يجب أن يكون لدى مصممي المنتجات القدرة على تحقيق التوازن بين عوامل محدودة متعددة - حجم الحزمة والتكلفة والموثوقية ووقت السوق.التحدي الرئيسي هو اختيار مصدر طاقة مناسب للمساحة الضيقة المطلوبة للتطبيقات الحديثة.
مستويات الطاقة المدمجة عالية الأداء تعتمد على حلول محركات البوابة السريعة والموثوقة.هذا النوع من الحلول يتضمن كلا من المحركات الجانبية البسيطة منخفضة الجهد والإصدارات المعزولة بالكامل المناسبة للبيئات عالية الجهدبالنسبة للعديد من التصاميم، والسائقين البوابة العائمة غير معزولة توفر طريق فعال للنجاح.
Gate drivers are used as intermediate devices to transmit low-power control signals typically from microcontrollers or pulse width modulation (PWM) controllers to high-power switches that regulate energy flowهذا النوع من الجهاز يمكن أن يضمن التبديل النظيف والسريع والدقيق ، وبالتالي تحسين طاقة الإخراج.
لاختيار محرك بوابة مناسب، فمن الضروري تقييم متطلبات الجهد والتيار، الطوبولوجيا، وتردد التبديل. يمكن أن يوفر محرك مطابق جيد كفاءة عالية،دقة التوقيت، والاستقرار الحراري، والتي تعتبر حاسمة للأنظمة المدمجة عالية الأداء.
مزايا هيكل طوبولوجية نصف الجسر
طوبولوجيا نصف الجسر هي طريقة تستخدم على نطاق واسع في تحويل الطاقة الحديثة ، والتي يمكن أن تحقق تنظيم فولتاج فعال في التصاميم المدمجة. تعتمد هذه الطوبولوجيا على جهازين للتبديل عالي السرعة ،عادة ما تكون MOSFETs أو Transistors Bipolar Gate Insulated (IGBTs)، لتغيير فولتاجيات المدخلات، وتزويد المحولات بالطاقة في التصاميم المعزولة أو إمداد الأحمال مباشرة في الأنظمة غير المعزولة.هذا الهيكل الطوبولوجي يقدر كثيرا لفعالياته وإمكانات تحسين الحرارة.
محرك البوابة IC لا غنى عنه في التحكم في هذه المفاتيح وتعمل كواجهة بين جهاز التحكم ومرحلة الطاقة. هذه المحاور المركزية تحويل إشارات PWM إلى إشارات محرك التيار العالي،ضمان التبديل السريع والدقيق للترانزستورات عالية الجهد ومنخفضة الجهدهذا الوضع التشغيلي السريع والفعال يقلل من فقدان الطاقة ويحسن الأداء العام للنظام.
في الدائرة نصف الجسر، مصدر الجهد العالي الجانب MOSFET متصل بعقدة التبديل، والتي تتحرك بسرعة بين الأرض (0 ف) وجهد الدخول (مثل 12 ف، 48 ف، الخ.) وفقاً لفترة التحولعند استخدام مدفع بوابة عائم غير معزول، سيقوم مدفع الجانب عالي الجهد "بالعائمة" مع الجهد من عقدة التبديل، وبالتالي تحقيق تحويل نظيف وفعال.
عندما لا تكون العزلة مطلوبة ويتم إعطاء الأولوية للضيقة والسرعة والكفاءة ، يصبح سائقي بوابات الجسر النصفية العائمة غير المعزولة حلًا مثاليًا.تم تصميم هذه السائقين للسيطرة على مفاتيح MOSFET عالية ومنخفضة الجهد، وتجنب تعقيد العزل مع ضمان أداء التبديل الدقيق. بسبب عدم وجود عزل الطاقة بين منطق التحكم ومستويات الطاقة،هذا النوع من السائق يعمل بشكل أفضل في نظام حيث يتم تأسيس جميع المكونات.
عادة ما يكون هناك حاجة إلى مكثف bootstrap لتوليد الجهد المطلوب لدفع البوابة لجهاز MOSFET ذو الجهد العالي. عندما يتم تشغيل مفتاح الجهد المنخفض ، يتم شحن الكثافة ؛عندما يتم تشغيل مفتاح الجانب عالية الجهد، 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 يكون من الضروري تشغيل الجهد العالي الجانب MOSFET، سيقوم السائق باستخدام الشحنة المخزنة لدفع البوابة إلى جهد أعلى من عقدة التبديل ، عادة 10 فولت إلى 15 فولت.
