350VDC/230VAC, 50Hz, 500VA

(1)

Západoˇceská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická

Katedra aplikovan´e elektroniky a telekomunikac´ı

Procesorem ˇ r´ızen´ y stˇ r´ıdaˇ c 350VDC/230VAC, 50Hz, 500VA

Diplomov´ a pr´ ace

Autor práce: Bc. Michal Kubát Vedouc´ı práce: Ing. Matouˇs Bartl

(2)

(3)

(4)

Anotace

Tato diplomová práce se zabývá návrhem a realizac´ı sp´ınaného stˇr´ıdaˇce z 350 V DC na 230 V AC s maximáln´ım výkonem 500 VA. ˇCást práce tvoˇr´ı obecný úvod do problematiky sp´ınaných zdroj˚u, dalˇs´ı ˇcást se zamˇeˇruje na teoretický popis jednotlivých blok˚u stˇr´ıdaˇce, jejich návrh, realizaci a ovˇeˇren´ı funkce.

Kl´ıˇ cov´ a slova

Sp´ınan´y zdroj, mˇeniˇc, stˇr´ıdaˇc, pln´y m˚ustek, TMS320, MOSFET, budiˇc

(5)

Abstract

This master thesis deals with design and realization of 350 V DC to 230 V AC switched- mode power supply with a power rating of 500 VA. Part of this thesis deals with general introduction to switched-mode power supplies, the next part is focused on the description of individual power supply blocks, their design, realization and validation.

Keywords

Switched-mode power supply, SMPS, inverter, full bridge, TMS320, MOSFET, driver

(6)

Prohl´ aˇ sen´ı

Pˇredkládám t´ımto k posouzen´ı a obhajobˇe diplomovou práci, zpracovanou na závˇer studia na Fakultˇe elektrotechnické Západoˇceské univerzity v Plzni.

Prohlaˇsuji, ˇze jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatnˇe, s pouˇzit´ım odborné lite- ratury a pramen˚u uvedených v seznamu, který je souˇcást´ı této diplomové práce.

Dále prohlaˇsuji, ˇze veˇskerý software, pouˇzitý pˇri ˇreˇsen´ı této diplomové práce, je legáln´ı.

V Plzni dne 21. 5. 2012

Michal Kub´at

(7)

Podˇ ekov´ an´ı

Na tomto m´ıstˇe bych chtˇel podˇekovat panu Ing. Matouˇsovi Bartlovi za cenné rady a kon- zultace potˇrebné k vypracován´ı této diplomové práce.

(8)

Procesorem ˇr´ızen´y stˇr´ıdaˇc 350VDC/230VAC, 50Hz, 500VA Michal Kub´at 2012

Obsah

1 Uvod´ 11

2 Sp´ınan´e zdroje 12

2.1 Topologie Push Pull . . . 12 2.2 Topologie Half Bridge . . . 12 2.3 Topologie Full Bridge . . . 13

3 MOSFET tranzistory 14

3.1 Výkonové ztráty . . . 14

4 Budiˇc 15

4.1 Budiˇc s transform´atorem . . . 15 4.2 Budiˇc s optoˇclenem . . . 16

5 Zpˇetn´a vazba 16

5.1 Mˇeˇren´ı napˇet´ı a proudu . . . 16 5.2 Optick´a zpˇetn´a vazba . . . 17 5.3 Hall˚uv senzor . . . 17

6 Realizace 17

6.1 Digitáln´ı signálový procesor TMS320 . . . 18 6.2 Pomocný zdroj . . . 18 6.3 Budiˇc . . . 19

8

(9)

Seznam obr´ azk˚ u

1 Zdroj s topologi´ı Push Pull . . . 12

2 Zdroj s topologi´ı Half Bridge . . . 13

3 Zdroj s topologi´ı Full Bridge . . . 13

4 Transform´atorov´y budiˇc . . . 15

5 Budiˇc s optoˇclenem . . . 16

6 Blokov´e sch´ema zdroje . . . 18

7 Budiˇc doln´ıho p´aru tranzistor˚u . . . 19

8 Budiˇc horn´ıho tranzistoru . . . 20

9

(10)

