مهندسان الکترونیک قدرت برای کنترل ماسفت ها در اینورتر از چه مداری استفاده می کنند؟
بعضی از مدار ها برای ساخت عملی تجهیزات کاربردی هستند و معمولا در دانشگاه ها از آن ها صحبتی نمی شود. مدار بوت استرپ در الکترونیک قدرت یکی از این نوع مدار هاست و در بعضی از مبدل ها آنقدر کاربردی است که برای این نوع مدار آی سی های مختلفی هم طراحی شده و در بازار وجود دارد. چون منبع مناسبی در رابطه با این نوع مدار و نحوه پیاده سازی آن پیدا نکردم، این پست را می نویسم. البته نکته مهمی که وجود داره اینه که این مدار با مدار بوت استرپ در الکترونیک تفاوت دارد و شاید فقط نام آن ها یکی باشد. سعی کردم در این نوشته بخشی از مسائل کلی در مورد مدار بوت استرپ را مطرح کنم تا حدی که خواننده با این نوع مدار در الکترونیک قدرت آشنا باشد.
۱)مدار بوت استرپ چیست؟
یک مدار ساده اینورتر نیم پل را در نظر بگیرید. این مدار دارای دو ساق است و هر ساق دارای دو سوییچ خواهد بود.(به اصطلاح به هر Leg در زبان فارسی ساق می گوییم) مدار ما به شکل زیر است:
سوییچ های ما از نوع ماسفت هستند. به هر کدام از ساق ها دقت کنید، دو عدد سوییچ که یکی بالا و دیگری در پایین قرار دارد. برای عملکرد سوییچ کافی است یک پالس ولتاژی به گیت هر کدام از ماسفت ها اعمال کنیم. مسئله اصلی اینجاست که در ماسفت ها ولتاژ گیت-سورس (VGS) باید به میزان مشخصی برسد تا ماسفت شروع به هدایت کند. برای ماسفت پایینی یا اصطلاحا Low-Side مشکلی وجود ندارد چون پایه سورس ماسفت به زمین یا نقطه خنثی اینورتر متصل است، پس می توانیم مثلا یک ولتاژ ۵ ولتی را به پایه سورس اعمال کنیم و ماسفت شروع به هدایت کند. در مورد ماسفت بالایی یا High-Side مسئله کمی متفاوت خواهد بود، اگر به پایه سورس در ماسفت بالایی دقت کنید، این پایه به نقطه خنثی متصل نشده و ممکن است دارای ولتاژ باشد. حال اگر بخواهیم ماسفت بالایی هدایت کند باید ولتاژ اعمال شده به گیت ماسفت بالایی را به قدری بالا ببریم که ولتاژ گیت-سورس مثبت شود و ماسفت شروع به هدایت کند. نکته مهم در اینجا این است که ما اگر ولتاژ بسیار بالا به ماسفت اعمال کنیم ممکن است باعث سوختن یا شکستن کلید شود و یا حتی تلفات را در کلید بالا ببرد، پس ما به یک فیدبک از پایه سورس ماسفت بالایی نیاز داریم تا بدانیم در حال حاضر ولتاژ پایه سورس چقدر است و مثلا ۵ ولت بالاتر از آن را به گیت اعمال کنیم تا ولتاژ گیت-سورس +۵ ولت شود.
پس عملا ما نیاز به یک مدار برای درایو گیت ماسفت در قسمت بالایی اینورتر داریم. گاهی اوقات در اینورتر هایی که طبقات بیشتری دارند ممکن است حتی ماسفت پایینی هم نیاز به درایو داشته باشد، چون با اضافه شدن طبقات، پایه سورس ماسفت پایینی ممکن است به نقطه خنثی مدار متصل نباشد.مداری که برای درایو گیت ماسفت بالایی نیاز داریم، همان مدار بوت استرپ است. همچنین اگر یک اینورتر با میکروکنترلر داشته باشید، بهتر است گیت ماسفت را مستقیم به میکروکنترلر متصل نکنید و بین آن یک لایه حفاظت به کار ببرید. مدار بوت استرپ می تواند مانند یک کوپلاژ الکترونیکی عمل کند و اگر خطایی در گیت ماسفت رخ داد از انتقال آن به پایه های میکروکنترلر جلوگیری کند.
