Perancang produk harus memiliki kemampuan untuk menyeimbangkan beberapa faktor pembatas - ukuran paket, biaya, keandalan, dan waktu pemasaran. Tantangan utamanya adalah memilih catu daya yang sesuai untuk ruang sempit yang diperlukan untuk aplikasi modern.
Tingkat daya berkinerja tinggi yang ringkas mengandalkan solusi penggerak gerbang yang cepat dan andal. Jenis solusi ini mencakup driver samping bertegangan rendah sederhana dan versi terisolasi sepenuhnya yang cocok untuk lingkungan bertegangan tinggi. Untuk banyak desain, penggerak gerbang terapung yang tidak terisolasi memberikan jalan efektif menuju kesuksesan.
Driver gerbang digunakan sebagai perangkat perantara untuk mengirimkan sinyal kontrol berdaya rendah biasanya dari mikrokontroler atau pengontrol modulasi lebar pulsa (PWM) ke sakelar berdaya tinggi yang mengatur aliran energi. Perangkat jenis ini dapat memastikan peralihan yang bersih, cepat, dan tepat, sehingga mengoptimalkan keluaran daya.
Untuk memilih driver gerbang yang sesuai, perlu untuk mengevaluasi kebutuhan tegangan dan arus, topologi, dan frekuensi switching. Driver yang cocok dapat memberikan efisiensi tinggi, akurasi waktu, dan stabilitas termal, yang sangat penting untuk sistem kompak dan berkinerja tinggi.
Keuntungan Struktur Topologi Setengah Jembatan
Topologi setengah jembatan adalah metode yang banyak digunakan dalam konversi daya modern, yang dapat mencapai pengaturan tegangan yang efisien dalam desain yang ringkas. Topologi ini bergantung pada dua perangkat switching berkecepatan tinggi, biasanya MOSFET atau Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), untuk mengganti tegangan input, memberi daya pada transformator dalam desain terisolasi atau secara langsung menyuplai beban dalam sistem non terisolasi. Struktur topologi ini sangat dihargai karena efisiensi dan potensi optimalisasi termalnya.
IC driver gerbang sangat diperlukan dalam mengendalikan sakelar ini dan berfungsi sebagai antarmuka antara pengontrol dan tahap daya. IC ini mengubah sinyal PWM menjadi sinyal penggerak arus tinggi, memastikan peralihan transistor tegangan tinggi dan tegangan rendah dengan cepat dan akurat. Mode pengoperasian yang cepat dan efisien ini meminimalkan kehilangan energi dan meningkatkan kinerja sistem secara keseluruhan.
Dalam rangkaian setengah jembatan, sumber MOSFET sisi tegangan tinggi dihubungkan ke node switching, yang dengan cepat bergerak antara ground (0 V) dan tegangan input (seperti 12 V, 48 V, dll.) sesuai dengan periode switching. Saat menggunakan penggerak gerbang mengambang yang tidak terisolasi, penggerak samping bertegangan tinggi akan "mengambang" dengan tegangan simpul sakelar, sehingga mencapai konversi yang bersih dan efisien.
Ketika isolasi tidak diperlukan dan kekompakan, kecepatan, dan efisiensi diprioritaskan, penggerak setengah jembatan terapung yang tidak terisolasi menjadi solusi ideal. Driver ini dirancang untuk mengontrol sakelar MOSFET tegangan tinggi dan rendah, menghindari kerumitan isolasi sekaligus memastikan kinerja peralihan yang presisi. Karena kurangnya isolasi daya antara logika kontrol dan tingkat daya, driver jenis ini bekerja paling baik dalam sistem yang semua komponennya terhubung ke ground.
Kapasitor bootstrap biasanya diperlukan untuk menghasilkan tegangan penggerak gerbang yang diperlukan untuk MOSFET sisi tegangan tinggi. Ketika sakelar samping tegangan rendah dihidupkan, kapasitor mengisi daya; Ketika sakelar samping tegangan tinggi dihidupkan, kapasitor menyuplai daya.