Seznam pouˇ zit´ ych zkratek

ADC Analog-to-Digital Converter CTR Current Transfer Ratio DSP Digital Signal Processor JTAG Joint Test Action Group LED Light-Emititng Diode

MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor PWM Pulse-Width Modulation

UPS Uninterruptible Power Supply USB Universal Serial Bus

10

(11)

1 Uvod ´

Sp´ınané napájec´ı zdroje pˇrináˇs´ı oproti lineárn´ım zdroj˚um mnoho výhod. Pracuj´ı s mnohem vyˇsˇs´ı úˇcinnosti, sp´ınaný zdroj o stejném výkonu jako zdroj lieárn´ı bude dosahovat niˇzˇs´ı hmotnosti a rozmˇer˚u.

C´ılem této práce je návrh a konstrukce sp´ınaného stˇr´ıdaˇce z 350 VDC na s´ıt’ové napˇet´ı 230 V / 50 Hz s maximáln´ım výkonem 500 VA, který bude spolupracovat s jiným mˇeniˇcem z 12 VDC na 350 VDC. Výstupem by mˇela být ˇcistá sinusovka. Takovýto mˇeniˇc dnes m˚uˇze nalézt uplatnˇen´ı napˇr´ıklad jako stˇr´ıdaˇc do auta nebo jako zdroj nepˇreruˇsovaného napájen´ı - UPS. Zdroj umoˇzˇnuje pˇripojen´ı k poˇc´ıtaˇci pomoc´ı USB kv˚uli moˇznosti pohodlné diagnostiky.

11

(12)

2 Sp´ınan´ e zdroje

Narozd´ıl od lineárn´ıch zdroj˚u vyuˇz´ıvaj´ı sp´ınané zdroje polovodiˇc˚u v tzv. sp´ınac´ım reˇzimu, kdy je bud’ polovodiˇc zcela otevˇrený, je na nˇem nulové napˇet´ı a tedy i nulový ztrátový výkon, nebo je uzavˇrený, neprocház´ı ˇzádný proud a výkon je opˇet nulový. D´ıky tomu maj´ı sp´ınané zdroje vysokou úˇcinnost a kladou niˇzˇs´ı nároky na chlazen´ı. Vysoké sp´ınac´ı frekvence umoˇzˇnuj´ı pouˇzit´ı malých lehkých transformátor˚u s feritovým jádrem. Nevýhodou sp´ınaných zdroj˚u je vysoká úroveˇn elektromagnetické interference, plynouc´ı z impulzn´ıho provozu.

Zdroj tedy mus´ı b´yt vybaven v´ystupn´ım filtrem a st´ınˇen´ım.

2.1 Topologie Push Pull

Push Pull je topologie vhodná pro niˇzˇs´ı výkony okolo 25 - 250 W. Výhodou topologie je um´ıstˇen´ı obou tranzistor˚u na stejném potenciálu a z toho plynouc´ı jednoduché buzen´ı. Ne- výhodou je vysoké napˇet´ı na sp´ınac´ıch tranzistorech, které pˇresahuje dvojnásobek vstupn´ıho napˇet´ı a také nutnost pouˇzit´ı transformátoru se dvˇemi shodnými primárn´ımi vinut´ımi. Pro omezen´ı namáhán´ı tranzistor˚u vysokým napˇet´ım mus´ı m´ıt vinut´ı co nejtˇesnˇejˇs´ı vzájemnou vazbou[4].

Obr´azek 1: Zdroj s topologi´ı Push Pull

2.2 Topologie Half Bridge

Tato topologie je vhodná pro výkony okolo 250 W - 1 kW. Výhodou je n´ızké maximáln´ı napˇet´ı na sp´ınac´ım tranzistoru, které je rovno vstupn´ımu napˇet´ı. Kondenzátory tvoˇr´ıc´ı ka- pacitn´ı dˇeliˇc mus´ı spolehlivˇe fungovat pˇri zvolené sp´ınac´ı frekvenci, která m˚uˇze být i stovky kHz.

