Uma vez que por questões de rapidez e eficiência, todos os MOSFETs são do tipo N, uma característica fundamental do driver tem de ser a capacidade de fazer comutar os dispositivos do mesmo braço nestas condições.
Os restantes aspetos não menos importantes são a sua capacidade em corrente para carregar e descarregar as cargas dos transístores e os próprios tempos de subida e descida, que limitam a frequência máxima de funcionamento. Há ainda o tempo de atraso entre a mudança do valor nos pinos de entrada e atualização do sinal de saída, mas tal característica não é de caráter extremamente importante, uma vez que a abordagem adotada para este amplificador opera em malha aberta. Assim, há um assumido desfasamento temporal entre o sinal na saída do andar modulador e o sinal de driver na gate dos MOSFETs. Contudo, pretende-se naturalmente que este atraso seja o mais curto possível.
O componente escolhido para esta tarefa foi o UCC27210, pertence à Texas Instruments e as suas principais características são apresentadas na seguinte tabela.
Tabela 3.4 - Principais características do driver UCC27210
Driver de dois MOSFETs do tipo N tr tf Capacidade em corrente VDD
UCC27210 sim 7,2 ns 5,5 ns 4 A (pico) 8 V a 17 V
Realizando 5 `
«µ5Q obtém-se a frequência máxima teórica de funcionamento deste driver, ou
seja, cerca de 78 MHz. Na realidade tal frequência não se deverá verificar, principalmente devido aos grandes níveis de calor que seriam gerados num funcionamento tão rápido, mas é
3.3 Desenho da Ponte H de potência 41
assim certificada uma boa margem de segurança, tendo em conta que a frequência pretendida de atualização de estados é de 2,5 MHz.
A corrente mínima de pico necessária para operar os MOSFETs já foi anteriormente calculada, tendo resultado em ¡3 0,4 -. Sabendo que a capacidade em corrente do componente aqui em questão é de 4 A de pico, este requisito encontra-se também satisfeito.
Para operar dois MOSFETs do tipo N no mesmo braço, o UCC27210 recorre a um mecanismo de bootstrap, que assim lhe permite elevar a tensão da gate no dispositivo superior para 10 V acima da tensão que se faz sentir no pino source do mesmo. Tal como ilustrado na Figura 3.9, este comportamento exige a colocação de um condensador entre os pinos HS e HB (de 0,1 µF, valor recomendado no datasheet), que se encarrega de proporcionar a diferença de potencial aqui referida entre a gate e a source do dispositivo superior. Cada vez que a tensão do dito condensador se torne menor que o pretendido, o díodo entra em condução, estabelecendo assim uma ligação à fonte e impedindo desta forma que a capacidade permaneça com carga abaixo do valor necessário, o que impediria o correto funcionamento.
Figura 3.9 - Diagrama de blocos do driver dos MOSFETs (UCC27210)
Tal como ilustrado, são necessárias duas unidades do UCC27210 para fazer comutar toda a ponte do andar de potência.
A tensão de alimentação --é de 10 V, pois esta é a diferença que será imposta entre a tensão da gate e da source de cada transístor, quando em condução.
42 Desenho e simulação
Figura 3.10 - Formas de onda de 3 versus - ./ do MOSFET IRFI4024H-117P
A Figura 3.10 foi retirada do datasheet dos MOSFETs utilizados e serve para demonstrar que para uma tensão de alimentação do driver a 10 V, este consegue colocar os transístores em plena condução, pois para esse valor de 3 , - ./ já se encontra em redor dos 48 mΩ estipulados neste regime.
Tal valor de --será obtido na implementação através do recurso a um regulador LM ligado aos 28 V do andar de potência, para assim fornecer os 10 V DC regulados ao driver sem necessidade de adquirir uma nova fonte. Neste, o atraso entre a mudança do sinal na entrada e atualização na saída equivale no máximo a 40 ns. Quer isto dizer que se o modulador estivesse diretamente ligado ao driver e este aos MOSFETs, a onda de saída do andar de modulação seria reproduzida no andar de potência cerca de 40 ns depois, no mínimo.
Por defeito, este componente faz ainda um pequeno controlo de dead-time, através da introdução de um atraso de 3 ns no ligar de cada MOSFET a ele associado. Segundo o
datasheet, tal intervalo designa-se por TMon e TMoff.
3.3 Desenho da Ponte H de potência 43
TMon diz respeito ao atraso na entrada em condução do transístor inferior, enquanto que TMoff está associado ao componente superior. A Figura 3.11 foi retirada do respetivo datasheet e demonstra que no UCC27210 a funcionar a uma temperatura que ronde os 30 oC, TMon e TMoff valem aproximadamente 3 ns. Uma vez que o driver lida com pequenos valores de potência durante a sua operação, devido ao facto de gerir picos de corrente com diminuto valor rms, a sua temperatura de funcionamento será aproximadamente igual à temperatura ambiente, sendo que para tal é necessário ter também em conta os componentes que o rodeiam. Assim se conclui que o valor do intervalo de tempo aqui introduzido será muito próximo de 3 ns.
Na mesma figura depreende-se que o UCC27211 tem valores de TMon e TMoff inferiores e mais próximos do que o UCC27210, contudo, tal precisão não tem um impacto relevante nos resultados desta aplicação.
Para além do descrito, há ainda outro parâmetro de especial importância que tem a ver com o facto de o atraso entre a mudança de valor na entrada do driver e respetiva atualização da saída, não ser igual para o evento de entrada e saída de condução. Tal característica tem repercussões no controlo do dead-time e pode no máximo variar sobre uma gama de 31 ns. Os parâmetros aqui em causa são identificados no datasheet por -u¶¶, -·¶¶,
-u¸¸ e -·¸¸.
Ainda assim, o dead-time aqui verificado não é suficiente para evitar o fenómeno de
shoot-through neste projeto, de modo que foi necessário implementar um mecanismo
dedicado unicamente a essa operação.