IT9082539A1 - Circuito di pilotaggio velocissimo per mosfet - Google Patents

Description

"CIRCUITO DI PILOTAGGIO VELOCISSIMO PER MOSFET"

RIASSUNTO

La presente domanda ha per oggetto un circuito di pilotaggio velocissimo per MOSFET.

Tale circuito risulta comprendere un primo trasformatore di accoppiamento, pilotato dal lato della logica di controllo e presentante un rapporto spire pari a 2:1 con minima reattanza ed elevatissima immunità alla dV/dt.

Il circuito risulta comprendere un primo stadio del DRIVER, costituito da un piccolo MOSFET, un secondo stadio per detto DRIVER,direttamente accoppiato al DRAIN del primo stadio.

Il circuito comprende inoltre un terzo stadio del DRIVER quest'ultimo risultando alimentato con due distinte tensioni tale alimentazione essendo fornita da un secondo trasformatore.

DESCRIZIONE

La presente domanda ha per oggetto un circuito di pilotaggio velocissimo per MOSFET.

La tematica che si vuole esaminare è quella relativa a tutto quel gruppo di circuiti elettronici comunemente denominati "alimentatori a commutazione", con particolare riferimento a quegl i schemi di principio che prevedono l ' impiego di interruttori elettronici i cui comandi non sono riferiti allo stesso potenziale.

A riguardo le tipologie più comuni e note che rientrano in questi schemi sono quelle usualmente nominate "half-bridge", "asimmetrical half-bridge", e "full bridge" .

Tali configurazioni evidenziate sono, tra quelle note, quelle che permettono il raggiungimento delle potenze più elevate.

Tali circuiti di tipo noto presentano però degli inconvenienti dovuti essenzialmente ad una difficoltà di corretto comando degli interruttori elettronici i quali sono in realtà realizzati da componenti elettronici attivi (transistori, SCR, MOSFET) .

Nel caso quindi vengano impiegati dei MOSFET nel circuito HALF BRIDGE e FULL BRIDGE si ha che, utilizzando dispositivi a canale "N" rispetto a quelli a canale "P", i primi privilegiati nettamente nella tecnologia dei semiconduttori, il problema di pilotare adeguatamente detti MOSFET ed in particolare quello di connesso a Vcc, è piuttosto complesso.

A tale scopo sono già note alcune soluzioni di cui una è denominata LEVEL SHIFTER nella quale si utilizza un transistore di piccola potenza, riferito al negativo, in grado di sopportare tutta la tensione di alimentazione; tale transistore comanda, più o meno direttamente, il transistore mos di potenza: si riscontrano però sempre degli inconvenienti in quanto non è semplice la messa a punto e la scelta del componente è un pò problematica se Vcc (tensione di alimentazione continua ) risulta alta (300 o 500 volta, come è frequente raddrizzando 220 Vac o il 380 trifase). Un altra soluzione già adottata di tipo noto quindi è quella dei così detti fotocopiatori "very-fast": tale soluzione, pur presentando alcuni vantaggi, richiede una alimentazione flottante vincolata al SOURCE del finale di potenza.

I ritardi di propagazione, per dispositivi più facilmente reperibili (denominati commercialmente con la sigla "6N 137" della Ditta HP) non sono trascurabili a frequenze elevate, quali sono quelle raggiungibili dai MOSFET.

Anche la reiezione a disturbi di modo comune (1000/2000 V/usec) può essere insufficiente con tali dispositivi e alte tensioni.

Un1 altra soluzione già adottata è quella di utilizzare i nuovi I.C. della I.R.: tale soluzione, molto recente, risulta per alcuni versi soddisfacente ma presente anche degli inconvenienti in quanto i dispositivi impiegati non lavorano ad alte tensioni e la corrente disponibile per il pilotaggio è piuttosto limitata.

Un’ altra soluzione già adottata consiste nell'utilizzare dei trasformatori di accoppiamento: anche questa è una soluzione per alcuni versi soddisfacente ma anche in questo caso si possono riscontrare alcuni inconvenienti: senza particolari,precauzioni l’induttanza dispersa tra i due avvolgimenti, ancorché ben accoppiati, limita la velocità di salita del comando, soprattutto se il MOSFET ha capacità intrinseche rilevanti, come nel caso dei MOSFET high current e high voltage.

Tale induttanza dispersa, che appare quindi "in serie", può inoltre risuonare con capacità di ingresso ("in parallelo"), producendo sovraoscillazioni spurie pericolose per il MOSFET (20V fra GATE e SOURCE sono già rischiosi), il che richiede circuiti di clippaggio e smorzamento che invalidano il vantaggio della semplicità e peggiorano la qualità del pilotaggio.