12

(13)

Obr´azek 2: Zdroj s topologi´ı Half Bridge

2.3 Topologie Full Bridge

Topologie Full Bridge je urˇcena pro vysoké výkony pˇresahuj´ıc´ı 500 - 1000 W. Energie se pˇrenáˇs´ı dvakrát za periodu, coˇz znamená moˇznost pouˇzit´ı menˇs´ıho transformátoru a zároveˇn niˇzˇs´ı zvlnˇen´ı na výstupu. Nevýhodou je nutnost pouˇzit´ı ˇctyˇr výkonových tranzistor˚u, které jsou na r˚uzných napˇet’ových potenciálech. Z toho plyne sloˇzitˇejˇs´ı buzen´ı a vysˇs´ı cena. Proud vˇzdy teˇce pˇres dva tranzistory, t´ım se zvyˇsuj´ı ztráty veden´ım. U obou typ˚u m˚ustk˚u mus´ı být zabránˇeno tomu, aby se mohly otevˇr´ıt dva tranzistory nad sebou, coˇz by vedlo k jejich témˇeˇr okamˇzitému zniˇcen´ı.

Obr´azek 3: Zdroj s topologi´ı Full Bridge

13

(14)

3 MOSFET tranzistory

Tranzistory typu MOSFET jsou tranzistory ˇr´ızené napˇet´ım mezi piny Gate a Source. D˚u- leˇzitým parametrem tranzistoru je prahové napˇet´ı, po jehoˇz dosaˇzen´ı se tranzistor zaˇc´ıná otev´ırat. Velikost prahového napˇet´ı je vˇetˇsinou okolo 2 V, k plnému otevˇren´ı tranzistoru - saturaci - docház´ı pˇri napˇet´ı okolo 8 V. Pˇri pouˇzit´ı MOSFETu ve sp´ınac´ım reˇzimu je tedy ˇr´ıdic´ı nutné napˇet´ı udrˇzovat mimo toto pásmo. To znamená, ˇze se tranzistor nedá ˇr´ıdit pˇr´ımo souˇcástkami vyuˇz´ıvaj´ıc´ımi TTL logických úrovn´ı.

Pˇri zmˇenˇe napˇet´ı na hradle (Gate) je tˇreba pˇrekonat kapacitu hradla zes´ılenou Millero- vým jevem. Pˇri pˇriveden´ı napˇet´ı na hradlo zaˇcne jeho hodnota nar˚ustat, aˇz dosáhne praho- vého napˇet´ı. Poté se zaˇcne nab´ıjet kapacita hradla a tranzistor se otev´ırá, dokud nedojde k jeho saturaci[2]. Pro rychlý pˇrechod pˇres tuto oblast, ve které tranzistor nepracuje ve sp´ınac´ım reˇzimu, je tˇreba do hradla dodávat dostateˇcnˇe vysoký proud, který m˚uˇze dosahovat i nˇekolika ampér. Poˇzadovaný proud I_G lze vypoˇc´ıtat z celkového náboje hradla Q_Ga poˇzadované maximáln´ı doby pˇrechodu t_tran:

I_G = Q_G t_tran

3.1 V´ ykonov´ e ztr´ aty

Výkonové ztráty na sp´ınac´ım tranzistoru dˇel´ıme do dvou skupin. Za prvé je to ztráta vzni- kaj´ıc´ı d´ıky nenulovémo odporu kanálu R_DS(on) v sepnutém stavu.

P_ON = R_DS(on)× I²

Pˇri volbˇe tranzistoru se mus´ı brát ohled na poˇzadovaný maximáln´ı proud a podle toho zvolit transitor s vhodným R_DS(on). Tento odpor se u výkonových tranzistor˚u pohybuje ˇrádovˇe od desetin mΩ aˇz do jednotek Ω. Dále jsou to ztráty sp´ınac´ı, zp˚usobené t´ım, ˇze pˇri sp´ınán´ı a vyp´ınán´ı tranzistoru je tˇreba nejprve dodat náboj do hradla, respektive ho odˇcerpat. To zp˚usobuje, ˇze bˇehem pˇrep´ınán´ı tranzistor nepracuje ve sp´ınac´ım reˇzimu, na pˇrechodu je nenulové napˇet´ı a teˇce nenulový proud a vzniká tedy výkonová ztráta.

