Типовые схемы транзисторных ключей

Формирователи импульсов управления с раздельной передачей энергии и информационного сигнала

Трансформаторные ФИУ для ключей с изолированным затвором

Трансформаторные ФИУ биполярных транзисторов

Схемные варианты трансформаторных ФИУ биполярных транзисторов сводятся к двум основным режимам: постоянный ток управления (ток базы) при изменении тока нагрузки и пропорциональное изменения тока управления с изменением тока нагрузки. Для импульсного трансформатора это означает, что в первом случае он используется как трансформатор напряжения, а во втором как трансформатор тока. С энергетической точки зрения пропорциональное управление более выгодно, поскольку при постоянном токе управления расходуется избыточная мощность. Пропорциональное токовое управление кроме того позволяет поддерживать насыщенное состояние транзистора при различных нелинейных нагрузках, вызывающих изменение выходного тока ключа.

Поскольку в ключевых приборах с изолированным затвором потери во входной цепи минимальны, импульсные трансформаторы могут быть эффективно применены для управления в высокочастотных схемах мостовой конфигурации или в схемах с заземленной нагрузкой.

Основными проблемами применения трансформаторных ФИУ для ключей с изолированным затвором являются:

1. Зависимость амплитуды импульса управления от скважности – при увеличении относительной длительности импульса происходит уменьшение его амплитуды, так как площади положительной и отрицательной части передаваемого сигнала на интервалах открытого и закрытого состояния ключа равны друг другу.

2. Ограничение максимальной и минимальной длительности передаваемого сигнала вследствие возможности магнитного насыщения сердечника при максимальной длительности (не более 100…200мкс) и ограничения скорости нарастания тока в силовом ключе (единицы микросекунд) и ухудшения динамики выключения из-за недостаточной энергии, запасенной в обмотках трансформатора.

3. Зависимость стабильности времени выключения от длительности входного сигнала.

При рассмотрении структуры формирователей данного типа можно выделить три основных части:

1. Схема потенциальной развязки информационного канала.

2. Схема усилителя импульсов управления.

3. Схема обеспечения усилителя питанием.

Чаще всего потенциальная развязка осуществляется с помощью оптронов диодного или транзисторного типа. По сравнению со схемами на основе импульсных трансформаторов они имеют возможность передачи непрерывных сигналов информации и высокую помехозащищенность оптического канала. К недостаткам оптронной развязки можно отнести температурную нестабильность параметров, низкий коэффициент передачи тока (у диодных оптронов), большую задержку передачи сигналов (у транзисторных оптронов). Эти проблемы решаются за счёт использования диодных оптронов совместно с усилительным быстродействующим транзистором. Максимальный входной ток оптрона, составляет 10…20 мА, хорошо согласуется с нагрузкой интегральных микросхем, используемых в управляющем блоке преобразователя, в том числе и с современными микроконтроллерами.

Напряжение изоляции современных оптронов составляет 2500В. На более высокие рабочие напряжения используется оптопара, в которой связь между излучателем и фотоприёмником осуществляется с использованием световодов.

В системах с широким диапазоном изменения рабочих температур вместо оптронов желательно использовать импульсные трансформаторы. Для исключения зависимости от длительности информационного сигнала используют режим пакетной передачи высокочастотных сигналов, при этом длительность пакета соответствует длительности импульса управления.

Усилитель импульсов управления, формирующий выходные сигналы заданной формы и мощности и изготовленный в виде отдельной интегральной схемы, называется драйвером.

Структурная схема драйвера содержит входной узел, принимающий сигнал информационного канала, узел согласования, преобразующий информационный сигнал в сигнал управления необходимого уровня, и выходной узел, осуществляющий окончательное формирование импульса управления требуемой формы и мощности.

Выходные узлы и узлы согласования драйверов всех типов трансформаторов строятся примерно по идентичным схемам: фотоприёмное устройство оптопары и один или несколько ключевых транзисторов с высоким коэффициентом усиления по току и повышенным быстродействием. Выходные узлы определяются характеристиками цепи управления силового ключа и зависимостью временных параметров от режима управления.

Для биполярного транзистора выходной узел должен обеспечить следующее:

1. Так как биполярный транзистор управляется током, то во входной цепи ключа необходимо реализовать режим источника тока.

2. Для уменьшения времени нарастания силового тока и динамических потерь при включении желательно осуществлять форсированный режим включения с последующим спадом амплитуды тока до уровня гарантированного насыщения.

3. Для уменьшения задержки выключения и фронта спада силового тока желательно увеличить запирающий ток базы.

4. Для уменьшения глубины насыщения транзистора следует применить нелинейную обратную связь между входом и выходом ключа.

5. Для увеличения допустимого напряжения ключа после его запирания желательно поддерживать небольшое отрицательное смещение.

Выходной узел драйвера, управляющего изолированным затвором, должен соответствовать следующим требования:

1. МДП - транзисторы и IGBT – это приборы, управляемые напряжением, однако для увеличения входного напряжения до оптимального уровня (12…15В) необходимо обеспечить в цепи затвора соответствующий заряд.

2. Динамические характеристики переключения определяются скоростью перезаряда емкостей транзистора. Минимальные времена обеспечиваются в режиме перезаряда постоянным динамическим током.

3. Для ограничения скорости нарастания тока в режиме малых нагрузок необходимо использовать последовательные сопротивления в цепях затвора.

4. Для защиты транзисторов от динамических скачков выходных напряжений следует использовать отрицательное смещение в цепи затвора в закрытом состоянии ключа.

Как правило, драйверы являются законченными устройствами, готовыми к применению для конкретного типа транзисторов, и их подключение не вызывает особых проблем.