Driver di gate half-bridge FAN7382, fino a 600V, 350mA / 650mA, DIP-8

In questo tutorial mettiamo in funzione il circuito FAN7382, un driver di gate per semiponte che comanda due transistor di potenza, uno sul lato alto e uno sul lato basso. Viene utilizzato in alimentatori switching, inverter, convertitori DC-DC e driver per motori, dove un piccolo segnale logico deve comandare transistor che lavorano a tensioni elevate.

Il circuito non genera da solo i segnali di comando, quindi ci serve un microcontrollore. Utilizziamo una scheda Arduino Uno, che ha uscite digitali con logica a 5 V, sufficienti per gli ingressi TTL del driver. Arduino Uno è la scelta più semplice per questo circuito, perché non richiede né WiFi, né memoria aggiuntiva, né un'interfaccia speciale.

Come funziona:

Il driver ha due ingressi logici, HIN e LIN, e due uscite, HO e LO, in fase con gli ingressi. Il livello 1 è considerato sopra 2.9 V, mentre il livello 0 sotto 0.8 V. L'uscita LO comanda il gate del transistor inferiore, mentre l'uscita HO comanda il gate del transistor superiore. Ogni canale fornisce tipicamente 350 mA in accensione e 650 mA in spegnimento.

La sorgente del transistor superiore si trova al centro del semiponte, che sale e scende tra massa e la tensione del bus. Per questo l'alimentazione del canale superiore deve seguire questo punto. Si ottiene con un condensatore bootstrap collegato tra VB e VS. Quando il transistor inferiore è acceso, VS viene portato vicino a massa e il condensatore si carica da VCC attraverso un diodo veloce. La tensione del canale superiore è circa VBS = VCC - VF, dove VF è la caduta sul diodo. Per VCC = 12 V e VF = 0.7 V risulta VBS di circa 11.3 V, sopra la soglia UVLO di avvio di 9.2 V tipica.

La velocità di commutazione dipende dalla carica del gate Qg del transistor e dalla corrente del driver, secondo la relazione t = Qg / I. Per un transistor con Qg = 30 nC, a 350 mA risultano circa 86 ns in accensione, mentre a 650 mA risultano circa 46 ns in spegnimento. In realtà i tempi sono più lunghi, perché man mano che il gate si carica, la corrente diminuisce.

Il segnale generato dal programma ha periodo T = tHigh + tDead + tLow + tDead. Con 40 us, 5 us, 40 us e 5 us risultano 90 us, cioè circa 11.1 kHz, a cui si aggiunge il tempo delle istruzioni digitalWrite. Il tempo morto evita la conduzione simultanea dei due transistor, che cortocircuiterebbe il bus.

Collegamento:

Per la prima prova usate un bus di potenza da 12 V, non la tensione massima di 600 V. Le tensioni elevate sono pericolose, quindi eseguite i collegamenti solo con il circuito scollegato. Alimentate VCC con 12 V, nell'intervallo 10 - 20 V. Gli ingressi HIN e LIN hanno livello TTL, quindi si collegano direttamente ai pin di Arduino Uno, senza convertitore di livello. La massa di Arduino, la massa dell'alimentazione e COM devono essere collegate insieme. I transistor sono due MOSFET a canale N, e il carico si collega tra il centro del semiponte e la massa o il bus.

Scheda e librerie:

In Arduino IDE selezionate da Tools > Board la scheda Arduino Uno del pacchetto Arduino AVR Boards, che si installa da Boards Manager e di solito viene fornito insieme ad Arduino IDE. Il programma usa solo le funzioni di base della piattaforma, quindi non è necessario installare alcuna libreria.

Il codice:

Il programma carica brevemente il condensatore bootstrap, poi genera sui pin 9 e 10 due segnali complementari con tempo morto tra loro.

/*
  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);
}

Come funziona il codice:

Le costanti HIN_PIN e LIN_PIN indicano i pin 9 e 10, collegati agli ingressi HIN e LIN. Le costanti HIGH_ON_US, LOW_ON_US e DEAD_US stabiliscono la durata di conduzione di ciascun transistor e il tempo morto, in microsecondi. La costante BOOT_CHARGE_MS stabilisce per quanto tempo resta attivo il canale inferiore per la carica del condensatore bootstrap.

Nella funzione setup() si avvia il monitor seriale a 9600 baud, entrambi i pin vengono configurati come uscite e portati su LOW, in modo che entrambi i transistor partano spenti. Poi LIN viene portato su HIGH per BOOT_CHARGE_MS millisecondi, il che carica il condensatore bootstrap, e torna su LOW. Alla fine si calcolano e si visualizzano il periodo e la frequenza nominali, nella variabile periodUs.

La funzione loop() ripete all'infinito la stessa sequenza. Prima LIN viene portato su LOW, si attende il tempo morto, poi HIN viene portato su HIGH per HIGH_ON_US microsecondi. Successivamente HIN torna su LOW, si attende di nuovo il tempo morto e LIN viene portato su HIGH per LOW_ON_US microsecondi. In nessun momento i due pin sono contemporaneamente su HIGH.

Risultato:

Aprite il monitor seriale a 9600 baud. Dopo il reset della scheda compaiono i messaggi di avvio, la durata della carica bootstrap e i valori nominali di periodo e frequenza. Con un oscilloscopio o un analizzatore logico sui pin HO e LO vedete due segnali complementari, con una pausa di circa 5 us tra loro.

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

Problemi frequenti:

L'uscita HO non commuta. La causa più frequente è il condensatore bootstrap non caricato o il diodo montato al contrario. Verificate che il diodo abbia l'anodo su VCC e il catodo su VB e che LO sia attivato abbastanza a lungo prima del primo comando HO.

Entrambi i canali restano inattivi. Verificate l'alimentazione VCC, che deve essere sopra la soglia UVLO di 9.2 V tipica, e che il pin COM sia collegato alla massa di Arduino. Senza massa comune, i livelli logici non vengono riconosciuti.

I transistor si riscaldano molto. Probabilmente conducono contemporaneamente. Misurate con l'oscilloscopio i segnali su HO e LO e aumentate il tempo morto DEAD_US finché non si sovrappongono più.

Compaiono oscillazioni sui gate o commutazione caotica. Montate le resistenze in serie da 10 - 47 ohm il più vicino possibile ai gate, accorciate le piste e aggiungete il condensatore da 100 nF direttamente tra VCC e COM.

Il canale superiore si ferma dopo un lungo tempo di conduzione. Il condensatore bootstrap si scarica gradualmente. Usate una commutazione continua, con pause in cui il transistor inferiore ricarica il condensatore.

Limitazioni e consigli:

Il circuito ha due canali indipendenti e non include una protezione interna contro la conduzione simultanea, quindi il tempo morto resta a carico del segnale di comando. L'alimentazione del canale superiore tramite bootstrap richiede una commutazione periodica, quindi non è possibile mantenere il transistor superiore acceso all'infinito.

Il programma di test con digitalWrite arriva a circa 11 kHz e presenta piccole variazioni di tempo a causa degli interrupt di Arduino. Per frequenze elevate e tempi precisi usate i timer hardware del microcontrollore.

Dopo che il montaggio funziona correttamente a 12 V, la tensione del bus si può aumentare gradualmente, con attenzione alle tensioni pericolose e con transistor dimensionati per essa. Su questa base si possono costruire un semiponte per motore, un convertitore Buck o un ponte completo con due di questi driver.