P_SW =¹/2× V_DS× I_D × f_sw× (t_on+ t_{of f})

Tato ztráta závis´ı na poˇctu sepnut´ı tranzistoru, je tedy závislá na sp´ınac´ı frekvenci f_sw. Ztrátu lze omezit zkrácen´ım doby otev´ırán´ı a zav´ırán´ı tranzistoru t_on a t_{of f}, tedy výbˇerem tranzistoru s malým nábojem Gate Q_g nebo zvýˇsen´ım budic´ıho proudu, nebo je moˇzné omezit poˇcet sepnut´ı sn´ıˇzen´ım sp´ınac´ı frekvence.

14

(15)

Vzniká také ztráta na budiˇci, který mus´ı stˇr´ıdavˇe dodávat náboj Qg a poté nahromadˇe- nou energii odvádˇet do zemˇe. Ztráta opˇet závis´ı na náboji hradla a na sp´ınac´ı frekvenci.

P_DR = V_CC × Q_g× f_sw

4 Budiˇ c

Vzhledem k vysokým sp´ınac´ım proud˚um a napˇet´ım nen´ı moˇzné tranzistor sp´ınat pˇr´ımo z mikrokontroléru nebo z výstupu optoˇclenu. Ke sp´ınán´ı se v praxi pouˇz´ıvaj´ı tranzistory v zapojen´ı Push-pull, nebo integrované budiˇce. Horn´ı tranzistory v m˚ustkových zapojen´ıch vyˇzaduj´ı k otevˇren´ı napˇet´ı pˇresahuj´ıc´ı vstupn´ı napˇet´ı m˚ustku, výkonové tranzistory v tˇechto zapojen´ıch nav´ıc nejsou na stejném potenciálu. Tento problém se dá vyˇreˇsit pomoc´ı nábo- jové pumpy[1], nebo galvanickým oddˇelen´ım budiˇce. Pˇri vyˇsˇs´ıch napˇet´ıch na tranzistoru je galvanické oddˇelen´ı vhodné i z hlediska bezpeˇcnosti.

Budiˇc m˚uˇze kromˇe samotné výkonové ˇcásti obsahovat i ochrany tranzistoru[3]. Nej- d˚uleˇzitˇejˇs´ı ochranou je ochrana nadproudová, která d´ıky um´ıstˇen´ı pˇr´ımo na budiˇci vypne tranzistor dˇr´ıve, neˇz by ˇr´ıdic´ı obvod nadproud vyhodnotil a zareagoval na nˇej. K mˇeˇren´ı proudu nen´ı tˇreba do obvodu vkládat sn´ımac´ı odpor, ale je moˇzné mˇeˇrit napˇet´ı mezi ko- lektorem a emitorem tranzistoru. V sepnutém stavu toto napˇet´ı odpov´ıdá protékaj´ıc´ımu proudu, komparátor napˇet´ı porovnává s nastavenou hodnotou závislou na typu tranzistoru a pˇri pˇrekroˇcen´ı této hodnoty je tranzistor odpojen a pˇr´ıpadnˇe je celý budiˇc zablokován.

Dalˇs´ı ochranou m˚uˇze být tepelná ochrana tranzistoru nebo hl´ıdán´ı napájec´ıho napˇet´ı budiˇce - niˇzˇs´ı sp´ınac´ı napˇet´ı prodlouˇz´ı dobu pˇrep´ınán´ı tranzistoru a t´ım zvýˇs´ı výkonové ztráty.

4.1 Budiˇ c s transform´ atorem

Izolaˇcn´ı transformátor umoˇzˇnuje buzen´ı sp´ınac´ıho tranzistoru bez potˇreby galvanicky od- dˇeleného pomocného napájen´ı[6]. Výkonová ˇcást budiˇce je um´ıstˇena na primárn´ı stranˇe transformátoru a je tedy galvanicky oddˇelena od tranzistoru. Na sekundárn´ı stranˇe je pouze tranzistor a pˇr´ıpadnˇe pasivn´ı souˇcástky kv˚uli impedanˇcn´ımu pˇrizp˚usoben´ı, omezen´ı proudu a omezen´ı napˇet’ových ˇspiˇcek.

