Driver de poarta half-bridge FAN7382, pana la 600V, 350mA / 650mA, DIP-8

In acest tutorial punem in functiune circuitul FAN7382, un driver de poarta pentru semipunte care comanda doua tranzistoare de putere, unul pe partea de sus si unul pe partea de jos. Se foloseste in surse in comutatie, invertoare, convertoare DC-DC si drivere de motor, acolo unde un semnal logic mic trebuie sa comande tranzistoare ce lucreaza la tensiuni mari.

Circuitul nu genereaza singur semnalele de comanda, deci avem nevoie de un microcontroler. Folosim o placa Arduino Uno, care are iesiri digitale cu logica de 5 V, suficiente pentru intrarile TTL ale driverului. Arduino Uno este alegerea cea mai simpla pentru acest circuit, pentru ca nu cere nici WiFi, nici memorie suplimentara, nici o interfata speciala.

Cum functioneaza:

Driverul are doua intrari logice, HIN si LIN, si doua iesiri, HO si LO, in faza cu intrarile. Nivelul 1 este considerat peste 2.9 V, iar nivelul 0 sub 0.8 V. Iesirea LO comanda grila tranzistorului de jos, iar iesirea HO comanda grila tranzistorului de sus. Fiecare canal furnizeaza tipic 350 mA la deschidere si 650 mA la blocare.

Sursa tranzistorului de sus se afla la mijlocul semipunti, care urca si coboara intre masa si tensiunea magistralei. De aceea alimentarea canalului de sus trebuie sa urmeze acest punct. Ea se obtine cu un condensator bootstrap conectat intre VB si VS. Cand tranzistorul de jos este deschis, VS este tras aproape de masa, iar condensatorul se incarca de la VCC printr-o dioda rapida. Tensiunea canalului de sus este aproximativ VBS = VCC - VF, unde VF este caderea pe dioda. Pentru VCC = 12 V si VF = 0.7 V rezulta VBS de aproximativ 11.3 V, peste pragul UVLO de pornire de 9.2 V tipic.

Viteza de comutare depinde de sarcina grilei Qg a tranzistorului si de curentul driverului, dupa relatia t = Qg / I. Pentru un tranzistor cu Qg = 30 nC, la 350 mA rezulta aproximativ 86 ns la deschidere, iar la 650 mA rezulta aproximativ 46 ns la blocare. In realitate timpii sunt mai mari, pentru ca pe masura ce grila se incarca, curentul scade.

Semnalul generat de program are perioada T = tHigh + tDead + tLow + tDead. Cu 40 us, 5 us, 40 us si 5 us rezulta 90 us, adica aproximativ 11.1 kHz, la care se adauga timpul instructiunilor digitalWrite. Timpul mort evita conductia simultana a celor doua tranzistoare, care ar scurtcircuita magistrala.

Conectare:

Pentru prima proba folositi o magistrala de putere de 12 V, nu tensiunea maxima de 600 V. Tensiunile mari sunt periculoase, deci faceti conexiunile numai cu montajul deconectat. Alimentati VCC cu 12 V, in intervalul 10 - 20 V. Intrarile HIN si LIN au nivel TTL, deci se conecteaza direct la pinii Arduino Uno, fara convertor de nivel. Masa Arduino, masa alimentarii si COM trebuie legate impreuna. Tranzistoarele sunt doua MOSFET-uri cu canal N, iar sarcina se leaga intre mijlocul semipunti si masa sau magistrala.

Placa si biblioteci:

In Arduino IDE selectati la Tools > Board placa Arduino Uno din pachetul Arduino AVR Boards, care se instaleaza din Boards Manager si vine de obicei odata cu Arduino IDE. Programul foloseste doar functiile de baza ale platformei, deci nu trebuie instalata nicio biblioteca.

Codul:

Programul incarca scurt condensatorul bootstrap, apoi genereaza pe pinii 9 si 10 doua semnale complementare cu timp mort intre ele.