Ketika MOSFET sisi tegangan rendah dihidupkan, simpul sakelar ditarik ke ground, memungkinkan rangkaian kapasitor dioda kecil untuk mengisi kapasitor bootstrap dari rel daya. Ketika MOSFET sisi tegangan tinggi perlu dihidupkan, driver akan menggunakan muatan yang tersimpan untuk menggerakkan gerbang ke tegangan yang lebih tinggi dari node sakelar, biasanya 10 V hingga 15 V.
Perancang harus memastikan bahwa frekuensi pembukaan sakelar samping tegangan rendah cukup untuk mengisi kapasitor bootstrap. Dalam aplikasi siklus kerja tinggi, tindakan pencegahan tambahan mungkin perlu diambil, seperti memilih nilai kapasitansi yang sesuai dan meminimalkan penurunan tegangan pada dioda bootstrap.
Dengan memanfaatkan arsitektur bootstrap dan pelacakan tegangan simpul saklar, driver setengah jembatan mengambang yang tidak terisolasi tidak hanya menghindari kerumitan penerapan isolasi, namun juga memastikan kontrol samping tegangan tinggi yang kuat. Driver jenis ini sederhana dan efisien sehingga sangat cocok untuk aplikasi switching frekuensi tinggi seperti konverter buck dan boost, regulator sinkron, driver motor, dan amplifier audio Kelas D.
Pilih IC driver gerbang yang sesuai
Memilih penggerak gerbang yang tepat sangat penting untuk memastikan pengoperasian tahap daya yang efisien, andal, dan aman, terutama dalam aplikasi peralihan kecepatan tinggi seperti buck converter, driver motor, dan sistem pembangkit tenaga surya. Meskipun prinsip dasar penggerak gerbang diterapkan secara luas, kriteria pemilihan tertentu mungkin menjadi sangat penting sesuai dengan kebutuhan sistem.
Misalnya, dalam sistem konversi energi surya dan catu daya baterai, penggerak gerbang harus beradaptasi dengan perubahan tegangan masukan yang besar dan kondisi beban yang terus berubah. Tegangan pengenal sisi tegangan tinggi dengan margin yang cukup diperlukan untuk menahan fluktuasi rel daya penuh dan memastikan keandalan jangka panjang.
Imunitas transien mode umum (CMTI) adalah faktor pertimbangan utama lainnya. Peristiwa peralihan cepat akan menghasilkan perbedaan tegangan yang tajam antara MOSFET sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah, yang mengakibatkan kebisingan dan dering. Driver gerbang dengan CMTI tinggi menunjukkan stabilitas yang lebih baik di lingkungan kebisingan listrik.
Arus penggerak puncak juga sama pentingnya, terutama pada aplikasi berdaya tinggi. Pengemudi harus menyediakan arus yang cukup untuk mengisi gerbang MOSFET dengan cepat dan mengatasi kapasitansi parasit, sehingga mengurangi kerugian peralihan dan meningkatkan kinerja termal.
Pada akhirnya, kontrol waktu mati memainkan peran penting dalam topologi setengah jembatan. Jika tidak ada jeda singkat antara mematikan satu saklar dan menyalakan saklar lainnya, maka akan terjadi fenomena kerusakan, dimana dua MOSFET bekerja secara bersamaan. Banyak driver gerbang memiliki pengaturan waktu mati bawaan atau dapat disesuaikan untuk mencegah masalah ini dan mencapai pengoperasian yang aman dan efisien dalam kondisi beban yang berbeda.
Seri LTC706x ADI
Penggerak setengah jembatan terapung yang tidak terisolasi sederhana dan mudah digunakan, dengan fungsi peralihan kecepatan tinggi, dan merupakan solusi terbaik untuk banyak desain. Analog Devices, Inc. (ADI) menawarkan serangkaian perangkat tegangan tinggi kaya fitur yang dirancang khusus untuk aplikasi yang menuntut.
Driver gerbang setengah jembatan mengambang non terisolasi LTC706x dari ADI (Gambar 1) memberikan solusi multifungsi untuk memenuhi persyaratan konversi daya berkecepatan tinggi dan tegangan tinggi. Rangkaian perangkat ini mengadopsi kemasan yang ringkas, dengan kontrol waktu yang ketat, perlindungan terhadap kerusakan, dan tenaga penggerak yang kuat, yang dapat memenuhi kebutuhan berbagai aplikasi mulai dari mobil hingga kontrol industri.