Aumentare la fiducia nel funzionamento del convertitore full-bridge durante il processo di progettazione

Attività da eseguire

All'inizio del processo di progettazione dei convertitori di potenza, le simulazioni forniscono le prime informazioni sulla sequenza di commutazione nei convertitori complessi full-bridge con raddrizzamento sincrono. La fase successiva è la costruzione del primo prototipo con la topologia selezionata. La validazione del prototipo iniziale è essenziale per essere sicuri di qualsiasi decisione progettuale e per capire meglio come funziona un convertitore nel mondo reale. La sequenza di commutazione (pattern) deve essere validata prima di proseguire con il processo di progettazione. I progetti di convertitori basati su controller digitali utilizzano il software per implementare le sequenze di commutazione, rendendo indispensabile la validazione. Un convertitore a ponte intero (full-bridge) prevede stati di commutazione molto complessi e misurarli tutti contemporaneamente è impossibile con un oscilloscopio standard a 4 canali.

Quando i progettisti misurano i pattern in modo sequenziale, queste misure non riflettono la realtà complessiva di funzionamento del convertitore. Anche la documentazione sequenziale richiede molto tempo. Uno strumento in grado di misurare otto canali alla volta rivelerebbe un numero molto maggiore di difetti e contribuirebbe ad accelerare il processo di progettazione.

Soluzione Rohde & Schwarz

L' oscilloscopio serie MXO 5è ideale per questo tipo di misure perché dispone di otto canali che visualizzano tutti i segnali rilevanti necessari per validare le sequenze di commutazione. L'oscilloscopio dispone di otto canali e di funzioni automatizzate che misurano il ritardo tra i canali interessati, forniscono valori statistici e assicurano un tempo morto minimo tra gli interruttori. È possibile valutare tutti i dettagli della tensione gate-source, come i tempi di salita e discesa, l'overshoot o eventuali oscillazioni indesiderate dovute a componenti parassiti.

Applicazione

Un convertitore DC/DC isolato da 100 W con topologia full-bridge e raddrizzamento sincrono e le relative sequenze di commutazione del convertitore. Lo stadio di potenza riduce la tensione d'ingresso di 48 V a una tensione d'uscita di 12 V e a una corrente d'uscita fino a 8 A. Una volta completata la sequenza di avviamento dolce, il convertitore entra in stato stazionario, come illustrato nella Fig. 1.

Impostazione del dispositivo

Prima di avviare la misura della sequenza di avvio verso lo stato stazionario, devono essere completate diverse operazioni:

• Selezionare un'impostazione del canale adeguata, compresa una sonda appropriata
• Definire un trigger adatto a catturare la condizione di stato stazionario del convertitore
• Attivare le funzioni di misura, compreso un ritardo tra i segnali rilevanti con la funzione Cronologia; anche la corretta definizione del gate supporta questa funzione
• Definire una frequenza di campionamento sufficiente ≥ 1 Gsample per misurare accuratamente la frequenza di commutazione PWM (circa 100 kHz) con fronti netti
• Definire una lunghezza della registrazione appropriata per validare il modello
• Utilizzare un convertitore con un carico adeguato e un'alimentazione DC sufficiente

Misura delle sequenze di commutazione

Dopo l'impostazione, accendere l'alimentatore DC per avviare la misura. Non appena il trigger rileva una condizione valida (trigger sul fronte di discesa), vengono visualizzate le forme d'onda (vedere la Fig. 2). La finestra di sinistra mostra la tensione e la corrente del trasformatore (lato primario) (CH1, CH2). Gli stati del raddrizzatore sincrono (CH3, CH4) sul lato secondario appaiono nella finestra in alto a destra. Tutti gli stati di commutazione primari (da CH5 a CH8) si trovano nella finestra in basso a destra. In generale, la forma teorica della sequenza di commutazione illustrata nella Fig. 1 corrisponde alla forma d'onda misurata nella Fig. 2 e la sequenza di commutazione ha superato il test.

Oltre alla validazione delle sequenze, è necessario controllare in modo più approfondito altri parametri. L'interruttore sincrono deve essere spento prima di accendere il ramo primario. La misurazione dei tempi morti minimi aiuta a prevenire cortocircuiti catastrofici nel sistema. Due definizioni di funzioni di gate consentono di definire misure di ritardo per validare il tempo morto minimo tra tutti gli interruttori rilevanti. I risultati del tempo morto sono stati misurati automaticamente e comprendono statistiche e rendimenti: TSR1 = 264 ns per l'interruttore sincrono SR1 e TSR2 = 328 ns per l'interruttore sincrono SR2.

Sono disponibili altre funzioni di misurazione automatica dei tempi di salita e discesa e di altri parametri, ma nella Fig. 2 non sono state attivate. Le misure automatiche aiutano a validare tutti questi parametri e la sequenza di commutazione in generale per le condizioni di funzionamento del convertitore. Le misure variano la tensione di ingresso del convertitore e la corrente d'uscita.

Riassunto

Un oscilloscopio della serie MXO 5 a otto canali è ideale per la verifica delle sequenze di commutazione complesse nei convertitori full-bridge. L'oscilloscopio consente un'analisi più approfondita delle forme d'onda ed è incluso in un processo automatizzato che genera statistiche. È un'ottima soluzione per i progettisti che lavorano su convertitori complessi e velocizza il processo di progettazione.