High-Side Gate Drive ด้วยไอซีเบอร์ IR2110

หลังจากเขียนบทความ วิเคราะห์การออกแบบฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ด้วย LTspice IV  เสร็จ และกำลังจะทดลองสร้างตามวงจร ผมก็นึกขึ้นได้ว่า "ฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์" จัดวงจรอยู่ในลักษณะที่มีส่วนที่เรียกกันว่า High-Side (เพาเวอร์มอสเฟตตัวบน) กับ Low-Side (ตัวล่าง) การขับเพาเวอร์มอสเฟตในส่วน high-side นั้นจำเป็นต้องใช้หม้อแปลง pluse หรือหาไอซี High-side driver มาคั่นก่อนเข้าขาเกต กับขาซอร์ส ไม่เช่นนั้นอาจมีปัญหาจุดกราวด์อ้างอิงของขาเกต

แต่เนื่องจากไม่อยากพันหม้อแปลง pluse เลยทดลองค้นเบอร์ไอซีที่มี High-side driver จาก google พบว่าเบอร์ IR2110 มีข้อมูลค่อนข้างเยอะ เช็คดูว่ามีขายในบ้านเราก็เลยหามาทดลองดู เผื่อว่าจะใช้ IR2110 กับวงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ที่จะทดลอง แต่ก่อนจะเอาไปใช้คงต้องทำความรู้จักและหาวิธีใช้มันเสียก่อนครับ

ปัญหาของ High-Side Drive

โดยปกติวงจรฮาล์ฟบริดจ์จะจัดวงจรอยู่ในลักษณะเพาเวอร์มอสเฟตแบ่งครึ่งแรงดัน จึงมีลักษณะของ high-side (ตัวบน) และ low-side (ตัวล่าง) ดังในรูป

การขับเพาเวอร์มอสเฟตโดยทั่วไป จะต้องให้แรงดันที่ขาเกต (GATE) สูงกว่าแรงดันที่ขาซอร์ส (SOURCE) ประมาณ 10-15 โวลต์ ซึ่งจะเห็นว่าเพาเวอร์มอสเฟตตัวล่างหรือ low-side นั้น ขาซอร์สจะต่อโดยตรงที่เส้นกราวด์ แรงดันจากวงจรขับที่ต่อเข้ากับขาเกตก็จะเป็นแรงดันเทียบกับกราวด์โดยตรง จึงไม่มีปัญหากับ PWM ในการจ่ายแรงดันขับเกตที่ระดับ 10-15โวลต์ แต่สำหรับเพาเวอร์มอสเฟตตัวบนหรือ high-side นั้น ขาซอร์สจะต่อผ่านโหลดลงกราวด์ ส่วนขาเดรน (D) จะต่อเข้ากับส่วนที่เป็นแรงดันไฟเลี้ยงบริดจ์  หมายความว่าแรงดันขับที่ขาเกตสำหรับ high-side จะต้องสูงกว่าแรงดันไฟเลี้ยงบริดจ์ ซึ่งจะเป็นปัญหาทันทีหากแรงดันไฟเลี้ยงบริดจ์เป็นแรงดันค่าสูงๆ เช่น 300VDC เนื่องจากวงจรขับทั่วไปส่วนใหญ่จะมีแรงดันค่าต่ำๆ (วงจร logic ทั่วไป) คือ อยู่ที่ประมาณ 5-15V เท่านั้นเอง

วิธีง่ายๆ และไม่แพงนักที่นิยมใช้ในการขับเพาเวอร์มอสเฟตในลักษณะนี้ก็คือ การใช้หม้อแปลง pluse เพื่อแยกแรงดันอ้างอิงให้ขาเกตและซอร์ส แต่จะมีข้อเสียเรื่องขนาดของหม้อแปลง ข้อจำกัดเรื่องความถี่การทำงาน และสัญญานรบกวน (และเสียเวลาพันหม้อแปลง)

วิธีที่ยุ่งยากขึ้นมาอีกนิดหน่อยแต่ก็เป็นเทคนิคยอดนิยมเช่นกัน คือ เทคนิคที่เรียกว่า Bootstrap ซึ่ง IR2110 ที่จะนำมาทดลองก็ใช้เทคนิคนี้เป็นพื้นฐานการทำงาน

Bootstrap เทคนิค

วงจรพื้นฐานทั่วไปของ IC High-Side Driver ที่ใช้เทคนิค Bootstrap จะเป็นดังรูปข้างล่าง (เป็น circuit diagram ของ IC เบอร์ ISL6700 ครับ เพราะดูง่ายกว่าของ IR2110)

จากรูปนี้จะเห็นว่ามีส่วนประกอบสำคัญ 3 ส่วน คือ ชุด Control  ชุด Drive Hi (high-side) และชุด Drive Lo (low-side) ขา Hi (High in) กับ Lo (Low in) จะเป็นส่วนที่รับคำสั่งจาก PWM ภายนอก เพื่อให้ชุด control ขับชุด dirve Hi หรือ Lo เพื่อขับเพาเวอร์มอสเฟตตัวบนและตัวล่างต่อไป โดยหากมองแบบคร่าวๆ ไฟเลี้ยงสำหรับชุด control ซึ่งจะได้จาก VDD เป็นไฟเลี้ยงสำหรับวงจร logic ทั่วไป ซึ่งจะกำหนดค่าให้สอดคล้องกับค่าแรงดัน logic ของ PWM ที่เข้ามายังขา Hi กับ Lo ที่อ้างอิงกับขา VSS ซึ่งจะเป็นจุดอ้างอิง common ที่ใช้ร่วมกับชุด control ชุด Drive Lo และเพาเวอร์มอสเฟตตัวล่างด้วย ซึ่งเป็นลักษณะปกติของวงจรทั่วไปเช่นกัน ดังนั้นวงจรส่วน Low-side จึงเหมือนวงจรในการขับเพาเวอร์มอสเฟตทั่วไปครับ

แต่ส่วนที่พิเศษแยกออกมา คือส่วนของ HB HO และ HS ของชุด Drive Hi ที่จะใช้ขับเพาเวอร์มอสเฟตตัวบน ซึ่งจะแยกเป็นชุดลอย (Floating) ออกมา ขา HB จะเป็นจุดต่อไฟจ่ายแรงดันที่จะขับออกมาทาง HO เพื่อใช้ขับขาเกตของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวบน โดยแรงดันที่จุด HB กับ HO นี้จะเป็นแรงดันที่อ้างอิงกับค่าแรงดันที่ขา HS 

สำหรับ +HV จะเป็นแรงดันขับโหลดของบริดจ์ผ่านเพาเวอร์มอสเฟตตัวบนและล่าง ซึ่งจะอ้างอิงกับจุดกราวด์ในรูป ซึ่งจะเป็นจุด common ที่ใช้ร่วม กับ VDD

และเพื่อให้มีแรงดัน float เกิดขึ้นในชุด Drive Hi ก็ต้องเพิ่ม Dboot กับ Cboot เข้ามาในวงจรดังรูปนี้ครับ

เนื่องจาก VCC เป็นแรงดันที่อ้างอิงกับ VSS (และจุดร่วม) ดังนั้น Cboot จะถูกชาร์จประจุและเกิดแรงดันตกคร่อมตัวมันในจังหวะที่เพาเวอร์มอสเฟตตัวล่างนำกระแส (ตัวบนไม่นำกระแส) ด้วยแรงดันที่ได้จาก VCC ผ่านไดโอด Dboot ผ่านตัว Cboot แล้วลงกราวด์ ดังนั้นเมื่อเพาเวอร์มอสเฟตตัวล่างหยุดนำกระแสแรงดันที่ตกคร่อม Cboot ก็จะกลายเป็นแรงดันลอย floating ตามต้องการ ที่สามารถใช้จ่ายให้ขา HB เพื่อเป็นแรงดันขับเพาเวอร์มอสเฟตตัวบนในจังหวะถัดมา ทำให้แรงดันที่ HB มีค่าสูงกว่าแรงดันที่ขาเดรน (Drain) ของเพาเวอร์มอสเฟตตัวล่างเมื่อเทียบกับจุดกราวด์ได้ ซึ่งหากกำหนดค่า Cboot ให้เหมาะสมก็จะมีค่าแรงดันและกระแสที่เพียงพอจะขับขาเกตของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวบนให้ทำงานได้

หลักการโดยคร่าวๆ ของ Bootstrap เทคนิคก็คงมีเพียงเท่านี้ครับ

IR2110 High and Low Side Driver IC

ต่อไปจะเป็นการทดลองใช้งาน IC เบอร์ IR2110 ซึ่งเอาต์พุตสำหรับขับเพาเวอร์มอสเฟตของตัวนี้มีทั้ง High-Side กับ Low-Side ครับ

Block Diagram ของ IR2110 นั้นค่อนข้างใกล้เคียงกับวงจรที่นำมาอธิบายไว้ข้างบน ดังนั้นคงไม่จำเป็นต้องอธิบายเพิ่มเติมอีก (ลองเข้าไปหาดู datasheet ได้ในอินเตอร์เน็ตได้) นอกจากขา SD (Shut Down) ที่เอาไว้สั่งหยุดเอาต์พุต HO กับ LO ครับ ไอซีเบอร์ IR2110 ตัวนี้สามารถใช้ขับวงจรฮาล์ฟบริดจ์ที่ต่อเข้ากับแรงดัน +HV ได้สูงถึง 500-600V โดยจ่ายแรงดันขับเกตได้อยู่ในช่วง 10-20V และกระแสที่ +/-2A

วงจรที่ผมใช้ต่อทดลองวงจรเป็นดังนี้ครับ

PWM_A กับ PWM_B ใช้ output1 กับ output2 ของ TL494 (ดู PWM สำหรับทดสอบคอนเวอร์เตอร์) รูปข้างล่างนี้เป็นวงจรที่ประกอบขึ้นครับ

รูปคลื่นที่ได้จากขา HO กับขา LO จะเป็นดังนี้

รูปคลื่นที่ได้จาก IR2110 ต่อตามวงจรข้างบน รูปบนจากขา HO รูปล่างจากขา LO (ต่อ HSD_RTN ผ่าน R 56 โอห์มลงกราวด์)

ถ้าวงจรไม่ได้ต่อเข้ากับฮาล์ฟบิรดจ์ เวลาทดลองเพื่อดูรูปคลื่นของ HO กับ LO ทำได้โดยต่อ HSD_RTN ลงกราวด์หรือต่อเข้ากับ R ค่า 50 -100 โอห์มลงกราวด์ (ให้ Cboot ได้ชาร์จ)

รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับ High-Side Drive 
AN-6076 Design and Application Guide of Bootstrap Circuit for High-Voltage Gate-Drive IC 

Application Note AN-978. HV Floating MOS-Gate Driver ICs

IR2110 Data Sheet