Драйверы силовых транзисторов

Драйвер представляет собой усилитель мощности и предназначается для непосредственного управления силовым ключом (иногда ключами) преобразователя. Он должен усилить управляющий сигнал по мощности и напряжению и, в случае необходимости, обеспечить его потенциальный сдвиг.

Типовая схема включения драйвера верхнего и нижнего ключей с бутстрепным принципом питания приведена на рис. 3.1, а. Управление обоими ключами независимое. Высоковольтный плавающий источник образован конденсатором С1 и диодом VD1 (бутстрепный источник питания).

Подключение выходов драйвера к силовым транзисторам осуществляется при помощи затворных резисторов R_G1 и R_G2.

Поскольку драйвер построен на полевых элементах и суммарная мощность, расходуемая на управление, незначительна, то в качестве источника питания выходного каскада может использован конденсатор С1, подзаряжаемый от источника питания U_ПИТ через высокочастотный диод VD1. Конденсатор С1 и диод VD1 в совокупности образуют высоковольтный «плавающий» источник питания, предназначенный для управления верхним транзистором VT1 стойки моста. Когда нижний транзистор VT2 проводит ток, то исток верхнего транзистора VT1 подключается к общему проводу питания, диод VD1 открывается и конденсатор С1 заряжается до напряжения U_C1=U_ПИТ — U_VD1. Наоборот, когда нижний транзистор переходит в закрытое состояние и начинает открываться верхний транзистор VT1 (рис 3.1), диод VD1 оказывается подпертым обратным напряжением силового источника питания. В результате этого выходной каскад драйвера начинает питаться исключительно разрядным током конденсатора С1. Таким образом, конденсатор С1 постоянно «гуляет» между общим проводом схемы и проводом силового источника питания (точка 1).

Выберем драйвер для управления мощным ключом IRFS4229PBF (IR) (см. Табл. 3.1).

Таблица 3.1.

Условные обозначения к таблице:

VBS — используется для бутстрепного питания.

HIN — логический вход управления выходом драйвера верхнего уровня.

LIN — логический вход управления выходом драйвера нижнего уровня.

TTL, CMOS или TTL/CMOS — характеристика входного сигнала (TTL — ТТЛ, CMOS — КМОП).

UVLO (UnderVoltage LockOut) — присутствует пониженное напряжение блокировки.

SD (Shutdown) — присутствует входная логика отключения.

Схема драйвера IR2113 выполнена таким образом, что высокому логическому уровню сигнала на любом входе HIN и LIN соответствует такой же уровень на его выходе HO и LO (см. рис. 3.1 б, драйвер синфазный). Появление высокого уровня логического.

V_DD — питание логики микросхемы;

V_SS — общая точка логической части драйвера;

HIN, LIN — логические входные сигналы, управляющие верхним и нижним транзисторами соответственно;

Рис. 3.1. Типовая схема включения драйвера IR2113 (а) временные диаграммы его сигналов на входах и выходах (б)

SD — логический вход отключения драйвера;

V_CC — напряжение питания драйвера;

COM — отрицательный полюс источника питания V_CC;

HO, LO — выходные сигналы драйвера, управляющие верхним и нижним транзисторами соответственно;

V_B -напряжение питания высоковольтного «плавающего» источника;

V_S — общая точка отрицательного полюса высоковольтного «плавающего» источника.

Резисторы R_G1, R_G2 определяют время включения мощных транзисторов, а диоды VD_G1 и VD_G2, шунтируя эти резисторы, уменьшают время выключения до минимальных величин. Резисторы R₁, R₂ имеют небольшую величину (до 0,5 Ом) и выравнивают разброс омических сопротивлений вдоль общей шины управления (обязательны, если мощный ключ — параллельное соединение менее мощных транзисторов).

Диод VD1 должен выдерживать большое обратное напряжение (в зависимости от силового источника питания схемы), допустимый прямой ток примерно 1 А, время восстановления t_rr=10−100 нс, т. е быть быстродействующим. Поэтому подберем диод UF4007 характеристика которого предоставлена в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Емкость С1 — это бутстрепная емкость, минимальная величина которой может рассчитываться по формуле [8]:

.

