Basic Gate Drive Transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A (EP1)

การทดลองโครงงานเล็กๆ ครั้งนี้ เพื่อเรียนรู้และศึกษาการนำหม้อแปลงขับสัญญาณ (Gate Drive Transformer หรือเรียก Pulse Transformer) ให้กับสวิตชิ่งกำลังต่างๆ เช่น เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (Power Transistor), เพาเวอร์มอสเฟต (Power Mosfet) และเพาเวอร์ไอจีบีที (Power IGBT) เป็นต้น ทั้งนี้โครงงานต่างๆ ที่แอดมินได้นำเสนอมาส่วนใหญ่จะใช้ออปโต้คัปเปิ้ล (TLP250) เป็นหลักในการรับสัญญาณควบคุมพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นและขับมอสเฟตโดยตรง หรืออีกแบบหนึ่งที่แอดมินใช้จะเป็นไอซีสำเร็จ เช่น เบอร์ IR2111PBF, IR2110PBF ซึ่งการใช้หม้อแปลงขับสัญญาณจะมีจุดเด่นที่สำคัญเมื่อเทียบกับการใช้ไอซีและออปโต้คัปเปิ้ล ในเรื่องการแยกกันทางไฟฟ้า (Isolator) ระว่างวงจรควบคุมและวงจรขับกำลังได้ดี, การออกแบบเพื่อปรับอัตราส่วนของขดลวดภายในหม้อแปลงให้ได้สัญญาณขับที่เหมาะสมกับสวิตช์กำลัง และลดการใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสำหรับวงจรขับเกตได้ เป็นต้น

Basic Gate drive transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A
รูปที่ 1 เตรียมอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับประกอบโครงงาน
Basic Gate drive transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A
รูปที่ 2 ลักษณะของหม้อแปลงขับสัญญาณ

รูปที่ 1 และรูปที่ 2 เป็นการเตรียมอุปกรณ์สำหรับประกอบโครงงาน โดยตัวบอร์ดต้นแบบจะประกอบบนแผ่นวงจรพิมพ์อเนกประสงค์ (PCB) และจะเห็นว่าตัวหม้อแปลงขับสัญญาณมีขนาดเล็ก ใช้งานได้ง่ายและราคาไม่สูงมากนัก ช่วยลดระยะเวลาในการออกแบบในส่วนของวงจรขับสัญญาณได้มากเลยครับ

Basic Gate drive transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A
รูปที่ 3 ใช้หม้อแปลงขับสัญญาณเบอร์ IT242 ของบริษัท Schaffner

ในรูปที่ 3 เป็นตัวหม้อแปลงขับสัญญาณของบริษัท Schaffner ที่ออกแบบมาให้ใช้งานได้ทันที โดยเราจะต้องศึกษาดาต้าชีตที่สามารถดาวน์โหลดได้ทั่วไป ซึ่งจะเห็นว่าตัวหม้อแปลงจะมีขดปฐมภูมิ (Primary winding) 1 ขด และขดทุติยภูมิ (Secondary winding) 2 ขด (ด้านซ้ายและขวา)

Datasheet for Pulse Transformer IT242

Basic Gate drive transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A
รูปที่ 4 เริ่มต้นประกอบส่วนของไอซีควบคุม SG3525A

รูปที่ 4 เริ่มต้นประกอบในส่วนของไอซีควบคุมสร้างสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่น SG3525A เพื่อใช้เป็นส่วนของการสร้างสัญญาณขับตัวหม้อแปลง จากนั้นทดลองวัดสัญญาณที่ได้ตำแหน่งขา 11 และขา 14 ของตัวไอซี SG3525A สำหรับตรวจสอบขนาดและความถูกต้องของสัญญาณที่ได้

Basic Gate drive transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A
รูปที่ 5 สัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นที่ได้จากไอซี SG3525A

