Управление мощной нагрузкой

Введение

Семейство p-канальных MOSFET-транзисторов компании IXYS обладает всеми основными преимуществами сопоставимых n-канальных MOSFET, такими как очень быстрое переключение, управление с помощью уровня напряжения затвора, простота параллельного соединения и высокая температурная стабильность. Оптимизация паразитного p-n-p-транзистора позволила получить приборы с отличной стабильностью к лавинному пробою . По сравнению с n-канальными силовыми MOSFET со схожей топологией, p-канальные транзисторы имеют лучшую FB-SOA (область безопасной работы при прямом токе) и практически имеют иммунитет к феномену одиночного эффекта выгорания (Single Event Burnout — открытие паразитного биполярного транзистора под воздействием космического излучения: приводит к разрушению прибора) . Но главным преимуществом p-канальных силовых MOSFET является простота управления в схемах верхнего ключа .

Источник питания для управления p-канальным транзистором в схеме верхнего ключа может быть однополярным, в то время как управление n-канальным MOSFET в схеме верхнего ключа требует наличия либо изолированного драйвера, либо импульсного трансформатора, который во многих случаях может работать некорректно. Более того, во многих случаях драйвер нижнего ключа может успешно управлять p-канальным MOSFET в верхнем включении. Такое решение часто позволяет упростить драйвер и снизить общую итоговую стоимость изделия. Главный же недостаток p-канальных MOSFET — более высокое сопротивление в открытом состоянии (R_ds(on)) по сравнению с n-канальными транзисторами. Это означает, что стоимостная эффективность решения на p-канальных MOSFET напрямую связана с оптимизацией по параметру R_ds(on) .

Рис. 1. MOSFET
а) p-канальный;
б) n-канальный

Компания IXYS разработала два семейства p-канальных MOSFET, перекрывающих диапазон напряжений от –50 до –600 В и диапазон токов I_D25 от –10 до –170 А. Таблица для выбора находится на сайте www.ixyspower.com. p-канальные Trench MOSFET в диапазоне от –50 до –150 В предлагают очень низкое сопротивление канала в открытом состоянии, низкий заряд затвора, быстрое переключение и быстрый встроенный диод. Планарные p-канальные MOSFET семейства Polar имеют превосходные динамические и статические характеристики в области напряжений от –100 до –600 В. Оба семейства доступны в лучших в отрасли изолированных корпусах семейства ISOPLUS.

Защитные и контрольные функции драйверов

Защита силовых ключей от разного рода аварийных ситуаций является одной из важнейших функций схемы управления. Для ее реализации драйверы снабжаются блоками оперативного мониторинга перегрузки по току и КЗ, перенапряжения на коллекторе и затворе, перегрева, а также падения напряжения управления V_GG+/V_GG-.

Защита от перегрузки по току

Измерение тока коллектора/стока производится с помощью резистивных шунтов, токовых трансформаторов, индукционных сенсоров и т. д. Одним из самых распространенных методов мониторинга состояния токовой перегрузки является измерение напряжения насыщения транзистора. Выход из насыщения (Desaturation), при котором величина V_CEsat достигает определенного порога, рассматривается как аварийная ситуация. При этом драйвер блокирует силовые транзисторы и формирует сигнал неисправности ERROR, который через изолирующий барьер передается на входной каскад и далее на контроллер. Интеллектуальные модули высокой степени интеграции (например, SKiiP компании SEMIKRON) имеют в своем составе датчики тока, информация с которых используется схемой защиты вместе с напряжением насыщения, что позволяет сократить время реакции и отключить IGBT при меньшем уровне перегрузки.

Защита от перенапряжения на затворе

Функцию ограничения напряжения на затворе рекомендуется реализовывать в любом драйвере, независимо от наличия аварийной ситуации. Кроме защиты затвора от пробоя, это позволяет ограничить ток КЗ. Подробнее данный вопрос будет рассмотрен далее.

Защита от перенапряжения на коллекторе (стоке)

Ограничение напряжения на силовых терминалах может осуществляться самим модулем (большинство MOSFET обладает стойкостью к лавинному пробою), внешними пассивными снабберами, а также активными цепями, переводящими транзистор в линейный режим при возникновении опасного перенапряжения.

