فلوت سوییچ در الکترونیک قدرت

در بعضی از مدارها خصوصا کانورترهای DC\DC، سیستم کنترلی که گیت یا بیس سوییچ را کنترل می­کند، نمی­تواند به زمین قدرت متصل شود و اصطلاحا زمینِ قدرت از زمینِ کنترل جداست. این پدیده باعث نویز پذیری کلیدها و سیستم کنترلی می­شود. در فلوت سوییچ مانند بقیه سوییچ ها قدرت، به ایزوله سازی نیاز است تا از نویزپذیری جلوگیری شود.

اساس ایزوله سازی بر مبنای این است که تمام مدار های راه انداز از یک منبع مشترک تغذیه شوند و سیگنال فرمان مستقیما به بیس ترانزیستور اعمال نشود. و در نهایت ورودی بیس هر ترانزیستور به وسیله ایزوله کننده ها ایزوله می­شوند.

ایزوله سازی راه های مختلفی دارد که در این مقاله، سه تا از راه های ایزوله سازی فلوت سوییچ رو باهم بررسی میکنیم، پس تا پایان با کارجویا همراه باشید.

مطالبی که امروز بررسی می­ کنیم :

• ایزوله سازی فلوت سوییچ با اپتوکوپلر
• ایزوله سازی فلوت سوییچ با ترانس پالس
• ایزوله سازی فلوت سوییچ با بوت استرپ
• جمع بندی

می توانید مقالات دیگر را نیز در سایت کارجویا در ارتباط با مهندسی برق مشاهده بفرمایید.

—————————

ایزوله سازی فلوت سوییچ با اپتوکوپلر

یک قطعه الکترونیکی است که در بسته بندی هایی همانند آی سی تولید می­شود و همانطور که از نام آن پیداست، وظیفه آن کوپل کردن یا اتصال دو نقطه با استفاده از فرمانهای نوری میباشد. داخل اپتوکوپلرها یک دیود نوری به همراه یک فتوترانزیستور قرار گرفته که هردو نسبت به محیط خارج اپتوکوپلر ایزوله شده اند؛ یعنی فتوترانزیستور داخلی تنها می­تواند نور ساطع شده توسط دیود نوری داخلی را دریافت کند.

بیس فتوترانزیستور توسط نور دریافتی از طرف دیود نوری تحریک می­شود و میتواند با توجه به آن، جریان را از خود عبور بدهد. معمولا در هر اپتوکوپلر حداقل دو پایه برای آند و کاتد دیود نوری و دو پایه هم برای کلکتور و امیتر فتوترانزیستور تعبیه شده است. هرگاه یک ولتاژ ایزولاسیون (معمولا ۳ تا ۵ ولت) را با رعایت قطب مثبت و منفی به آند و کاتد اپتوکوپلر متصل کنیم، فتوترانزیستور به محض دریافت نور ساطع شده از دیود نوری تحریک می­شود و می­تواند جریان را از خود عبور دهد.

نکته اصلی در رابطه با قابلیتهای این قطعه اینجاست که ولتاژ ایزولاسیون (ولتاژ اعمالی به دیود نوری) نسبت به ولتاژ عبوری از فتوترانزیستور کاملا ایزوله است و هیچ گونه اتصال فیزیکی میان آنها برقرار نمی­شود. میتوان یک ولتاژ ۵ ولت را از میکروکنترلر به آند و کاتد اپتوکوپلر اعمال نموده و توسط آن عبور یک ولتاژ بالا یا یک جریان پر از نویز را از فتوترانزیستور کنترل کرد؛ بدون آن که ذرهای از آن نویز وارد مدار اصلی شود و یا در عملکرد میکروکنترلر اختلال ایجاد کند.

به عنوان مثال اگر بخواهیم از طریق میکروکنترلر مستقیما به موتوری فرمان بدهیم یا رله ای را فعال کنیم، ممکن است عمکرد موتور باعث ایجاد نویز شده و بر روی عملکرد میکروکنترلر یا مدار فرمان تاثیر بگذارد و باعث اختلال در سیستم شود؛ اما اپتوکوپلر این دو قسمت را کاملا از هم مجزا می­کند. همچنین در تغذیه اپتوکوپلر برای کلید های فلوت باید یک مقاومت قرار داد و به منبع وصل کرد و در نهایت به سر کلکتور ترانزیستور داد تا بایاس شود.

