No Image

Управление полевым транзистором через оптопару

СОДЕРЖАНИЕ
4 просмотров
10 марта 2020

Разработчику энергосберегающей аппаратуры, который использует современную элементную базу силовой электроники, необходимо уметь правильно организовывать структуру управления мощными силовыми полупроводниковыми приборами. Ниже рассмотрим наиболее часто встречающиеся на практике случаи организации такого управления. В зависимости от конкретной ситуации можно использовать управление КМОП-логикой, эмитгерными повторителями, схемами управления с разделением цепей заряда и разряда входной емкости. Рассмотрим особенности организации управления с помощью КМОП-логики. На рис. 3.97 показан КМОП инвертор, образованный рМОП и пМОП транзисторами с индуцированным каналом.

Напряжение питания КМОП инвертора может изменяться в широких пределах. В статическом состоянии и без нагрузки такой элемент потребляет очень малый ток, поскольку один из транзисторов в статическом состоянии всегда закрыт. Если на входе инвертора напряжение логического нуля UQ, то Т1 открыт, а Т2 — закрыт, если напряжение логической единицы ί/, то Т2 открыт, а Т1 — закрыт.

На рис. 3.98 показан пример организации управления MOSFET-транзистором Т с помощью стандартного КМОП-инвертора. Схема управления мощным MOSFET с помощью КМОП логики является одной из самых простых, но такая схема эффективно работает при медленном переключении MOSFET. Оценим время переключения, например, для типовых выходных токов КМОП-инвертора, которые составляют

24 мА (или 0,024 А). Время заряда емкости затвора MOSFET определим из выражения:

Для стандартных значений Um = 5 В, С и = 4 нФ получаем, что время переключения At = 4 · 10 -9 · 5/0,024 = 833 · 10 -9 с = 833 нс.

Эффективным способом сокращения времени включения и выключения мощного полевого транзистора ТЗ является применение эмиттерных повторителей между логической схемой, ШИМ-контроллером и затвором транзистора, как показано на рис. 3.99 [15].

Рис. 3.99. Управление MOSFET и IGBT при помощи эмиттерных повторителей

При отпирании MOSFET включается транзистор Т1 верхнего плеча эмитгерного повторителя, который обеспечивает протекание входного тока транзистора ТЗ, величина которого определяется выражением:

Следовательно, поступающий через резистор R1 с выхода контроллера ток усиливается в β + 1 раз, что позволяет существенно уменьшить время включения MOSFET

При запирании MOSFET значение его входного тока будет определяться следующим выражением:

Резистор R3, включаемый между общей шиной и затвором мощного транзистора, необходим для устранения выхода из строя MOSFET (ТЗ) в случае, когда напряжение питания +Un не подано, а транзистор ТЗ уже запитан. Емкость С необходима для снижения уровня помех на затворе транзистора ТЗ.

Необходимо соблюдать следующее обязательное условие — элементы ΤΙ, Т2, R2, R3 должны быть расположены на плате в непосредственной близости с транзистором ТЗ.

При большой мощности, переключаемой MOSFET (в нагрузке 1,5 кВт и более), цепи заряда и разряда входной емкости С и транзистора ТЗ следует полностью разделить, как это показано на рис. 3.100, причем при выборе резисторов R2, R3 эмитгерного повторителя необходимо обеспечивать условие: R3 много меньше R2,

Рис. 3.100. Управление MOSFET с разделением цепей заряда и разряда входной емкости

Рис. 3.101. Управление стойкой (полумостом) MOSFET и IGBT

Отдельного внимания требует рассмотрение особенностей организации управления стойкой (полумостом) MOSFET и IGBT, которая достаточно часто встречается на практике. Специальные устройства для управления MOSFET и IGBT могут непосредственно подавать напряжение на затвор, обеспечивая при этом необходимую величину тока заряда входной емкости. Дополнительный транзистор требуется в затворной цепи для обеспечения режима быстрого для быстрого запирания MOSFET (рис. 3.101) [15].