Con tale soluzione resta inoltre pressoché impossibile trasmettere segnali di comando con DUTY-CYCLE molto variabile, qual'è il caso di segnali PWM.

Con qualche accorgimento, invece, è possibile passare attraverso i trasformatori segnali con duty-cycle compreso tra 0 e 50%, come è il caso di molti circuiti di alimentatori a commutazione .

A parziale soluzione di tali inconvenienti l'inventore della presente domanda ha depositato, in data 13.04.1989 una domanda N. 41571 A/89 inerente un circuito di pilotaggio per MOSFET di potenza, a basso costo ed estremamente veloce il quale, pur risolvendo gran parte degli inconvenienti precedenti, non risultava ottimale volendo manipolare una potenza di 2 Kw alla frequenza di 2,5 MHz.

Con tali valori la frequenza in gioco risulta cinque volte superiore a quella impiegata nel circuito di cui alla domanda N.

41571 A/89, questo producendo un drastico aumento della potenza necessaria per comandare gli interruttori di potenza in quanto questi vanno accesi e spenti nel modo più veloce possibile in un tempo totale di circa 400nsec, che è il periodo corrispondente a 2,5 MHz.

Compito principale di quanto forma oggetto della presente domanda è quindi quello di eliminare gli inconvenienti sopra lamentati in tipi noti escogitando un circuito di pilotaggio velocissimo per MOSFET che permette di realizzare FULL-BRIDGE funzionante a 2,5 MHz ed in grado di controllare una potenza fino a circa 2,4 KW.

Nell'ambito del compito sopra esposto un altro importante scopo è quello di realizzare un circuito strutturalmente semplice e realizzabile con.impianti e macchinati noti.

Non ultimo scopo è quello di realizzare un circuito che risulti affidabile e sicuro nell'uso.

Il compito e gli scopi sopra accennati nonché altri che più chiaramente appariranno in seguito vengono raggiunti da un circuito di pilotaggio velocissimo per MOSFET che si caratterizzaiper il fatto di comprendere un primo trasformatore di accoppia mento, pilotato dal lato della logica di controllo e presentante un rapporto spire pari a 2:1 con minima reattanza ed elevatissima immunità alla dV/dt, un primo stadio del DRIVER, costituito da un piccolo MOSFET, un secondo stadio di detto DRIVER, direttamente accoppiato al DRAIN di detto primo stadio ed un terzo stadio di detto DRIVER, quest'ultimo essendo alimentato con due tensioni distinte, detta alimentazione essendo fornita da un secondo trasformatore.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di una particolare, ma non esclusiva, forma di realizzazione, illustra te a titolo indicativo e non limitativo nella allegata tavola di disegni in cui: la fig. 1 illustra uno schema circuitale del circuito di pilotaggio velocissimo per MOSFET.

Con riferimento alla figura precedentemente citata si è indicato con la sigla TI un primo trasformatore di accoppiamento, pilotato dal lato della logica di controllo il quale risulta presentare un rapporto spire pari a 2:1 avvolto con tecnica tale da avere la minima reattanza dispersa, pur fornendo una elevatissima immunità rispetto alla dV/dt, che in-questa applicazione giunge a 10 KV/usec.

Il circuito risulta inoltre comprendere un primo stadio del DRIVER, indicato con la sigla Ql, vero e proprio il quale è costituito da un piccolo MOSFET da poche centinaia di mA di IDmax.

Tale primo stadio risulta essere quello più adatto per\ utilizzare il segnale presente sul secondario del primo trasformatore TI senza al contempo caricare eccessivamente la logica ed il primario.

Tale primo stadio inoltre risulta adatto a comandare il successivo secondo stadio, indicato con le sigle Q2 e Q3, con fronti abbastanza ripidi.

Tale secondo stadio, direttamente accoppiato al DRAIN del primo stadio del Ql, risulta essere costituito da una coppia di transistori di media potenza, ad esempio del tipo noto commercialmente con la sigla 8D 137 - BD 138; tale coppia di transistori di media potenza deve essere adatta a fornire una corrente sufficientemente ampia per comandare direttamente due MOSFET di un terzo stadio, indicato con le sigle Q4 e Q5,del DIVER.

Tale terzo stadio del DRIVER risulta essere costituito da due MOSFET complementari di media potenza ma con tutta una circuiteria accessoria, identificata nella tavola di disegni, la quale viene inserita essenzialmente per ridurre la dissipazione dei due MOSFET, limitando la conduzione simultanea e diminuendo comunque la corrente "trasversale", comandare il MOSFET finale secondo due traiettorie distinte, potendosi così variare facilmente ed in modo indipendente le velocità di comando in accensione e spegnimento.

Nei convertitori risonanti, ad esempio, risulta infatti opportuno comandare assai rapidamente i MOSFET finali in spegnimento, mentre l'accensione può essere assai più lenta.