ایزوله سازی فلوت سوییچ با ترانس پالس

به دلیل سرعت کم اپتوکوپلر و نیز عدم امکان انتقال توان لازم توسط اپتوکوپلر، استفاده از ترانس پالس ترجیح داده می­شود. این ترانس ها قطعاتی با فرکانس بالا هستند که پالس های مورد نظر را به صورت ایزوله به مدار می­دهند. مشکل اصلی استفاده از این قطعات محدوده فرکانس کاری آنهاست. ترانس پالس با هسته فریت در فرکانس بالا تا چند مگا هرتز به خوبی کار می­کند ولی امکان انتقال شکل موج مربعی با فرکانس پایین را ندارد.

ترانسفورمرهای با هسته پودر فلزی در فرکانس های پایین مناسب تر هستند اما در فرکانس های بالا تلفات زیادی دارند. بنابراین امکان انتقال تمام پالس ها با محدوده فرکانسی معین برا کلیدزنی مبدل ها توسط یک ترانس وجود ندارد. در واقع ترانس پالس برای پالس های عریض مانند مشتق گیر عمل کرده و در دو سر سیم پیچ خود دو پالس سوزنی ایجاد می­کند. به عبارت دیگر یک ترانسفورمر قابلیت تامین جریان دائمی بیس را تا زمانی که فرمان وصل باید وجود داشته باشد ندارد.

به علاوه اگر اگر پالس عبوری از ترانس دارای مقدار مقاومت غیر صفر باشد هسته ترانس اشباع و عملکرد آن نامناسب میشود.برای رفع این دو اشکال تمامی پالس های فرمان ابتدا توسط یک موج متناوب با فرکانس زیاد مدوله شده و سپس از ترانس پالس عبور داده می­شود و نهایتا این پالس دمدوله شده و کلید زنی انجام می­شود.

روش های پیاده سازی ترانس پالس:

برای مبدل های نیم پل و تمام پل که Duty Cycle کمتر از ۵۰% و با شیفت فاز ۵۰% هستند، می توان اختلاف دو PWM را به ترانس پالس داد و در ثانویه پالس ایزوله ایجاد می شود.

برای سایر مبدل ها که نیاز پالس ایزوله دارند و Duty Cycle انها از ۵۰% بیشتر است، می توان از مدار زیر استفاده کرد و این مدار نسبت به روش اول بهتر است و حتی برای Duty cycle کمتر از % ۵۰ نیز قابل استفاده است. بنابراین برای نیم پل و تمام پل این مدار قابل استفاده است.

ایزوله سازی فلوت سوییچ با بوت استرپ

شکل مدار در نزدیکی کانورتر dc-dc به پلاریته high-side switch وابسته است. استفاده از ماسفت نوع N برای high-side switch  مزایایی دارد مانند قابلیت هدایت سوییچ با ولتاژ ورودی Vin برای ولتاژ گیت، همینطور کاهش ولتاژ و بدست آوردن حداکثر duty cycle . درمقابل آن استفاده از ماسفت نوع P نیاز به مساحت چیپ بزرگتری برای عبور جریان یکسان با نوع N دارد.

استفاده از ماسفت نوع N برای high-side switch نیاز به ولتاژ گیتی معادل Vin+Vth یا بیشتر از آن دارد، چون نیاز به ولتاژ بیشتر از Vinداریم باید از مدار step-up استفاده کنیم.این مدار از یک دیود داخلی و یک خازن بوت استرپ خارجی از نوع charge-pump ساخته شده است و خازن بوت استرپ از ریل منبع به ولتاژ خروجی وصل شده است.

وقتی ترانزیستور نوع N سمت پایین فعال باشد، از ریل منبع جریان کشیده میشود و پس از عبورش از دیود بوت استرپ خازن بوت استرپ را از طریق ترانزیستور نوع N سمت پایین شارژ می­کند و وقتی سمت پایین خاموش شد، سمت پایین خازن بوت استرپ به سورس ترانزیستور نوع N سمت بالا متصل می­شود و خازن بوت استرپ در حالت دشارژ قرار می­گیرد تا بتواند ولتاژ گیت ترانزیستور نوع N سمت بالا (Vin) را به حدی که کاملا روشن شود هدایت کند. (بیشتر از Vin+Vth) در حالی که دیود بوت استرپ اتصال ولتاژ منبع را مسدود کرده است.

جمع بندی

در مقاله امروز درباره راه های درایو فلوت سوییچ ها صحبت کردیم و با سه روش راه اندازی آنها آشنا شدیم. فلوت سوییچ ها در صنعت بسیار کاربردی و پراستفاده هستند و میتوان از آنها در موارد مختلف بهره برذ. از اینکه با این مقاله از کارجویا هم همراه بودید ازتون متشکریم.

منبع : elprocus