Half-bridge kapuvezérlő FAN7382, 600 V-ig, 350 mA / 650 mA, DIP-8

Ebben a leírásban a FAN7382 áramkört helyezzük üzembe, amely egy félhíd-kapuvezérlő, és két teljesítménytranzisztort vezérel, egyet a felső és egyet az alsó oldalon. Kapcsolóüzemű tápegységekben, invertERekben, DC-DC átalakítókban és motorvezérlőkben használják, ott, ahol egy kis logikai jelnek kell nagyfeszültségen dolgozó tranzisztorokat vezérelnie.

Az áramkör nem állítja elő magától a vezérlőjeleket, ezért szükségünk van egy mikrovezérlőre. Egy Arduino Uno lapot használunk, amelynek 5 V-os logikájú digitális kimenetei elegendőek a meghajtó TTL bemeneteihez. Az Arduino Uno a legegyszerűbb választás ehhez az áramkörhöz, mert sem WiFi-re, sem extra memóriára, sem speciális interfészre nincs szükség.

Működés:

A meghajtónak két logikai bemenete van, HIN és LIN, valamint két kimenete, HO és LO, amelyek fázisban követik a bemeneteket. Az 1-es szint 2.9 V felett, a 0-s szint 0.8 V alatt van. A LO kimenet az alsó tranzisztor gate-jét, a HO kimenet a felső tranzisztor gate-jét vezérli. Csatornánként jellemzően 350 mA áramot szolgáltat bekapcsoláskor és 650 mA-t kikapcsoláskor.

A felső tranzisztor forrása a félhíd középpontjában van, amely a föld és a busz feszültsége között emelkedik és süllyed. Ezért a felső csatorna tápfeszültségének ezt a pontot kell követnie. Ezt egy bootstrap kondenzátor biztosítja, amely a VB és a VS közé van kötve. Amikor az alsó tranzisztor nyitva van, a VS közel földpotenciálra húzódik, és a kondenzátor a VCC-ről egy gyors diódán keresztül töltődik. A felső csatorna feszültsége közelítőleg VBS = VCC - VF, ahol a VF a dióda feszültségesése. VCC = 12 V és VF = 0.7 V esetén a VBS körülbelül 11.3 V, ami a 9.2 V-os jellemző UVLO bekapcsolási küszöb felett van.

A kapcsolási sebesség a tranzisztor gate-töltésétől, Qg-től és a meghajtó áramától függ, a t = Qg / I összefüggés szerint. Egy Qg = 30 nC-os tranzisztornál 350 mA-en körülbelül 86 ns a bekapcsolási idő, 650 mA-en pedig körülbelül 46 ns a kikapcsolási idő. A valóságban az idők nagyobbak, mert ahogy a gate töltődik, az áram csökken.

A programtól generált jel periódusideje T = tHigh + tDead + tLow + tDead. 40 us, 5 us, 40 us és 5 us esetén 90 us adódik, ami körülbelül 11.1 kHz, és ehhez hozzáadódnak a digitalWrite utasítások idői. A holtidő megakadályozza, hogy a két tranzisztor egyszerre vezessen, mert az rövidre zárná a buszt.

Csatlakoztatás:

Az első teszthez 12 V-os tápbuszt használjon, ne a 600 V-os maximális feszültséget. A nagyfeszültség veszélyes, ezért a kötéseket csak lekapcsolt állapotban végezze. Táplálja a VCC-t 12 V-tal, a 10 - 20 V tartományon belül. A HIN és LIN bemenetek TTL szintűek, ezért közvetlenül az Arduino Uno csatlakozóihoz köthetők, szintillesztő nélkül. Az Arduino földjét, a tápegység földjét és a COM-ot össze kell kötni. A tranzisztorok két N-csatornás MOSFET-ek, a terhelés pedig a félhíd középpontja és a föld vagy a busz közé kerül.

Lap és könyvtárak:

Az Arduino IDE-ben a Tools > Board menüben válassza az Arduino Uno lapot az Arduino AVR Boards csomagból, amelyet a Boards Manager-ből lehet telepíteni, és amely általában az Arduino IDE-vel együtt érkezik. A program csak a platform alapfunkcióit használja, ezért nem kell könyvtárat telepíteni.

Kód:

A program röviden feltölti a bootstrap kondenzátort, majd a 9-es és 10-es lábakon két komplementer jelet generál, közöttük holtidővel.