Obrázek 4: Transformátorový budiˇc

15

(16)

Transformátor je schopný pˇrenáˇset pouze stˇr´ıdavé signály, nelze jej tedy pouˇz´ıt v aplikac´ıch vyˇzaduj´ıc´ıch trvalé sepnut´ı tranzistoru, neumoˇznuje ale ani sp´ınán´ı tranzistoru s vysokou stˇr´ıdou. Tento budiˇc m˚uˇze být pouˇzit v DC/DC mˇeniˇc´ıch, jejichˇz tranzistory jsou buzeny vˇzdy se stˇr´ıdou menˇs´ı neˇz 50 %[5]. Stˇr´ıdaˇc vyˇzaduje pˇri maximáln´ı zátˇeˇzi stˇr´ıdu bl´ızkou 100 %, tento princip u nˇej tedy nen´ı moˇzné vyuˇz´ıt. Velkou výhodou je malý poˇcet souˇcástek, nulové zpoˇzdˇen´ı signálu[1] a moˇznost pouˇzit´ı nˇekolika oddˇelených sekundárn´ıch vinut´ı pro souˇcasné buzen´ı v´ıce tranzistor˚u na r˚uzných potenciálech. Volbou vhodného po- mˇeru závit˚u na vinut´ıch m˚uˇze být budic´ı napˇet´ı jednoduˇse zvýˇseno nebo sn´ıˇzeno.

4.2 Budiˇ c s optoˇ clenem

V budiˇci, který vyuˇz´ıvá k ˇr´ızen´ı tranzistoru optoˇclenu, je výkonová ˇcást um´ıstˇena na stranˇe tranzistoru. Budiˇce tranzistor˚u na r˚uzných potenciálech proto mus´ı m´ıt vlastn´ı galvanicky oddˇelená napájen´ı schopná dodat dostateˇcný sp´ınac´ı proud. S t´ımto typem budiˇce je moˇzné tranzistor otev´ırat s libovolnou stˇr´ıdou.

Obr´azek 5: Budiˇc s optoˇclenem

5 Zpˇ etn´ a vazba

Pokud má ˇr´ıdic´ı elektronika zdroje regulovat napˇet´ı na výstupu, mus´ı m´ıt velikost tohoto napˇet´ı nutnˇe k dispozici, je tedy nutné zavést zpˇetnou vazbu. Pro spolehlivý provoz je také vhodné sn´ımat vstupn´ı napˇet´ı pˇricházej´ıc´ı ze stejnosmˇerného mezistupnˇe. Pokud má být v mikrokontroléru implementována ochrana proti pˇret´ıˇzen´ı -

”softarová pojistka” - je nutné sn´ımat výstupn´ı proud. Vzhledem k velikosti napˇet´ı je vhodné, aby byl procesor od vˇsech sn´ımaˇc˚u napˇet´ı i proudu galvanicky oddˇelen.

5.1 Mˇ eˇ ren´ı napˇ et´ı a proudu

U nˇekterých typ˚u sp´ınaných zdroj˚u, jako je napˇr´ıklad topologie Flyback, je moˇzné sn´ımat výstupn´ı napˇet´ı na pomocném vinut´ı. U ostatn´ıch topologi´ı se mus´ı napˇet´ı nejprve odporo- 16

(17)

vým dˇeliˇcem sn´ıˇzit na vhodnou úroveˇn a v pˇr´ıpadˇe potˇreby jeˇstˇe galvanicky oddˇelit. Toho m˚uˇze být dosaˇzeno nˇekolika zp˚usoby, napˇr´ıklad pomoc´ı optoˇclenu nebo izolaˇcn´ıho zesilovaˇce.

Proud m˚uˇzeme mˇeˇrit jako úbytek napˇet´ı na sn´ımac´ım rezistoru, nebo pomoc´ı Hallova senzoru. V pˇr´ıpadˇe vyuˇzit´ı sn´ımac´ıho rezistoru mus´ıme brát ohled na výkonovou ztrátu na tomto rezistoru.

5.2 Optick´ a zpˇ etn´ a vazba

Zpˇetná vazba s optoˇclenem vyuˇz´ıvá k pˇrenosu informace LED a galvanicky oddˇelenou fo- todiodu nebo fototranzistor. Optoˇclen se chová jako proudový zesilovaˇc, kde proudový zisk udává proudový pˇrenosový ˇcinitel CTR:

CT R = I_CE × 100%

I_F

Kde I_CE je proud procházej´ıc´ı tranzistorem a I_F je budic´ı proud diodou. Problémem opto- ˇclenu z hlediska vyuˇzit´ı pro pˇrenos analogového signálu je jeho nelinearita a znaˇcná teplotn´ı závislost CTR. Zat´ımco samotnou nelinearitu by bylo moˇzné zmˇeˇrit a v mikroprocesoru pak provádˇet jej´ı korekci, vliv teploty se mus´ı ˇreˇsit jiným zp˚usobem.