/*
  FAN7382 half-bridge gate driver test
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno)
  Libraries: none, only the core Arduino functions are used
  Wiring:
    FAN7382 pin 1 VCC -> +12 V (with 100 nF and 10 uF to COM, bootstrap diode anode)
    FAN7382 pin 2 HIN -> Arduino D9
    FAN7382 pin 3 LIN -> Arduino D10
    FAN7382 pin 4 COM -> Arduino GND, supply GND, low-side MOSFET source
    FAN7382 pin 5 LO  -> low-side MOSFET gate (series resistor)
    FAN7382 pin 6 VS  -> half-bridge midpoint, bootstrap capacitor minus
    FAN7382 pin 7 HO  -> high-side MOSFET gate (series resistor)
    FAN7382 pin 8 VB  -> bootstrap diode cathode, bootstrap capacitor plus
  Test first at a low bus voltage (12 V), never at 600 V.
*/
const uint8_t HIN_PIN = 9;                 // Input of the high-side driver
const uint8_t LIN_PIN = 10;                // Input of the low-side driver
const unsigned int HIGH_ON_US = 40;        // High-side on time in microseconds
const unsigned int LOW_ON_US = 40;         // Low-side on time in microseconds
const unsigned int DEAD_US = 5;            // Dead time between the two switches
const unsigned int BOOT_CHARGE_MS = 10;    // Low-side on time that charges the bootstrap capacitor
void setup() {
  Serial.begin(9600);                      // Start the serial monitor at 9600 baud
  pinMode(HIN_PIN, OUTPUT);                // Configure the control pins as outputs
  pinMode(LIN_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(HIN_PIN, LOW);              // Start with both switches off
  digitalWrite(LIN_PIN, LOW);
  Serial.println(F("FAN7382 half-bridge test"));
  // Turn the low side on to charge the bootstrap capacitor
  digitalWrite(LIN_PIN, HIGH);
  delay(BOOT_CHARGE_MS);
  digitalWrite(LIN_PIN, LOW);
  Serial.print(F("Bootstrap capacitor charged for "));
  Serial.print(BOOT_CHARGE_MS);
  Serial.println(F(" ms"));
  // Compute the nominal period and frequency without the digitalWrite overhead
  unsigned long periodUs = (unsigned long)HIGH_ON_US + LOW_ON_US + 2UL * DEAD_US;
  Serial.print(F("Nominal period: "));
  Serial.print(periodUs);
  Serial.println(F(" us"));
  Serial.print(F("Nominal frequency: "));
  Serial.print(1000000UL / periodUs);
  Serial.println(F(" Hz"));
  Serial.print(F("Dead time: "));
  Serial.print(DEAD_US);
  Serial.println(F(" us"));
  Serial.println(F("Switching started"));
}
void loop() {
  // Low side off, wait for the dead time, then high side on
  digitalWrite(LIN_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(DEAD_US);
  digitalWrite(HIN_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(HIGH_ON_US);
  // High side off, wait for the dead time, then low side on
  digitalWrite(HIN_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(DEAD_US);
  digitalWrite(LIN_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(LOW_ON_US);
}

Cum functioneaza codul:

Constantele HIN_PIN si LIN_PIN indica pinii 9 si 10, conectati la intrarile HIN si LIN. Constantele HIGH_ON_US, LOW_ON_US si DEAD_US stabilesc durata de conductie a fiecarui tranzistor si timpul mort, in microsecunde. Constanta BOOT_CHARGE_MS stabileste cat timp ramane activ canalul de jos pentru incarcarea condensatorului bootstrap.

In functia setup() se porneste monitorul serial la 9600 baud, ambii pini se configureaza ca iesiri si se pun pe LOW, astfel incat ambele tranzistoare sa porneasca blocate. Apoi LIN este pus pe HIGH pentru BOOT_CHARGE_MS milisecunde, ceea ce incarca condensatorul bootstrap, si revine pe LOW. La final se calculeaza si se afiseaza perioada si frecventa nominala, in variabila periodUs.

Functia loop() repeta la nesfarsit aceeasi secventa. Mai intai LIN este pus pe LOW, se asteapta timpul mort, apoi HIN este pus pe HIGH pentru HIGH_ON_US microsecunde. Dupa aceea HIN revine pe LOW, se asteapta din nou timpul mort si LIN este pus pe HIGH pentru LOW_ON_US microsecunde. In niciun moment cei doi pini nu sunt simultan pe HIGH.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial la 9600 baud. Dupa resetarea placii apar mesajele de pornire, durata incarcarii bootstrap si valorile nominale ale perioadei si frecventei. Cu un osciloscop sau un analizor logic pe pinii HO si LO vedeti doua semnale complementare, cu pauza de aproximativ 5 us intre ele.

FAN7382 half-bridge test
Bootstrap capacitor charged for 10 ms
Nominal period: 90 us
Nominal frequency: 11111 Hz
Dead time: 5 us
Switching started

Probleme frecvente:

Iesirea HO nu comuta. Cauza cea mai frecventa este condensatorul bootstrap necarcat sau dioda montata invers. Verificati ca dioda are anodul la VCC si catodul la VB si ca LO este activat suficient inainte de prima comanda HO.

Ambele canale raman inactive. Verificati alimentarea VCC, care trebuie sa fie peste pragul UVLO de 9.2 V tipic, si ca pinul COM este legat la masa Arduino. Fara masa comuna, nivelurile logice nu sunt recunoscute.

Tranzistoarele se incalzesc puternic. Posibil conduc simultan. Marcati cu osciloscopul semnalele de pe HO si LO si marit timpul mort DEAD_US pana cand nu se mai suprapun.

Apar oscilatii pe grile sau comutare haotica. Montati rezistentele serie de 10 - 47 ohmi cat mai aproape de grile, scurtati traseele si adaugati condensatorul de 100 nF direct intre VCC si COM.

Canalul de sus se opreste dupa un timp lung de conductie. Condensatorul bootstrap se descarca treptat. Folositi comutare continua, cu pauze in care tranzistorul de jos incarca din nou condensatorul.

Limitari si sfaturi:

Circuitul are doua canale independente si nu include protectie interna impotriva conductiei simultane, deci timpul mort ramane in sarcina semnalului de comanda. Alimentarea canalului de sus prin bootstrap cere comutare periodica, deci nu se poate mentine tranzistorul de sus deschis la nesfarsit.

Programul de test cu digitalWrite ajunge la aproximativ 11 kHz si are mici variatii de timp din cauza intreruperilor Arduino. Pentru frecvente mari si timpi preciza folositi timerele hardware ale microcontrolerului.

Dupa ce montajul functioneaza corect la 12 V, tensiunea magistralei se poate mari treptat, cu grija pentru tensiunile periculoase si cu tranzistoare dimensionate pentru ea. Pe aceasta baza se pot construi o semipunte pentru motor, un convertor Buck sau o punte completa cu doua astfel de drivere.