รูปที่ 5 เป็นสัญญาณที่ได้จากเอาต์พุตของไอซี SG3525A โดยในส่วนถัดไปจะนำสัญญาณที่ได้นี้ไปทดลองขับตัวหม้อแปลงขับสัญญาณ จากนั้นสังเกตการทำงานในเรื่องของปริมาณกระแสที่ไอซีใช้ในการขับหม้อแปลง และการต่อโหลดทางด้านเอาต์พุตของตัวหม้อแปลงเพื่อสังเกตลักษณะของสัญญาณที่ได้อีกครั้ง

Basic Gate drive transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A
รูปที่ 6 นำส่วนของหม้อแปลงขับสัญญาณประกอบเข้ากับบอร์ด
Basic Gate drive transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A
รูปที่ 7 วัดสัญญาณที่เอาต์พุตของหม้อแปลงขับสัญญาณ

ในรูปที่ 6 และรูปที่ 7 เป็นการประกอบตัวหม้อแปลงขับสัญญาณและวัดสัญญาณที่เอาต์พุต โดยในการวัดสัญญาณนี้จะหาตำแหน่งของลักษณะการจ่ายสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นที่กลับเฟส 180 องศาและตรวจสอบขนาดของสัญญาณที่ได้ให้มีขนาดที่เหมาะสม

Basic Gate drive transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A
รูปที่ 8 สัญญาณ์ที่ได้จากหม้อแปลงขับสัญญาณที่เอาต๋พุตทั้ง 2 ช่อง

จากในรูปที่ 8 จะสังเกตเห็นว่าช่องวัดสัญญาณที่ 1 (CH1) และช่องวัดสัญญาณที่ 2 (CH2) จะต่างเฟสกัน 180 องศา ซึ่งเป็นลักษณะของสัญญาณที่ใช้กับฮาร์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ โดยจากในรูปที่แสดงนี้ยังคงเป็นการกำหนดขนาดความกว้างของสัญญาณพัลซ์วิดมอดูลเตชั่นคงที่เพื่อสังเกตผลที่ได้

รูปที่ 9 วงจรที่ออกแบบและใช้ในการทดลอง

รูปที่ 9 เป็นวงจรที่ออกแบบซึ่งจะนำไปใช้ในการต่อวงจรขับกำลังต่อไป โดยจะสังเกตเห็นว่าที่เอาต์พุตของตัวหม้อแปลงขับสัญญาณจะมี 2 ช่อง คือ DRIVER (A) และ DRIVER (B) ซึ่งสามารถนำไปใช้กับคอนเวอร์เตอร์แบบฮาร์ฟบริดจ์ได้โดยตรง

Basic Gate drive transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A
รูปที่ 10 ลักษณะของการทดลองโครงงาน

สำหรับโครงงานนี้ยังคงเป็นตอนที่ 1 ซึ่งแอดมินของเริ่มต้นประกอบและทดลองส่วนของ ไอซีควบคุมและตัวหม้อแปลงหม้อแปลงขับสัญญาณก่อนครับ ทั้งนี้เพื่อต้องการปรับขนาดและลักษณะของสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นให้ถูกต้องและเหมาะสมมากที่สุด เพื่อไม่ให้อุปกรณ์ขับกำลังต่างๆ ที่จะนำมาใช้ได้รับความเสียหาย และในส่วนตอนต่อไปจะเป็นการประกอบส่วนของวงจรขับกำลังคอนเวอร์เตอร์แบบฮาร์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์พร้อมทั้งการทดลองกันต่อครับ.

Reference

  1. https://electronics.stackexchange.com/questions/92016/mosfet-gate-transformer-noise-issue
  2. https://www.st.com/resource/en/datasheet/sg3525.pdf
  3. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/sg3525a-d.pdf
  4. https://www.schaffner.com/fileadmin/user_upload/pim/products/datasheets/IT-Series-double.pdf
  5. https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/3/3465.html
  6. https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/implementing-an-isolated-half-bridge-gate-driver.html
  7. https://www.analog.com/en/technical-articles/powering-the-isolated-side-of-your-half-bridge-configuration.html
  8. https://www.analog.com/en/technical-articles/reducing-the-size-and-complexity-of-an-isolated-synchronous-gate-driver.html
  9. https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/posts/gate-drive-transformer-vs-high-low-side-driver-a-close-look-of-detailed-implementation