Come utilizzare al meglio i gate driver a semiponte non isolati con massa flottante

I progettisti di prodotti devono bilanciare molteplici vincoli: ingombro, costo, affidabilità e time-to-market. Un problema fondamentale è la scelta di un alimentatore che si adatti agli spazi angusti richiesti dalle applicazioni moderne.

Gli stadi di potenza compatti e ad alte prestazioni si basano su soluzioni di pilotaggio del gate veloci e affidabili, che vanno da semplici driver low-side a versioni completamente isolate adatte agli ambienti ad alta tensione. Per molti progetti, un gate driver non isolato con massa flottante è una scelta efficiente per il successo.

I gate driver fungono da intermediari tra i segnali di controllo a bassa potenza, spesso provenienti da un microcontroller o da un controller a modulazione della larghezza di impulso (PWM), e gli interruttori ad alta potenza che regolano il flusso di energia. Assicurano una commutazione pulita, rapida e precisa per ottimizzare la distribuzione dell'energia elettrica.

La scelta del giusto gate driver implica la valutazione dei requisiti di tensione e corrente, della topologia e della frequenza di commutazione. Un driver ben abbinato migliora l'efficienza, l'accuratezza della temporizzazione e la stabilità termica, tutti aspetti critici per sistemi compatti e ad alte prestazioni.

Vantaggi della topologia a semiponte

La topologia a semiponte è un approccio ampiamente utilizzato nella moderna conversione di potenza per la regolazione efficiente della tensione in progetti compatti. Si basa su due dispositivi di commutazione ad alta velocità - tipicamente MOSFET o transistor bipolari a gate isolato (IGBT) - che alternano la tensione di ingresso, alimentando un trasformatore nei progetti isolati o alimentando direttamente il carico nei sistemi non isolati. Questa topologia è apprezzata per la sua efficienza e per il potenziale di ottimizzazione termica.

Un gate driver in CI svolge un ruolo fondamentale nel controllo di questi interruttori, fungendo da interfaccia tra il controller e lo stadio di potenza. Traduce i segnali PWM in segnali di azionamento ad alta corrente, garantendo una commutazione rapida e precisa dei transistor high-side e low-side. Questo funzionamento rapido ed efficiente riduce al minimo le perdite di energia e migliora le prestazioni complessive del sistema.

In un circuito a semiponte, la sorgente del MOSFET high-side si collega al nodo di commutazione, che si sposta rapidamente tra la massa (0 V) e la tensione di ingresso (es. 12 V, 48 V, ecc.) in base al ciclo di commutazione. Con un gate driver non isolato con massa flottante, il driver high-side "galleggia" con la tensione sul nodo di commutazione, consentendo transizioni pulite ed efficienti.

Quando non è richiesto l'isolamento e le priorità sono la compattezza, la velocità e l'efficienza, i gate driver a semiponte non isolati con massa flottante sono la soluzione ideale. Progettati per controllare gli interruttori MOSFET high-side e low-side, questi driver eliminano la complessità dell'isolamento e garantiscono prestazioni di commutazione precise. Poiché non forniscono la separazione galvanica tra la logica di controllo e lo stadio di potenza, funzionano meglio in sistemi in cui tutti i componenti hanno una massa in comune.

La generazione della tensione di comando del gate necessaria per il MOSFET high-side si basa tipicamente su un condensatore bootstrap, il quale si carica quando l'interruttore low-side è attivo e fornisce energia quando l'interruttore high-side si accende.

Quando il MOSFET low-side conduce, il nodo di commutazione va alla massa, consentendo a un piccolo circuito diodo-condensatore di caricare il condensatore bootstrap dal rail di alimentazione. Quando il MOSFET high-side deve accendersi, il driver sfrutta questa carica immagazzinata per portare il gate a una tensione superiore a quella del nodo di commutazione, spesso da 10 V a 15 V in più.

I progettisti devono assicurarsi che l'interruttore low-side si accenda con una frequenza sufficiente a ricaricare il condensatore bootstrap. Nelle applicazioni con cicli di lavoro elevati, possono essere necessarie ulteriori precauzioni, come la selezione del valore corretto del condensatore e la riduzione al minimo della caduta di tensione attraverso il diodo bootstrap.

Sfruttando l'architettura bootstrap e il tracciamento della tensione del nodo di commutazione, i driver a semiponte non isolati con massa flottante eliminano la complessità dell'isolamento, garantendo al contempo un controllo robusto high-side. La loro semplicità ed efficienza li rende adatti ad applicazioni di commutazione ad alta frequenza come i convertitori buck e boost, i regolatori sincroni, gli azionamenti dei motori e gli amplificatori audio in classe D.

