب على مصممي المنتجات أن يكونوا قادرين على تحقيق التوازن بين القيود المتعددة: حجم الحزمة والتكلفة والموثوقية ووقت السوق.التحدي الرئيسي هو اختيار مصدر طاقة مناسب للمساحة الصغيرة المطلوبة للتطبيقات الحديثة.
مستويات الطاقة المدمجة عالية الأداء تعتمد على حلول محركات البوابة السريعة والموثوقة.تتراوح هذه الحلول من محركات الجانب البسيطة منخفضة الضغط إلى إصدارات معزولة بالكامل للبيئات عالية الضغطوبالنسبة للعديد من التصاميم، يوفر سائق البوابة العائمة غير المعزولة طريقًا فعالًا للنجاح.
يعمل محرك البوابة كجهاز وسيط لنقل إشارات التحكم منخفضة الطاقة، عادة من وحدة تحكم صغيرة أو وحدة تحكم تعديل عرض النبض (PWM) ،إلى مفتاح طاقة عالية الذي ينظم تدفق الطاقةهذه الأجهزة تضمن التبديل النظيف والسريع والدقيق لتحسين طاقة الإخراج.
لاختيار محرك بوابة مناسبة، والجهد والتيار المتطلبات والطوبولوجيا وتردد التبديل تحتاج إلى تقييم. محركات مطابقة بشكل جيد توفر كفاءة عالية،دقة توقيت واستقرار حراريوالتي هي ضرورية لأنظمة عالية الأداء ومدمجة.
فوائد طوبولوجيا نصف الجسر
طوبولوجيا نصف الجسر هي طريقة تستخدم على نطاق واسع في تحويل الطاقة الحديثة ، مما يتيح تحقيق استقرار فولتاجي فعال في التصاميم المدمجة. تعتمد هذه الطوبولوجيا على جهازين للتبديل عالي السرعة ،عادة ما تكون MOSFETs أو Transistors Bipolar Gate Insulated (IGBTs)، إلى التناوب في فولتاجيات المدخلات، وتزويد المحولات في التصاميم المعزولة، أو توفير الأحمال مباشرة في الأنظمة غير المعزولة.هذه الطوبولوجيا تقدر لفعاليتها وإمكانات تحسين الحرارة.
وحدة التحكم في مدفع البوابة هي جزء لا يتجزأ من التحكم في هذه المفاتيح وتعمل كواجهة بين جهاز التحكم ومرحلة الطاقة.هذا IC يحول إشارة PWM إلى إشارة محرك التيار العالي، مما يضمن التبديل السريع والدقيق بين ترانزستورات الجهد العالي والجهد المنخفض. هذه العملية السريعة والفعالة تقلل من فقدان الطاقة وتحسن أداء النظام بشكل عام.
في الدائرة نصف الجسر، مصدر الجهد العالي الجانب MOSFET متصل بعقدة التبديل، والتي تتحرك بسرعة بين الأرض (0 فولت) وجهد المدخل (على سبيل المثال 12 فولت، 48 فولت، الخ.) وفقاً لفترة التحولعندما يتم استخدام محرك البوابة العائم غير المعزول ، فإن محرك الجانب عالي الجهد "سيبحر" مع فولتاج عقدة التبديل ، بحيث يتحقق تحويل نظيف وفعال.
عندما لا تكون العزلة مطلوبة ، ولكن الهيكل المدمج والسرعة والكفاءة هي الأولوية ، فإن سائق بوابة نصف الجسر غير المعزول على الأرض عائم هو الحل المثالي.تم تصميم هذه السائقين للسيطرة على مفاتيح MOSFET الجهد العالي والمنخفض الجانب، وتجنب تعقيد العزلة وضمان أداء التبديل الدقيق.انها تعمل بشكل أفضل في النظام حيث جميع المكونات هي على أرضية مشتركة.
عادة ما يكون هناك حاجة إلى مكثف bootstrap لتوليد الجهد المطلوب لدفع البوابة لجهة MOSFET عالية الجهد. يتم شحن المكثف عندما يتم تشغيل المفتاح في الجانب LV.عندما يتم فتح المفتاح على جانب الجهد العالي، المكثف يوفر الطاقة.
