Компактный и экономичный изолированный импульсный драйвер МОП-транзисторов

Трехфазные управляемые выпрямители и инверторы, матричные циклоконвертеры и силовые каскады обычно содержат большое количество мощных транзисторов, каждый со своей собственной схемой управления. Схема на Рисунке 1 управляет емкостным входом силового устройства, такого как MOSFET или IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), импульсами с любыми коэффициентами заполнения на частотах от 1 до 200 кГц. Один трансформатор обеспечивает гальваническую развязку, и схема потребляет небольшую мощность от источника питания 15 В первичной стороны. Это устройство, успешно протестированное с использованием нескольких MOSFET и IGBT с входными емкостями до 5 нФ, может быть адаптировано для управления и более сильноточными приборами путем замены транзисторов драйвера и трансформатора связи, а также нескольких пассивных компонентов.

LED-драйверы MEAN WELL – оптимальные решения для различных задач освещения (материалы вебинара)

Изолированный импульсный драйвер работает с любыми коэффициентами заполнения и потребляет энергию лишь во время процессов заряда и разряда емкости затвора.
Рисунок 1. Изолированный импульсный драйвер работает с любыми коэффициентами заполнения и потребляет
энергию лишь во время процессов заряда и разряда емкости затвора.

Транзисторы Q1 и Q2 через разделительный трансформатор T1 передают импульсы длительностью примерно 1 мкс на транзисторы Q3 и Q4, которые, в свою очередь, заряжают и разряжают входную емкость затвор-исток мощного выходного транзистора Q5. Импульс заряда, формируемый транзистором Q1, начинается с переднего фронта входного управляющего сигнала, а импульс разряда, формируемый транзистором Q2, начинается со спадающего фронта управляющего сигнала. Дифференцирующие цепи, образованные элементами C1, R1, частью потенциометра P1, элементами C2, R2 и оставшейся частью потенциометра P1, устанавливают длительности импульсов заряда и разряда. При необходимости регулировкой потенциометра P1 можно изменять баланс положительных и отрицательных напряжений заряда и разряда, получаемых затвором Q5.

Транзисторы Q3 и Q4 передают импульсы, соответственно, для заряда или разряда входной емкости транзистора Q5, а затем выключаются, образуя высокоимпедансную цепь, шунтирующую входную емкость Q5, так что напряжение затвора Q5 остается неизменным, если не считать медленного разряда из-за небольших токов утечки. Таким образом, схема драйвера потребляет мощность только в течение коротких интервалов времени, когда происходят процессы заряда и разряда емкости затвор-исток.

Когда транзисторы Q1 - Q4 выключаются, резисторно-диодные пары R3, D3, и R4, D4 создают пути для тока размагничивания трансформатора T1. Хотя бóльшую часть времени они смещены в обратном направлении, диоды D5 и D6 образуют амплитудный дискриминатор, сконфигурированный как логическая схема «ИЛИ», чтобы гарантировать, что напряжения на затворах Q3 и Q4 никогда не будет меньше напряжения на емкости затвор-исток Q5.

Резисторы R5 и R6 ограничивают скорости заряда и разряда емкости затвор-исток транзистора Q5; их сопротивления могут меняться в зависимости от входных характеристик транзистора Q5. Трансформатор T1 намотан на сердечнике RM5/I из феррита 3E5 обмоточным проводом диаметром 0.2 мм. Первичная обмотка с отводом от середины имеет 40 витков, а вторичная – 12 витков.

Когда транзистор Q1 включается, на вторичной обмотке трансформатора T1 создается положительное напряжение, которое включает p-канальный MOSFET Q3 и открывает паразитный диод транзистора Q4, чтобы начать зарядку емкости затвор-исток Q5. Скорость зарядки определяется в первую очередь сопротивлением открытого канала транзистора Q3. Зарядка завершается либо по окончании импульса, либо когда напряжение затвор-исток MOSFET Q5 приближается к значению, равному разности напряжения на вторичной обмотке T1 и порогового напряжения затвора транзистора Q3.