Jednou z moˇznost´ı, jak eliminovat nelinearitu a zároveˇn se zbavit teplotn´ı závislosti optoˇclenu, je vyuˇzit´ı speciáln´ı souˇcástky se dvˇema fotodiodami[7]. Tyto diody jsou od sebe galvanicky oddˇeleny, maj´ı shodnou charakteristiku a d´ıky um´ıstˇen´ı v jednom pouzdˇre maj´ı i stejnou teplotu a napˇet´ı na jedné diodˇe tedy odpov´ıdá napˇet´ı na druhé diodˇe.

5.3 Hall˚ uv senzor

Pro sn´ımán´ı proudu je moˇzné pouˇz´ıt sn´ımaˇc s Hallovým senzorem. Tento typ mˇeˇren´ı proudu nevyˇzaduje sn´ımac´ı odpor a umoˇzˇnuje sn´ımat proudy ve velkém rozsahu. Velkou výhodou je to, ˇze senzor je z principu galvanicky oddˇelen od sn´ımaného obvodu a nevyˇzaduje tedy ani oddˇelené napájec´ı napˇet´ı. Výstupem z hallova senzoru je napˇet´ı lineárnˇe závislé na procházej´ıc´ım proudu. Hallovy senzory umoˇzˇnuj´ı podle typu mˇeˇrit proud bud’ pouze v jednom smˇeru, nebo v obou smˇerech.

6 Realizace

Tento stˇr´ıdaˇc je urˇcený ke spolupráci s DC/DC mˇeniˇcem z 12 V akumulátoru na 350 V.

Zdroj umoˇznuje komunikaci pˇres virtuáln´ı sériový port pˇres USB. Z poˇc´ıtaˇce lze zdroj za-

17

(18)

pnout/vypnout a pˇr´ıpadnˇe ˇc´ıst informace o jeho stavu. Stˇr´ıdaˇc vyuˇz´ıv´a tranzistory MOS- FET zapojen´e v topologii Full Bridge.

Obrázek 6: Blokové schéma zdroje

6.1 Digit´ aln´ı sign´ alov´ y procesor TMS320

Ve zdroji je pouˇzitý digitáln´ı signálový procesor z rodiny TMS320C28x od spoleˇcnosti Texas Instruments. Tento 32 bitový procesor je urˇcen pro pouˇzit´ı ve výkonových aplikac´ıch jako je ˇr´ızen´ı pohon˚u, sp´ınaných mˇeniˇc˚u atd. Tomu odpov´ıdá výbava procesoru, je moˇzné vyu- ˇz´ıt aˇz 16 kanál˚u PWM a 16 kanál˚u ADC. Blok PWM je vybaven Dead-band generátorem, který u m˚ustkových zapojen´ı zajiˇst’uje, ˇze se ani pˇri chybˇe v programu nemohou otevˇr´ıt dva tranzistory um´ıstˇené nad sebou a zp˚usobit tak nebezpeˇcný zkrat. Za normáln´ıho provozu zpoˇzd’uje pˇri pˇrep´ınán´ı tranzistor˚u zap´ınac´ı signál pro tranzistor tak, aby uplynula dostateˇcná prodleva nutná k uzavˇren´ı vyp´ınaného tranzistoru.

6.2 Pomocn´ y zdroj

Pro provoz stˇr´ıdaˇce je potˇreba pomocný zdroj pro napájen´ı ˇr´ıdic´ı logiky a budiˇc˚u. Stˇr´ıdaˇc vyˇzaduje 5 galvanicky oddˇelených vˇetv´ı - jednu pro napájen´ı procesorové ˇcásti, dvˇe pro na- pájen´ı horn´ıch tranzistor˚u v m˚ustku, jednu pro napájen´ı doln´ıho páru tranzistor˚u a jednu pro napájen´ı izolaˇcn´ıho zesilovaˇce, který sn´ımá napˇet´ı na výstupu. Pomocný zdroj vyu- ˇz´ıvá topologie Push-Pull a transformátoru s pˇeti sekundárn´ımi vinut´ımi. Primárn´ı strana je napájena z 12 V z pˇredchoz´ıho stupnˇe, tranzistory jsou sp´ınány jednoduchým oscilátorem tvoˇreným Schmittovým klopným obvodem.