Scegliere il giusto gate driver in CI

La scelta del gate driver giusto è essenziale per garantire un funzionamento efficiente, affidabile e sicuro dello stadio di potenza, in particolare in applicazioni di commutazione ad alta velocità come i convertitori buck, gli azionamenti dei motori e i sistemi a energia solare. Sebbene i principi base del pilotaggio del gate siano validi in generale, alcuni criteri di selezione diventano particolarmente cruciali a seconda dei requisiti del sistema.

Nella conversione dell'energia solare e nei sistemi alimentati a batteria, ad esempio, il gate driver deve essere in grado di gestire ampie variazioni della tensione di ingresso e le mutevoli condizioni di carico. Per resistere alle fluttuazioni del rail di alimentazione e garantire l'affidabilità a lungo termine, è necessaria una tensione nominale high-side con un margine di sicurezza sufficiente.

L'immunità ai transitori di modo comune (CMTI) è un'altra considerazione fondamentale. Gli eventi di commutazione rapida possono generare forti differenziali di tensione tra i MOSFET high-side e low-side, causando rumore e sovraoscillazione. I gate driver con CMTI elevato offrono una migliore stabilità in ambienti con presenza di rumore elettrico.

La corrente di picco è altrettanto importante, soprattutto nelle applicazioni ad alta potenza. Il driver deve fornire una corrente sufficiente per caricare rapidamente il gate del MOSFET e superare la capacità parassita, riducendo le perdite di commutazione e migliorando le prestazioni termiche.

Infine, il controllo dei tempi morti svolge un ruolo fondamentale nelle configurazioni a semiponte. Senza un breve ritardo tra lo spegnimento di un interruttore e l'accensione dell'altro, si può verificare il fenomeno di conduzione incrociata, in cui entrambi i MOSFET conducono simultaneamente. Molti gate driver hanno impostazioni dei tempi morti integrate o regolabili per evitare questo problema e consentire un funzionamento sicuro ed efficiente in condizioni di carico variabili.

Famiglia LTC706x di ADI

La semplicità e le capacità di commutazione ad alta velocità dei driver a semiponte non isolati con massa flottante li rendono una soluzione ottimale per molti progetti. Analog Devices, Inc. (ADI) offre una gamma di dispositivi ad alta tensione ricchi di funzioni, progettati per applicazioni complesse.

I gate driver a semiponte non isolati con massa flottante LTC706x di ADI (Figura 1) sono soluzioni versatili per soddisfare le esigenze di conversione di potenza ad alta velocità e alta tensione. Destinati a un'ampia gamma di applicazioni, dal settore automotive al controllo industriale, questi dispositivi offrono un controllo di temporizzazione rigoroso, una protezione da conduzione incrociata e una elevata forza di azionamento in contenitori compatti.

Figura 1: Il fattore di forma dei driver a semiponte non isolati con massa flottante LTC706x di ADI. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Con una gamma di opzioni per soddisfare i requisiti di tensione, logica e layout, i prodotti di ADI aiutano i progettisti a trovare il giusto equilibrio tra prestazioni e semplicità a livello di sistema. Tutti supportano MOSFET a canale N per offrire una resistenza nello stato On (RDSon) superiore, velocità di commutazione più elevate e capacità di gestione della corrente più elevate rispetto ai MOSFET a canale P.

Due dispositivi supportano una tensione di alimentazione massima di 100 V:

• LTC7060 è ottimizzato per i sistemi basati su un singolo ingresso PWM con capacità tristate, che gli consente di derivare la temporizzazione di pilotaggio del gate high-side e low-side da un'unica linea di controllo. Questo semplifica le interfacce del controller digitale e riduce il numero di pin per l'utilizzo in applicazioni con vincoli di spazio. La modalità di ingresso tristate offre anche uno stato sicuro ad alta impedenza, aggiungendo un livello di tolleranza ai guasti in alcuni scenari di guasto. È una buona scelta per i progettisti che privilegiano la semplicità e la compattezza.
• LTC7061 è progettato per applicazioni che prevedono ingressi CMOS o TTL a livello logico indipendenti per gli interruttori high-side e low-side. Questo approccio a doppio ingresso assicura una maggiore flessibilità e un miglior controllo sulla temporizzazione, particolarmente utile nei sistemi in cui i tempi morti sono gestiti esternamente da un microcontroller o un controller PWM. Per i progettisti che necessitano di uno rigido controllo sul comportamento di commutazione o di implementare strategie di temporizzazione personalizzate, LTC7061 offre un'interfaccia più adattabile con una flessibilità di controllo per regolare le prestazioni.