где Q₃ — величина заряда затвора мощного ключа (справочная величина);

I_пит — ток потребления мощного ключа в статическом режиме (справочная величина, обычно I_пит? I_{G cт} мощного ключа);

Q₁ — циклическое изменение заряда драйвера (для 500−600 — вольтных драйверов 5 нК);

V_п — напряжение питания схемы драйвера;

— падение напряжения на бутстрепном диоде VD1;

Т — период коммутации мощных ключей.

С₁==13,26 нФ.

Полученное значение бутстрепной емкости необходимо увеличить в 10−15 раз (обычно С в пределах 0,1−1 мкФ). Это должна быть высокочастотная емкость с малым током утечки (в идеале — танталовая). Остановимся на танталовом конденсаторе TECAP С=0,15 мкФ., U = 25 В.

После выбора типа драйвера (и его данных) необходимы мероприятия по борьбе со сквозными токами в полумосте. Стандартный способ — выключение мощного ключа мгновенно, а включение запертого — с задержкой. Для этой цели применяют диоды VD_G1 и VD_G2, которые при закрывании VT шунтируют затворные резисторы, и процесс выключения будет быстрее, чем отпирание.

Кроме шунтирования затворных резисторов R_G1 и R_G2 с помощью диодов (VD_G1, VD_G2, рис. 3.1) для борьбы со сквозными токами в П-схеме мощного каскада фирмы выпускают интегральные драйверы, ассиметричные по выходному току включения VT I_{др вых mах вкл} и выключения I_{др вых mах выкл}. Этим задаются ассиметричные выходные сопротивления микросхемы, которые включены последовательно с затворными резисторами R_G1 и R_G2.

где все величины в формулах — справочные данные конкретного драйвера. Рассчитаем величины этих сопротивлений:

Для симметричного (по токам) драйвера справедливо равенство.

.

В структуре MOSFET транзистора присутствует три ёмкости: ёмкость затвор-исток (входная ёмкость), ёмкость исток-сток (выходная), затвор-сток (проходная При подаче напряжения на затвор величиной (15−20)В начинает по экспоненте заряжаться входная ёмкость и при напряжении 8−10 В в транзисторе будет появляться ток. Этот промежуток времени приводится в виде параметра задержки включения (рис. 3.2) при определённом сопротивлении в цепи затвора.

При появлении в структуре VT стокового тока входная ёмкость будет заряжаться по другой экспоненте, так как на этот процесс оказывает влияние выходная ёмкость, то в конечном итоге входная ёмкость накопит заряд Q (справочная величина). Выходной ток (уменьшение напряжения на электродах исток-сток) в основном будет зависеть от процессов в цепи, без существенного влияния тока затвора.

Время разряда ёмкости так же приводится в справочных параметрах VT в виде времени включения .

Итак, для предотвращения возникновения сквозных токов необходимо подобрать суммарную величину сопротивлений в цепи затвора (, и регулирует скорость заряда затворной емкости VT), чтобы обеспечить задержку включения транзистора больше или равным времени, затрачиваемое на закрывание VT (см рис. 3.2).

(3.1).

где — время спада тока стока (справочная величина);

— время запаздывания начала выключения VT по отношению к моменту подачи на затвор запирающего напряжения. При шунтирующих затворных диодах (VD_G1, VD_G2, рис. 3.1) скорость разряда однозначно определяется сопротивлением. Поэтому для определения решают следующую пропорцию, (пологая, что будет шунтироваться диодом VD_G).

(соответствует) ;

(соответствует) ;

Отсюда.

= 14 нс.

Если скорректированная величина будет на порядок больше, то это свидетельствует некорректному выбору типа драйвера по мощности (большое) и этим корректируется в худшую сторону быстродействие мощных ключей. Для окончательного определения величины можно воспользоваться техническими справочными данными мощного VT. Для этого составляется пропорция (соответствует) — (соответствует) ;

Отсюда.

— 8 = 27 Ом.

где рассчитывают в соответствии с (3.1).

Для оценки мощности резисторов следует использовать формулу.

.

где Q и Tизвестные величины. Отсюда:

Выберем МЛТ резистор номиналом 27 Ом с мощностью рассеивания P = 0.125 Вт.