18

(19)

6.3 Budiˇ c

Budiˇc výkonových tranzistor˚u je tvoˇrený tˇremi galvanicky oddˇelenými obvody. Spodn´ı dva tranzistory jsou um´ıstˇeny na stejném potenciálu a maj´ı proto ˇcást budiˇce spoleˇcnou. K buzen´ı jsou vyuˇzity obvody UCC37322, které mohou dodat ˇspiˇckový proud aˇz 9 A pˇri na- pájec´ım napˇet´ı 4 - 15 V. Galvanické oddˇelen´ı sp´ınac´ıch signál˚u zajiˇst’uj´ı vysokorychlostn´ı optoˇcleny, ˇr´ıdic´ı signál a hláˇsen´ı chyby jsou pˇrenáˇseny pomoc´ı obyˇcejných pomalých opto- ˇclen˚u PC817.

Obr´azek 7: Budiˇc doln´ıho p´aru tranzistor˚u

Tranzistory ve spodn´ı ˇcásti jsou vybaveny desaturaˇcn´ı ochranou, která sn´ımá napˇet´ı U_DS tranzistor˚u, v pˇr´ıpadˇe pˇrekroˇcen´ı jeho maximáln´ı hodnoty pˇreklop´ı komparátor RS klopný obvod a t´ım oba tranzistory vypne. T´ım zároveˇn pˇres optoˇclen vydá signál procesoru, ten pak m˚uˇze pˇres dalˇs´ı optoˇclen obnovit funkci budiˇce resetem klopného obvodu. Ochrana mus´ı být blokována pˇri uzavˇreném tranzistoru, kdy je napˇet´ı U_DS rovné vstupn´ımu napˇet´ı, a jeˇstˇe krátkou chv´ıli po signálu k sepnut´ı tranzistoru. To je zajiˇstˇeno pomoc´ı obvodu IC4B Tato ochrana se aktivuje v pˇr´ıpadˇe zkratu na výstupu, kdy by procesor nestaˇcil zareagovat. Funkce ochrany je nezávislá na procesoru, m˚uˇze tedy zareagovat i v pˇr´ıpadˇe chyby v programu nebo v pˇr´ıpadˇe, kdy procesorová ˇcást nebude z nˇejakého d˚uvodu napájena. Horn´ı tranzistory maj´ı vlastn´ı zjednoduˇsené budiˇce bez ochran, pˇredpokládá se ˇze v pˇr´ıpadˇe zkratu 19

(20)

zareaguje ochrana u doln´ıch tranzistor˚u.

Obr´azek 8: Budiˇc horn´ıho tranzistoru

20

(21)

Reference

[1] Abhijit D. Pathak, Ralph E. Locher. How to drive MOSFETs and IGBTs into the 21st century. http://www.ixys.com/Documents/Appnotes/IXAN0009.pdf.

[2] Abid Hussain. Driving Power MOSFETs in High-Current, Switch Mode Regulators.

http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00786a.pdf.

[3] Ing. Pavel Vorel, Ph.D., Doc. Dr. Ing. Miroslav Patoˇcka. Budiˇce v´ykonov´ych

tranzistor˚u MOSFET a IGBT. http://www.elektrorevue.cz/clanky/04030/index.html.

[4] Sergio S´anchez Moreno. What topology to choose?

http://www.alltomelektronik.se/Files/080198-W.pdf.

[5] International Rectifier. Transformer-Isolated Gate Driver Provides very large duty cycle ratios. http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-950.pdf.

[6] Dr. Ray Ridley. Gate Drive Design Tips.

http://www.scribd.com/doc/7342768/Gate-Drive-Design-Tips-Ridley.

[7] Vishay Semiconductors. Optoelectronic Feedback Control Techniques for Linear and Switch Mode Power Supplies. http://www.vishay.com/docs/83711/appn55.pdf.

21