عندما يتم تشغيل MOSFET منخفضة الجهد ، يتم سحب عقدة التبديل إلى الأرض مما يسمح لدائرة مكثف ثنائي الصمام الصغيرة بشحن مكثف bootstrap من حلبة الطاقة.عندما الجهد العالي الجانب MOSFET يحتاج إلى أن يتم تشغيله، يقوم السائق بتشغيل البوابة إلى جهد أعلى من عقدة التبديل ، عادة 10 فولت إلى 15 فولت ، باستخدام الشحنات المخزنة.
يجب على المصمم التأكد من أن تردد فتح التبديل على جانب الجهد المنخفض كاف لشحن مكثف الشريط. في تطبيقات دورة العمل العالية،قد تكون هناك حاجة إلى احتياطات إضافية، مثل اختيار قيمة السعة المناسبة وتقليل انخفاض الجهد عبر ثنائي البوتستراب.
من خلال استخدام بنية bootstrap وتتبع عقدة التبديل الجهد، الأرض العائمة غير معزولة نصف الجسر السائق ليس فقط تجنب تعقيد تحقيق العزلة،ولكنه يضمن أيضًا التحكم الجانبي القوي للجهد العاليإنه بسيط وفعال وهو مثالي لتطبيقات التبديل عالية التردد مثل محولات Step-down و Step-up ، منظمات الجهد المزامنة ،محركات السيارات ومضخات الصوت من الفئة D.
حدد جهاز التحكم الصحيح
اختيار محركات البوابة المناسبة أمر ضروري لضمان التشغيل الفعال والموثوق والآمن لمستوى الطاقة ، لا سيما في تطبيقات التبديل عالية السرعة مثل محولات التبديل,في حين أن المبادئ الأساسية لدفع البوابة تستخدم على نطاق واسع،بعض معايير الاختيار تصبح مهمة بشكل خاص اعتمادا على متطلبات النظام.
على سبيل المثال ، في التحويل الشمسي والأنظمة التي تعمل بالبطاريات ، يجب على سائق البوابة التكيف مع الاختلافات الكبيرة في الجهد المدخل وتغير ظروف الحمل.الجهد القياسي الجانبي عالية الجهد مع هامش كافية مطلوبة لمواجهة التقلبات كاملة السكك الحديدية الطاقة وضمان موثوقية طويلة الأجل.
المناعة العابرة للوضع المشترك (CMTI) هي اعتبار رئيسي آخر. تخلق أحداث التبديل السريع فروقًا حادة في الجهد بين MOSFETs من جانب الجهد العالي والجهد المنخفض ،يسبب الضوضاء والرنينسائقي البوابات ذوي CMTI العالي يعملون بشكل أكثر استقرارا في بيئة مزدحمة كهربائيا.
وتعتبر تيارات القيادة القصوى مهمة أيضًا ، خاصة في تطبيقات الطاقة العالية.يجب على السائق توفير ما يكفي من التيار لتشغيل بسرعة بوابة MOSFET والتغلب على القدرة الطفيلية للحد من خسائر التبديل وتحسين الأداء الحراري.
أخيرًا ، يلعب التحكم في الوقت الميت دورًا رئيسيًا في طبقة نصف الجسر. إذا لم يكن هناك تأخير قصير بين إغلاق مفتاح واحد وفتح آخر ، يحدث انهيار ، أي:اثنين من MOSFETs على في نفس الوقتالعديد من أجهزة تشغيل البوابات لديها إعدادات وقت ميت مدمجة أو قابلة للتعديل لمنع هذه المشكلة وتوفير تشغيل آمن وفعال في ظل ظروف حمل مختلفة.
سلسلة LTC706x من ADI
يعد سهولة الاستخدام وقدرات التبديل عالية السرعة من محركات النصف الجسر العائمة غير المعزولة أفضل حل للعديد من التصاميم. أجهزة Analog, Inc.(ADI) يقدم مجموعة واسعة من ميزات الجهد العالي المصممة لتطبيقات متطلبة.
يوفر LTC706x المحرك الأرضي العائم غير المعزول للجسر النصف (الشكل 1) من ADI حلًا متعدد الوظائف لتلبية احتياجات تحويل الطاقة عالية السرعة عالية الجهد.الحزمة المدمجة توفر سيطرة دقيقة على التوقيت، الحماية من الانهيار والقوة الدافعة القوية لتلبية متطلبات التطبيقات المختلفة من السيارات إلى التحكم الصناعي.