Схема работает следующим образом. Два выходных сигнала от управляющего драйвера находятся в противофазе. При высоком напряжении на выводе DRV1A (по отношению к DRV1B) на выводе DRV2A имеет место низкое напряжение (по отношению к DRV2B), и наоборот. Резисторы R2 и R4 обеспечивают поддержание закрытого состояния транзисторов Т1 и Т2 при отсутствии сигналов на выходе драйвера.

Читайте также:  Input и output в паскале

Низкоомные резисторы R1 и R3 ограничивают значения токов выходных каскадов драйвера. При отпирании одного из транзисторов (например, Т1) высокое напряжение с выхода 1 (DRV1A) драйвера через диод D1 поступает на затвор Т1. Транзистор ТЗ в интервале открытого состояния Т1 оказывается запертым. Если напряжение на данном выходе драйвера близко к нулю, биполярный транзистор открывается, а входная емкость быстро разряжается через открытый р-п-р транзистор.

В отдельных случаях применяется схема управления с помощью трансформатора, когда использование драйвера по каким-то причинам невозможно или когда нужна гальваническая развязка между ШИМ-контроллером и силовым ключом.

Рис. 3.102. Управление стойкой (полумостом) MOSFET и IGBT с помощью трансформатора

На представленной схеме нижний MOSFET управляется непосредственно от ШИМ-контроллера, а верхний — от трансформатора. Такой способ применим, когда используются полевые транзисторы не очень большой мощности, а частота их переключения в устройстве достаточно высокая, что не позволяет использовать ИМС драйвера.

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

Компания Toshiba предлагает оптопары, подходящие для управления затворами БТИЗ- и МОП-транзисторов. У нас обширная линейка продукции: от оптопар с защитой от сверхтока до оптопар с высоким выходным током 6,0 А. Это значит, что вы сможете подобрать оптопары, оптимально соответствующие емкости затвора управляемого БТИЗ- или МОП-транзистора.
Оптопары Toshiba гарантируют подавление синфазного сигнала до 40 кВ/мкс, а значит идеально подходят для промышленных систем, работающих в условиях серьезных электрических помех, например для инверторов и сервомеханизмов.

Список рекомендуемых оптопар для управления затворами БТИЗ- и МОП-транзисторов

Оптопары с максимальной рабочей температурой 125 °C.

Выходной сигнал с амплитудой, равной напряжению питания

Защита от сверхтока

Clearance D Creepage Distance 8 mm 8 mm 8 mm *1 5 mm 7 or 8 mm *2 7 or 8 mm *2 4 mm
Peak
Output Current
IOP
Propagation Delay
tpHL / tpLH
SO16L SO8L SO6L
/ SO6L
(LF4)
SO6 SDIP6
/ SDIP6
(F type)
DIP8
/ DIP8
(F type)
SO8
6.0 A 500 ns TLP358H
TLP358HF
4.0 A 150 ns TLP5214A TLP5754
TLP5754(LF4)
TLP5774
2.5 A 500 ns TLP700H
TLP700HF
TLP350H
TLP350HF
TLP250H
TLP250HF
200 ns TLP5832 TLP5702
TLP5702(LF4)
TLP152 TLP700A
TLP700AF
TLP352
TLP352F
150 ns TLP5752
TLP5752(LF4)
TLP5772
1.0 A 150 ns TLP5751
TLP5751(LF4)
TLP5771
0.6 A 700 ns TLP701H
TLP701HF
TLP351H
TLP351HF
500 ns TLP5701
TLP5701(LF4)
TLP151A TLP701A
TLP701AF
TLP351A
TLP351AF
TLP2451A
200 ns TLP155E TLP705A
TLP705AF

*1: Корпус SO6L также доступен с широкими выводами (LF4)

*2: Корпуса DIP8 и SDIP6 доступны с зазором между платой и корпусом и расстоянием утечки 8 мм.

Чтобы заказать оптопары в корпусе с гарантированным зазором между платой и корпусом и расстоянием утечки в 8 мм, добавьте в конце артикула букву F, например: TLP350HF

Список оптопар для управления затворами БТИЗ- и МОП-транзисторов
Искать оптопары для управления затворами БТИЗ- и МОП-транзисторов можно по их характеристикам.