Il circuito di pilotaggio inoltre presenta l'alimentazione del DRIVER con due tensioni, a 12 Volts e - 3 Volts rispetto al SOURCE del finale; ciò si è rilevato essere il migliore compromesso fra le necessità di comandare energicamente.i finali, rendendoli immuni rispetto a oscillazioni sul circuito di GATE e contenendo la dissipazione sui due MOSFET del terzo stadio.

Tale alimentazione risulta essere fornita tramite un secondo trasformatore, indicato con al sigla T2, in ferrite lavorante a 100 KHz; esso è costruito in modo da avere un buon isolamento ed una capacità abbastanza ridotta fra il primario ed il secondario, senza penalizzarlo troppo con una elevata reattanza dispersa.

Si è cosi constatato come il trovato abbia raggiunto il compito e gli scopi prefissati essendosi ottenuto un circuito di pilotaggio velocissimo per MOSFET che, grazie all1utilizzo di quattro DRIVER, comandati da una adeguata logica di controllo, e con quattro MOSFET finali di adatte caratteristiche, ha permesso la realizzazione di un FULL-BRIDGE funzionante a 2,5 MHz, in grado di controllare una potenza fino a circa 2,4 KW.

Naturalmente il trovato è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del medesimo concetto inventivo.

Cosi anche i materiali nonché le caratteristiche dei singoli componenti impiegati potranno essere i più consonii a seconda/^ delle specifiche esigenze.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1) Circuito di pilotaggio velocissimo per MOSFET che si caratterizza per il fatto di comprendere un primo trasformatore di accoppiamento, pilotato dal lato della logica di controllo e presentante un rapporto spire pari a 2:1 con minima reattanza ed elevatissima immunità alla dV/dt, un primo stadio del DRIVER, costituito da un piccolo MOSFET, un secondo stadio di detto DRIVER, direttamente accoppiato al DRAIN di detto primo stadio ed un terzo stadio di detto DRIVER, quest'ultimo essendo aumentabile con due tensioni distinte, detta alimentazione essendo fornita da un secondo trasformatore.
2. 2) Circuito come alla rivendicazione 1 che si caratterizza per il fatto che il pilotaggio di detto primo trasformatore di accoppiamento avviene tramite due BUFFERS QUADRUPLI HC-MOS connessi a ponte intero.
3. 3) Circuito come alle rivendicazioni 1 e 2 che si caratterizza per il fatto che detto primo trasformatore di accoppiamento è avvolto in modo da presentare una minima reattanza ed una elevatissima immunità rispetto al dV/dt. 4} Circuito come alle rivendicazioni 1 e 3 che si caratterizza per il fatto che detta dV/dt giunge a valori circa pari a 10 KV/usec. 5} Circuito come alla rivendicazione 1 che si caratterizza per il fatto che detto piccolo MOSFET presenta un valore di poche centinaie di HA di IDmax, detto piccolo MOSFET utilizzando il segnale presente sul secondario di detto primo trasformatore di accoppiamento. 6) Circuito come alle rivendicazioni 1 e 5 che si caratterizza per il fatto che detto secondo stadio è costituito da una coppia di transistori di media potenza presentanti una corrente sufficientemente ampia per comandare due MOSFET costituenti l'ultimo stadio. 7) Circuito come alle rivendicazioni 1 e 6 che si caratterizza per il fatto che detto terzo stadio è costituito da due MOSFET complementari di media potenza connessi ad una circuiteria accessoria atta a ridurre la dissipazione, a diminuire la corrente "trasversale" e a comandare un MOSFET finale secondo due traiettorie distinte per variare in modo indipendente e semplice la velocità di comando in fase di accensione e di spegnimento. 8) Circuito come alle rivendicazioni 1 e 7 che si caratterizza per il fatto che detto DRIVER è alimentatile con tensioni a 12V e a - 3V rispetto al SOURCE di detto MOSFET finale. 9) Circuito come alle rivendicazioni 1 e 8 che si caratterizza per il fatto che detto secondo trasformatore è in ferrite, lavora preferibilmente a 100 KhZ presenta un buon isolamento, una ridotta capacità tra primario e secondario ed una contenuta reattanza dispersa. 10) Circuito come ad una o più delle rivendicazioni precedenti che si caratterizza per il fatto che detta circuiteria accessoria è costituita da resistenze, condensatori, e altri componenti secondo quanto illustrato nella allegata tavola di disegni a cui va fatto riferimento per lo schema circuitale rivendicato. 11} Circuito di pilotaggio velocissimo per MOSFET come ad una o più delle rivendicazioni precedenti che si caratterizza per quanto descritto ed illustrato nella allegata trifola dì\disegni