۲) توپولوژی مدار بوت استرپ
برای ساخت مدار بوت استرپ روش های گوناگونی وجود دارد، اما معمولا مدار بوت استرپ برای درایو ماسفت ها توسط یک خازن و دیود ساخته می شود. شرکت ST یک نمونه فایل برای توضیح این نوع مدار دارد که بسیار ساده عملکرد این مدار را توضیح داده است.
هنگامی که ماسفت پایینی روشن می شود، خازن بوت استرپ (CBOOT) از طریق دیود شارژ خواهد شد. در شکل هم مشخص است که ولتاژ خازن به اندازه اختلاف ولتاژ خروجی و تغذیه خواهد بود(VBO = VCC-VOUT). با روشن شدن سوییچ بالایی ولتاژ خروجی به اندازه ولتاژ باس خواهد شد و دیود خاموش می شود. با یک KVL ساده می توان متوجه شد که در هنگام روشن شدن ماسفت بالایی خازن بوت استرپ باعث اضافه شدن ولتاژ روی پایه گیت خواهد شد.
محاسبات خازن بوت استرپ نیازمند درک صحیح و کاملی از مدار می باشد و گاهی اوقات محاسبه آن نیز ممکن است طولانی شود، به همین دلیل معمولا برای ساخت مدار بوت استرپ در درایو ماسفت ها، از آی سی های آماده و یا مدار های آماده استفاده می شود.
۳) طراحی عملی
برای طراحی عملی مدار بوت استرپ نیازی نیست از ابتدا شروع به طراحی مدار کنید. هر چند که برای طراحی مدار بوت استرپ روش ها و آموزش های گوناگونی وجود دارد اما در عمل طراحی یک مدار بوت استرپ برای سوئیچ ها به طوری که به صورت صحیح و دقیق عمل کند، خیلی سخت و زمانی خواهد بود. اینجا من پیشنهاد می کنم از مدار های آماده که طرح آن ها در اینترنت موجود است استفاده کنید و یا یک راه بهتر وجود دارد، استفاده از آی سی های درایو ماسفت. این آی سی ها در انواع مختلف وجود دارند که توسط شرکت های مختلفی هم ساخته می شوند اما معروفترین آی سی موجود در بازار ایران، آی سی های IR2110 , IR2111 , IR2113 , IR2112 می باشند. این آی سی ها برای درایو ماسفت ها در یک ساق به کار می روند و تحمل ولتاژ بالایی هم دارند. به عنوان کوپلاژ الکتریکی هم به خوبی می توانند عمل کنند و یک لایه محافظ میان میکروکنترلر و ماسفت های قدرت قرار دهند.
مشکل اصلی این آی سی ها، هزینه بالای آن ها نسبت به ماسفت های قدرت است. ممکن است حتی هزینه طراحی و قرار گیری این آی سی ها در مدار با توجه به نیاز آن ها به خازن، بسیار بیشتر هم باشد. در کل استفاده از این آی سی ها در هنگامی منطقی خواهد بود که اینورتر در ولتاژ های بالا کار کند و اگر بخواهیم برای درایو ماسفت ها از قطعات الکترونیکی استفاده کنیم با توجه به ولتاژ بالا هزینه قطعات الکترونیکی هم بسیار بالا باشد.
طراحی مدار بوت استرپ برای ماسفت ها و یا طراحی مدار با استفاده از آی سی IR2110 و خانواده اش، نیاز به یک مطلب طولانی تر و تخصصی تر دارد. قصد من از نوشتن این مطلب آشنایی کلی با مدار بوت استرپ در ماسفت ها بوده و اگر امکانش برای من فراهم باشه، حتما مطلبی در مورد طراحی دقیق مدار بوت استرپ با استفاده از آی سی یا بدون استفاده از آی سی ها خواهم نوشت.