Per le applicazioni in cui le tensioni di ingresso superano i 100 V, come gli azionamenti di motori industriali, i rail a 48 V per il settore automotive o le infrastrutture Power over Ethernet, i progettisti possono sfruttare due opzioni che supportano una tensione di alimentazione massima di 140 V:

• LTC7063 con un ingresso PWM tristate, che consente il controllo di MOSFET high-side e low-side attraverso un unico segnale di ingresso. Questa configurazione semplifica l'interfaccia di controllo, poiché il pin PWM determina lo stato dei MOSFET in base al suo livello di tensione. I progettisti possono preferire questa soluzione per le applicazioni ad alta potenza che beneficiano di un'interfaccia di controllo semplificata, di un numero ridotto di pin e di una complessità di instradamento dei segnali ridotta al minimo su PCB ad alta densità. Un'applicazione pratica di LTC7063 è il progetto di un convertitore step-down 2:1 con un carico remoto (Figura 2). Funzionante con un'alimentazione di ingresso fino a 80 V, questa configurazione eroga metà della tensione di ingresso (½ V_IN) a un carico massimo di 5 A.

Figura 2: Progetto di convertitore step-down con carico remoto che utilizza il gate driver a semiponte non isolato con massa flottante LTC7063. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

• LTC7066 accetta ingressi CMOS/TTL a livello logico indipendenti per i driver high-side e low-side, fornendo segnali di controllo separati per ciascun MOSFET. Ciò permette un controllo preciso e flessibile, consentendo ai progettisti di sfruttare al meglio la temporizzazione, i tempi morti e il comportamento di commutazione. Questo lo rende ideale per i sistemi con controllo digitale di precisione, come quelli che utilizzano controller digitali ad alte prestazioni o FPGA.

Sia che funzioni in ambienti a bassa o ad alta tensione, ogni dispositivo della linea include protezioni essenziali e parametri di regolazione che aiutano i progettisti a trarre le massime prestazioni dagli stadi di potenza.

Ciascun prodotto offre una protezione adattiva contro la conduzione incrociata per evitare che i MOSFET high-side e low-side si attivino contemporaneamente. Inoltre, ogni dispositivo supporta la regolazione dei tempi morti, in modo che i progettisti possano regolare con precisione il ritardo tra le transizioni di commutazione per ridurre al minimo le perdite ed evitare la conduzione incrociata senza sacrificare l'efficienza. Un'altra caratteristica comune è il blocco di sottotensione (UVLO), che garantisce il funzionamento del gate driver solo quando le tensioni di alimentazione rientrano nelle soglie di sicurezza.

Dal punto di vista delle prestazioni, i dispositivi LTC706x offrono tutti una forte impedenza di pilotaggio del gate, con valori tipici di 1,5 Ω pull-up e 0,8 Ω pull-down. Ciò consente una rapida carica e scarica del gate, fondamentale per la commutazione rapida, lo stretto controllo della temporizzazione e la riduzione delle perdite di commutazione nelle applicazioni ad alta velocità.

Per le applicazioni con cicli di lavoro elevati in cui i metodi di bootstrap convenzionali sono inadeguati, i progettisti possono valutare tecniche alternative di pilotaggio dei gate. Si dovranno considerare i compromessi di ciascuno in termini di complessità, efficienza e costi. Ad esempio, i gate driver isolati utilizzano trasformatori o isolatori digitali per fornire tensioni di pilotaggio del gate indipendenti, eliminando così la necessità di meccanismi di carica bootstrap, mentre le alimentazioni di polarizzazione diretta possono fornire una tensione di pilotaggio del gate stabile e indipendente dai cicli di commutazione.

Conclusione

Nelle applicazioni ad alta potenza in cui velocità, efficienza e compattezza sono fondamentali, i gate driver a semiponte non isolati con massa flottante sono una soluzione ottimale per controllare i MOSFET sia high-side che low-side. Sfruttando un circuito di bootstrap per generare la tensione di pilotaggio del gate necessaria, questi driver eliminano la complessità dei progetti isolati, pur mantenendo prestazioni di commutazione precise. La famiglia di prodotti LTC706x di ADI è una gamma di soluzioni versatili per soddisfare le esigenze di conversione di potenza ad alta velocità e alta tensione.