Характеристики оптопар Toshiba для управления затворами БТИЗ- и МОП-транзисторов

  • Защита от сверхтока (обнаружение VCE(sat)) и активное подавление эффекта Миллера
  • Выходной сигнал с амплитудой, равной напряжению питания
  • Блокировка питания при пониженном напряжении (UVLO)

1. Высокий выходной ток при низком энергопотреблении

Читайте также:  Загрузочная флешка для прошивки андроид

Toshiba предлагает оптопару для управления умным затвором TLP5214 с функциями обнаружения VCE(sat) и активного подавления эффекта Миллера, предназначенными для защиты БТИЗ от сверхтока. Схема обнаружения VCE(sat) контролирует напряжение VCE(sat) БТИЗ и плавно выключает транзистор в случае сверхтока. Кроме того, она отправляет в контроллер сигнал о неисправности. Схема подавления эффекта Миллера гасит рост напряжения затвора и предотвращает поломку БТИЗ, отводя ток Миллера в землю через оптопару. Кроме того, TLP5214 обеспечивает выходной сигнал с амплитудой, равной напряжению питания, блокирует питание при пониженном напряжении и выполняет другие функции, позволяющие сократить количество наружных деталей. За счет этих функций уменьшается удельная норма расхода материалов и размер плат.

2. Устойчивость к синфазным помехам

Как правило, максимальное выходное напряжение оптопары затвора БТИЗ на несколько вольт ниже, чем напряжение источника питания. Оптопары RRO, в свою очередь, обеспечивают перепад от напряжения земли практически до напряжения электропитания. Выходной сигнал с амплитудой, равной напряжению питания, позволяет уменьшить потери энергии при переключении как в самой оптопаре, так и в БТИЗ.
Модели TLP5751, TLP5752, TLP5754, TLP5214, обозначенные в приведенной выше таблице символом , являются оптопарами RRO.

При быстром нарастании напряжения на входе и выходе оптопары схема инвертора может работать неправильно. Можно улучшить подавление синфазного сигнала оптопары путем применения экранов на входе и выходе и отведения тока смещения в землю. Чтобы обеспечить подавление синфазного сигнала, достаточное для прямого привода затвора БТИЗ- и МОП-транзистора, многие оптопары Toshiba для управления такими затворами оборудованы экраном для микросхемы фотоприемника. В частности TLP250H гарантирует высокое подавление синфазного сигнала — 40 кВ/мкс.

3. Блокировка питания при пониженном напряжении (UVLO)

Многие оптопары Toshiba для управления затворами БТИЗ- и МОП-транзистора включают схему блокировки питания при пониженном напряжении (UVLO). Она предотвращает отказ на участке низкого напряжения. Схема UVLO удерживает выходное напряжение на низком уровне, пока напряжение электропитания VCC не превысит повышающийся порог UVLO. Это позволяет предотвратить ложный выход оптопары, а значит и отказ соответствующего БТИЗ- и МОП-транзистора.

Разработчику энергосберегающей аппаратуры, который использует современную элементную базу силовой электроники, необходимо уметь правильно организовывать структуру управления мощными силовыми полупроводниковыми приборами. Ниже рассмотрим наиболее часто встречающиеся на практике случаи организации такого управления. В зависимости от конкретной ситуации можно использовать управление КМОП-логикой, эмитгерными повторителями, схемами управления с разделением цепей заряда и разряда входной емкости. Рассмотрим особенности организации управления с помощью КМОП-логики. На рис. 3.97 показан КМОП инвертор, образованный рМОП и пМОП транзисторами с индуцированным каналом.

Напряжение питания КМОП инвертора может изменяться в широких пределах. В статическом состоянии и без нагрузки такой элемент потребляет очень малый ток, поскольку один из транзисторов в статическом состоянии всегда закрыт. Если на входе инвертора напряжение логического нуля UQ, то Т1 открыт, а Т2 — закрыт, если напряжение логической единицы ί/, то Т2 открыт, а Т1 — закрыт.