/*
  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);
}

A kód működése:

A HIN_PIN és LIN_PIN konstansok a 9-es és 10-es lábat jelölik, amelyek a HIN és LIN bemenetekhez csatlakoznak. A HIGH_ON_US, LOW_ON_US és DEAD_US konstansok mikroszekundumban határozzák meg az egyes tranzisztorok vezetési idejét és a holtidőt. A BOOT_CHARGE_MS konstans határozza meg, mennyi ideig marad aktív az alsó csatorna a bootstrap kondenzátor töltéséhez.

A setup() függvényben a soros monitort 9600 baudon indítjuk, mindkét láb kimenetként van beállítva és LOW állapotba kerül, így mindkét tranzisztor lezárt állapotban indul. Ezután a LIN HIGH állapotba kerül BOOT_CHARGE_MS milliszekundumra, ami feltölti a bootstrap kondenzátort, majd visszakerül LOW-ra. A végén kiszámítjuk és kiírjuk a névleges periódusidőt és frekvenciát, a periodUs változóban.

A loop() függvény végtelen ciklusban ismétli ugyanazt a sorozatot. Először a LIN LOW állapotba kerül, vár a holtidőt, majd a HIN HIGH állapotba kerül HIGH_ON_US mikroszekundumig. Ezután a HIN visszakerül LOW-ra, újra vár a holtidőt, majd a LIN HIGH állapotba kerül LOW_ON_US mikroszekundumig. Egyetlen pillanatban sincs a két láb egyszerre HIGH állapotban.

Eredmény:

Nyissa meg a soros monitort 9600 baudon. A lap újraindítása után megjelennek az indulási üzenetek, a bootstrap töltés időtartama, valamint a névleges periódusidő és frekvencia értékei. Oszcilloszkóppal vagy logikai analizátorral a HO és LO lábakon két komplementer jelet lát, közöttük körülbelül 5 us szünettel.

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

Gyakori problémák:

A HO kimenet nem kapcsol. A leggyakoribb ok a lemerült bootstrap kondenzátor vagy a fordítva szerelt dióda. Ellenőrizze, hogy a dióda anódja a VCC felé, katódja a VB felé van-e kötve, és hogy az LO elég ideig aktív volt-e a első HO vezérlő jel előtt.

Mindkét csatorna inaktív marad. Ellenőrizze a VCC tápfeszültséget, amelynek a 9.2 V-os jellemző UVLO küszöb felett kell lennie, és hogy a COM láb az Arduino földjéhez van kötve. Közös föld nélkül a logikai szinteket nem ismeri fel.

A tranzisztorok erősen melegszenek. Valószínűleg egyszerre vezetnek. Oszcilloszkóppal figyelje meg a HO és LO jeleket, és növelje a DEAD_US holtidőt, amíg a jelek át nem fedik egymást.

Oszcillációk jelennek meg a gate-eken, vagy a kapcsolás kaotikus. Helyezze a 10 - 47 ohmos soros ellenállásokat minél közelebb a gate-ekhez, rövidítse a vezetékeket, és tegyen 100 nF-os kondenzátort közvetlenül a VCC és a COM közé.

A felső csatorna hosszú vezetési idő után leáll. A bootstrap kondenzátor fokozatosan kisül. Használjon folyamatos kapcsolást szünetekkel, amelyek alatt az alsó tranzisztor újra feltölti a kondenzátort.

Korlátok és tanácsok:

Az áramkörnek két független csatornája van, és nincs beépített védelme az egyidejű vezetés ellen, ezért a holtidő a vezérlőjel feladata marad. A felső csatorna bootstrap táplálásához periodikus kapcsolás szükséges, ezért a felső tranzisztor nem tartható nyitva a végtelenségig.

A digitalWrite-tal készített tesztprogram körülbelül 11 kHz-ig jut el, és az Arduino megszakításai miatt kisebb időbeli ingadozások vannak. Nagyobb frekvenciákhoz és pontosabb időzítéshez használja a mikrovezérlő hardveres időzítőit.

Miután az áramkör 12 V-on megfelelően működik, a busz feszültsége fokozatosan növelhető, óvatosan a veszélyes feszültségekkel, és a feszültségre méretezett tranzisztorokkal. Erre az alapra lehet építeni motor félhídját, Buck konvertert vagy két ilyen meghajtóval teljes hidat.