Затем Q3 закрывается, позволяя зарядному току упасть до нуля, а заряду емкости достичь максимального положительного значения. Когда транзистор Q1 закрывается, ток намагничивания трансформатора T1 уходит через элементы R3 и D3. Напряжение на вторичной обмотке T1 становится слегка отрицательным, чтобы сбалансировать вольт-секундную характеристику сердечника, вследствие чего паразитный диод транзистора Q3 немного смещается в прямом направлении (без появления тока), а паразитный диод транзистора Q4 блокирует разряд емкости затвор-исток Q5.

Вид сверху прототипа изолированного драйвера затвора показывает, что земляной слой под трансформатором T1 прерван изолирующим барьером (вверху справа).
Рисунок 2. Вид сверху прототипа изолированного драйвера затвора
показывает, что земляной слой под трансформатором T1
прерван изолирующим барьером (вверху справа).

Отрицательное напряжение, приложенное к затвору Q4, не может включить транзистор, поскольку прямое напряжение диода D5 устанавливает напряжение на затворе Q4 большее, чем на затворе Q5. Таким образом, входная емкость Q5 остается заряженной, а путь ее разряда имеет высокое сопротивление. Когда Q2 включается, отрицательное напряжение, которое появляется на вторичной обмотке T1, открывает Q4 и запускает процесс разряда, который заканчивается, когда напряжение исток-затвор Q4 становится равным его пороговому уровню, или когда заканчивается импульс. Затем Q4 выключается, и напряжение на емкости затвора Q5 достигает своего минимального отрицательного значения. Когда Q2 выключается, ток намагничивания трансформатора T1 сбрасывается через D4 и R4, паразитный диод транзистора Q4 открывается, а паразитный диод транзистора Q3 блокирует напряжение затвор-исток Q5. Высокое напряжение на диоде D6, приложенное к затворам Q3 и Q4, гарантирует, что напряжение разрядки на вторичной обмотке T1 не приведет к открыванию Q3. Таким образом, все транзисторы остаются выключенными, а затворная емкость Q5 остается разряженной. При следующем включении транзистора Q1 последовательность повторяется.

На верхней осциллограмме показано управляющее напряжение драйвера, а на нижней осциллограмме показано напряжение затвор-исток IGBT APT40GF120JRD (Q5) при частоте 20 кГц. Для регулировки высокого и низкого уровней напряжений затвор-исток 9.1 и 20.7 В, соответственно, можно использовать потенциометр P1.
Рисунок 3. На верхней осциллограмме показано управляющее напряжение драйвера,
а на нижней осциллограмме показано напряжение затвор-исток IGBT
APT40GF120JRD (Q5) при частоте 20 кГц. Для регулировки высокого и
низкого уровней напряжений затвор-исток 9.1 и 20.7 В, соответственно,
можно использовать потенциометр P1.

На Рисунке 2 в сравнении с монетой в 1 евро показаны прототип драйвера и силовой транзистор. В транзисторе APT40GF120JRD с емкостью затвор-исток, равной 4 нФ, объединены IGBT и быстровосстанавливающийся диод, рассчитанные на максимальное напряжение 1200 В и ток до 60 А. Транзистор упакован в корпус JEDEC SOT-227 размером примерно 38 мм × 25 мм. На Рисунках 3 и 4 показаны осциллограммы сигналов управления IGBT Q5 в схеме Рисунок 1 при частоте переключения 20 кГц. Задержка включения равна примерно 600 нс, а общий потребляемый ток составляет 22 мА при потребляемой мощности 0.33 Вт. При управлении транзисторами с меньшей емкостью затвор-исток задержка включения схемы и энергопотребление уменьшаются.

На верхней осциллограмме показано напряжение затвор-исток управляемого транзистора, а на нижней - его напряжение коллектор-эмиттер, ослабленное пробником. Нагрузкой транзистора является резистор, подключенный к источнику питания.
Рисунок 4. На верхней осциллограмме показано напряжение затвор-исток управляемого
транзистора, а на нижней – его напряжение коллектор-эмиттер, ослабленное
пробником. Нагрузкой транзистора является резистор, подключенный к
источнику питания.
  1. Datasheet APT APT40GF120JRD
  2. Datasheet Texas Instruments CD4049A
  3. Datasheet Diodes ZVN2106A
  4. Datasheet Diodes ZVP2106A

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 62
сейчас смотрят 5
представлено поставщиков 1569
загружено
позиций
25 067 862