يجب على المصممين التأكد من أن تردد فتح مفتاح الجانب منخفض الجهد كاف لشحن مكثف الشريط. في تطبيقات دورة العمل العالية،قد تكون هناك حاجة لاتخاذ تدابير وقائية إضافية، مثل اختيار قيم القدرة المناسبة وتقليل انخفاض الجهد على ثنائي البوتستراب.
من خلال استخدام بنية bootstrap وتتبع عقدة التبديل الجهد، السائق العائم غير معزولة نصف الجسر لا يتجنب فقط تعقيد تنفيذ العزلة،ولكنه يضمن أيضًا التحكم الجانبي القوي للجهد العاليهذا النوع من السائق هو بسيط وفعال، مما يجعلها مناسبة جدا لتطبيقات التبديل عالية التردد مثل محولات بوك و تعزيز، المنظمات المزامنة،ومضخات الصوت من الفئة D.
اختر وحدة التحكم المناسبة
اختيار سائق البوابة المناسب أمر حاسم لضمان التشغيل الفعال والموثوق به وآمن لمرحلة الطاقة ، وخاصة في تطبيقات التبديل عالية السرعة مثل محولات البوك ،سائقي السياراتعلى الرغم من تطبيق المبدأ الأساسي لدفع البوابة على نطاق واسع، قد تصبح معايير اختيار معينة مهمة بشكل خاص وفقًا لمتطلبات النظام.
على سبيل المثال ، في أنظمة تحويل الطاقة الشمسية وأنظمة إمدادات الطاقة بالبطاريات ، يجب على مشغلي البوابات التكيف مع التغيرات الكبيرة في الجهد المدخل وتغير ظروف الحمل باستمرار.هناك حاجة إلى الجهد القياسي الجانبي عالية الجهد مع هامش كافية لتحمل التقلبات كاملة السكة الحديدية الطاقة وضمان موثوقية طويلة الأجل.
المناعة العابرة للطريقة الشائعة (CMTI) هي عامل اعتبار رئيسي آخر.حدث التبديل السريع سوف يولد فرقا في الجهد الحاد بين الجهد العالي الجانب والجهد المنخفض الجانب MOSFETs، مما يؤدي إلى الضوضاء والرنين. أجهزة تشغيل البوابات ذات CMTI العالية تظهر استقرارًا أكبر في بيئات الضوضاء الكهربائية.
يعد التيار القيادي الذروة مهمًا بنفس القدر ، خاصة في تطبيقات الطاقة العالية. يجب على السائق توفير تيار كاف لشحن بوابة MOSFET بسرعة والتغلب على السعة الطفيلية ،وبالتالي تقليل خسائر التبديل وتحسين الأداء الحراري.
في نهاية المطاف، تحكم الوقت الميت يلعب دوراً حاسماً في طوبولوجية نصف الجسر. إذا لم يكن هناك تأخير قصير بين إيقاف تشغيل مفتاح واحد وتشغيل مفتاح آخر،سوف تحدث ظاهرة انهيار، حيث أن اثنين من MOSFETs يقود في وقت واحد.العديد من سائقي البوابة لديهم إعدادات وقت ميت مدمجة أو قابلة للتعديل لمنع هذه المشكلة وتحقيق عملية آمنة وفعالة في ظل ظروف حمولة مختلفة.
سلسلة LTC706x من ADI
سائق الجسر العائم غير المعزول بسيط وسهل الاستخدام ، مع وظيفة التبديل عالية السرعة ، وهو الحل الأفضل للعديد من التصاميم. أجهزة Analog, Inc.(ADI) يقدم مجموعة من أجهزة الجهد العالي الغنية بالميزات المصممة خصيصا للتطبيقات المطالبة.
يوفر LTC706x من ADI المحرك العائم غير المعزول للجسر النصف (الشكل 1) حلًا متعدد الوظائف لتلبية متطلبات تحويل الطاقة عالية السرعة والجهد العالي.هذه السلسلة من الأجهزة تعتمد عبوات صغيرة، مع التحكم الصارم في التوقيت، وحماية الانهيار، وقوة القيادة القوية، والتي يمكن أن تلبي احتياجات التطبيقات المختلفة من السيارات إلى التحكم الصناعي.