На рис. 3.98 показан пример организации управления MOSFET-транзистором Т с помощью стандартного КМОП-инвертора. Схема управления мощным MOSFET с помощью КМОП логики является одной из самых простых, но такая схема эффективно работает при медленном переключении MOSFET. Оценим время переключения, например, для типовых выходных токов КМОП-инвертора, которые составляют

24 мА (или 0,024 А). Время заряда емкости затвора MOSFET определим из выражения:

Для стандартных значений Um = 5 В, С и = 4 нФ получаем, что время переключения At = 4 · 10 -9 · 5/0,024 = 833 · 10 -9 с = 833 нс.

Читайте также:  Равновесие пространственной системы сил решение задач

Эффективным способом сокращения времени включения и выключения мощного полевого транзистора ТЗ является применение эмиттерных повторителей между логической схемой, ШИМ-контроллером и затвором транзистора, как показано на рис. 3.99 [15].

Рис. 3.99. Управление MOSFET и IGBT при помощи эмиттерных повторителей

При отпирании MOSFET включается транзистор Т1 верхнего плеча эмитгерного повторителя, который обеспечивает протекание входного тока транзистора ТЗ, величина которого определяется выражением:

Следовательно, поступающий через резистор R1 с выхода контроллера ток усиливается в β + 1 раз, что позволяет существенно уменьшить время включения MOSFET

При запирании MOSFET значение его входного тока будет определяться следующим выражением:

Резистор R3, включаемый между общей шиной и затвором мощного транзистора, необходим для устранения выхода из строя MOSFET (ТЗ) в случае, когда напряжение питания +Un не подано, а транзистор ТЗ уже запитан. Емкость С необходима для снижения уровня помех на затворе транзистора ТЗ.

Необходимо соблюдать следующее обязательное условие — элементы ΤΙ, Т2, R2, R3 должны быть расположены на плате в непосредственной близости с транзистором ТЗ.

При большой мощности, переключаемой MOSFET (в нагрузке 1,5 кВт и более), цепи заряда и разряда входной емкости С и транзистора ТЗ следует полностью разделить, как это показано на рис. 3.100, причем при выборе резисторов R2, R3 эмитгерного повторителя необходимо обеспечивать условие: R3 много меньше R2,

Рис. 3.100. Управление MOSFET с разделением цепей заряда и разряда входной емкости

Рис. 3.101. Управление стойкой (полумостом) MOSFET и IGBT

Отдельного внимания требует рассмотрение особенностей организации управления стойкой (полумостом) MOSFET и IGBT, которая достаточно часто встречается на практике. Специальные устройства для управления MOSFET и IGBT могут непосредственно подавать напряжение на затвор, обеспечивая при этом необходимую величину тока заряда входной емкости. Дополнительный транзистор требуется в затворной цепи для обеспечения режима быстрого для быстрого запирания MOSFET (рис. 3.101) [15].

Схема работает следующим образом. Два выходных сигнала от управляющего драйвера находятся в противофазе. При высоком напряжении на выводе DRV1A (по отношению к DRV1B) на выводе DRV2A имеет место низкое напряжение (по отношению к DRV2B), и наоборот. Резисторы R2 и R4 обеспечивают поддержание закрытого состояния транзисторов Т1 и Т2 при отсутствии сигналов на выходе драйвера.

Низкоомные резисторы R1 и R3 ограничивают значения токов выходных каскадов драйвера. При отпирании одного из транзисторов (например, Т1) высокое напряжение с выхода 1 (DRV1A) драйвера через диод D1 поступает на затвор Т1. Транзистор ТЗ в интервале открытого состояния Т1 оказывается запертым. Если напряжение на данном выходе драйвера близко к нулю, биполярный транзистор открывается, а входная емкость быстро разряжается через открытый р-п-р транзистор.

В отдельных случаях применяется схема управления с помощью трансформатора, когда использование драйвера по каким-то причинам невозможно или когда нужна гальваническая развязка между ШИМ-контроллером и силовым ключом.

Рис. 3.102. Управление стойкой (полумостом) MOSFET и IGBT с помощью трансформатора

На представленной схеме нижний MOSFET управляется непосредственно от ШИМ-контроллера, а верхний — от трансформатора. Такой способ применим, когда используются полевые транзисторы не очень большой мощности, а частота их переключения в устройстве достаточно высокая, что не позволяет использовать ИМС драйвера.

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

Комментировать
4 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector