Generazione dell'alimentazione sul lato secondario di un gate driver isolato utilizzando l'attività di commutazione del nodo di fase.

In the ever-evolving field of electronics, efficient power management is a critical aspect. It is essential to ensure that all components of an electronic system receive the correct voltage and current, optimizing power usage and improving overall energy efficiency. Without accurate voltage regulation, components may experience instability, malfunction, or even permanent damage. Gate drivers are essential in voltage regulation systems and require an adequate power supply to function properly in power applications. The gate driver is responsible for managing the charge at the control terminal of the switching element it controls. A gate driver must have access to a positive voltage on its secondary side, which is necessary to turn on the power device, and a negative voltage, which is necessary to turn it off. Various methods exist for generating these two voltages. The goals of this Master’s thesis, conducted in collaboration with the Milan Design Center of Allegro MicroSystems, are to present a new approach for powering a gate driver and to demonstrate its effectiveness. The proposed circuit solution generates a power supply on the secondary side of an isolated gate driver by using phase node switching activity. This approach eliminates the need for bulky and expensive components traditionally used to provide power to the isolated side of the gate driver. Furthermore, the proposed circuit allows the gate driver to control multiple switching elements simultaneously, reducing the space occupied on the PCB and the number of gate drivers required. After demonstrating that the proposed circuit solution works - specifically, that it can properly generate the power supply for a low-side gate driver - several similar circuits are derived. In particular, one circuit is designed to generate the power supply for the high-side gate driver, ensuring that each side has its own dedicated circuit capable of generating the required positive supply voltage. Additionally, two complementary circuits are developed - one for each side - to generate the necessary negative supply voltages. In this way, each gate driver receives both the positive and negative supply voltages necessary for its proper operation. Simulation results show that all the proposed solutions, i.e., the initial design and its derived circuits, perform optimally in a simulation environment. They generate the desired power supplies on the isolated side of the gate driver and save significant space compared to traditional structures. Finally, a project for the future physical implementation of the proposed power supply circuits has been developed, which will allow for a future comparison between real-world results and those obtained through simulations.

Nel campo in continua evoluzione dell'elettronica, la gestione efficiente dell'energia è un aspetto critico. È fondamentale garantire che tutti i componenti di un sistema elettronico ricevano la tensione e la corrente corrette, ottimizzando l'uso dell'energia e migliorando l'efficienza complessiva. Senza una regolazione accurata della tensione, i componenti potrebbero subire instabilità, malfunzionamenti o anche danni permanenti. I gate driver sono fondamentali nei sistemi di regolazione della tensione e necessitano di un'alimentazione adeguata in modo da funzionare correttamente nelle applicazioni di potenza. Il gate driver si occupa di gestire la carica presente nel terminale di controllo dell’elemento di commutazione che controlla. Un gate driver deve avere accesso sul suo lato secondario a una tensione positiva, necessaria per accendere il dispositivo di potenza, e a una tensione negativa, necessaria per spegnerlo. Esistono vari metodi per generare queste due tensioni. Gli obiettivi di questa tesi di laurea magistrale, condotta in collaborazione con il centro di progettazione di Allegro MicroSystems di Milano, sono presentare un nuovo approccio per alimentare un gate driver e dimostrarne l’efficacia. La soluzione circuitale proposta genera un’alimentazione sul lato secondario di un gate driver isolato utilizzando l'attività di commutazione del nodo di fase. Questo approccio elimina la necessità di componenti tradizionalmente ingombranti e costosi utilizzati per fornire energia al lato secondario di un gate driver. Inoltre, il circuito proposto consente al gate driver di controllare più elementi di commutazione simultaneamente, riducendo lo spazio occupato sulla scheda PCB e il numero di gate driver necessari. Dopo aver dimostrato che la soluzione circuitale proposta funziona - ovvero, che è in grado di generare correttamente l'alimentazione per un low-side gate driver - vengono derivati diversi circuiti simili. In particolare, un circuito è progettato per generare l'alimentazione per un high-side gate driver, garantendo così che ciascun “side” abbia il proprio circuito dedicato capace di generare la tensione di alimentazione positiva necessaria. Inoltre, vengono sviluppati due circuiti complementari - uno per ciascun “side” - per generare la tensione di alimentazione negativa necessaria. In questo modo, ogni gate driver riceve entrambe le tensioni di alimentazione, ossia positiva e negativa, essenziali per il suo corretto funzionamento. I risultati delle simulazioni mostrano che tutte le soluzioni proposte, cioè il progetto iniziale e i circuiti derivati, funzionano in modo ottimale in un ambiente di simulazione. Generano le alimentazioni desiderate sul lato isolato del gate driver e permettono di risparmiare spazio significativo rispetto alle strutture tradizionali. Infine, è stato realizzato un progetto per la futura implementazione fisica dei circuiti di alimentazione proposti, che permetterà in seguito di confrontare i risultati reali con quelli ottenuti tramite simulazioni.