В ряде интеллектуальных модулей (например, SKiiP) реализована функция запрета коммутации при достижении напряжением DC-шины порогового уровня. Эта опция не способна защитить от внешних перенапряжений, однако она позволяет исключить влияние коммутационных выбросов в критических режимах, что существенно повышает надежность работы преобразовательного устройства. Мониторинг напряжения питания производится «квази-изолированным» датчиком на основе высокоомного дифференциального усилителя, передающего аналоговый сигнал, пропорциональный V_DC, на схему управления. Если величина V_DC превышает заданный уровень, силовые транзисторы отключаются, и схема защиты формирует сигнал неисправности. В ряде случаев параллельно цепи питания инвертора устанавливается тормозной чоппер, активно разряжающий конденсаторы звена постоянного тока при опасном увеличении напряжения. Такая схема чаще всего применяется в приводах, где используется режим динамического торможения (электротранспорт, лифты и т. д.).

Защита от перегрева

Температура силовых кристаллов, а также изолирующей подложки рядом с чипами, корпуса модуля и радиатора может быть определена расчетным методом или с помощью сенсоров. Если термодатчик гальванически изолирован, то его выходной сигнал передается на схему управления и используется для отключения силового каскада и формирования сигнала неисправности.

Защита от падения напряжения управления V_GG+, V_GG- (Under Voltage LockOut, UVLO)

Падение напряжения питания выходного каскада драйвера и, соответственно, уровня V_GE нежелательно по многим причинам. В первую очередь при этом возрастает опасность перехода ключа в линейный режим работы и резкого увеличения рассеиваемой мощности. Кроме того, в этом случае теряется управляемость: транзистор не может быть полностью открыт или заблокирован. Мониторинг критического состояния производится путем измерения величин V_GG+, V_GG- с последующим отключением силового каскада при их снижении до опасного уровня.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать
нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент может
быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных
транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый
транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая
схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты двух транзисторов умножаются, что
позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить
эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток
база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры
таких транзисторов приведены в таблице.

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Драйвер двигателя на полевых сборках

Для построения драйвера маломощного двигателя при конструировании устройств автоматики или робототехники необязательно покупать специализированные микросхемы. Собрать достаточно мощное устройство управления можно и на простых полевых транзисторах, а еще лучше, на полевых комплементарных сборках.

Рисунок 1. Драйвер двигателя на транзисторных сборках

В качестве примера на рисунке 1 приведена схема драйвера на двух сборках IRF7105. Управление двигателем производится высоким уровнем (не менее половины напряжения питания) по входам «вправо», «влево». При отсутствии сигнала двигатель остановлен, наличие одновременно обоих сигналов не допускается.

Рисунок 2. Состав и цоколевка транзисторной сборки IRF7105

При использовании указанной сборки драйвер может управлять двигателем на напряжение до 12 В (максимльно допустимое напряжение исток-сток – 25 В) при токе в 1.5 А. Дроссели Др1 и Др2 – помехозащитные. Для их изготовления на ферритовые кольца диаметром 7-10 мм нужно намотать по 15 витков обмоточного провода диаметром 0.3 мм.

Рисунок 3. Драйвер двигателя на полевых транзисторах

Вполне очевидно, что подобный драйвер можно собрать и на отдельных полевых транзисторах (рисунок 3). Единственно, нужно брать приборы с индуцированным каналом, способные работать в режиме ключей и, конечно, они должны выдерживать ток и напряжение питания двигателя. Диоды VD1-VD4 защищают полевые транзисторы от обратного тока самоиндукции двигателя при его отключении.

“Универсальное” электромагнитное реле

Электромагнитное реле является по сути управляемым механическим выключателем: подали на него ток – оно замкнуло контакты, сняли ток – разомкнуло. Контакты являются именно контактами: металлическими “пятаками”, которые прижимаются друг к другу. Именно поэтому такое реле может управлять как нагрузкой постоянного, так и переменного тока.

Сама катушка реле является неслабой индуктивной нагрузкой, что приводит к дополнительным проблемам (читай ниже), поэтому для управления “голым” реле нам понадобится дополнительная силовая и защитная цепь.

После изучения данного урока вы сами сможете её составить (транзистор и диод), а сейчас мы поговорим о модулях реле: готовая плата, на которой стоит само реле, а также цепи коммутации, защиты и даже оптическая развязка. Такие модули бывают “семейными” – с несколькими реле на борту. Спасибо китайцам за это! Смотрите варианты у меня в каталоге ссылок на Али.

Такое реле сделано специально для удобного управления с микроконтроллера: пины питания VCC (Vin, 5V) и GND подключаются к питанию, а далее реле управляется логическим сигналом, поданным на пин IN. С другой стороны стоит клеммник для подключения проводов, обычно контакты подписаны как NO, NC и COM. Это общепринятые названия пинов кнопок, переключателей и реле:

• COM – Common, общий. Реле является переключающим, и пин COM является общим.
• NO – Normal Open, нормально открытый. При неактивном реле данный контакт не соединён с COM. При активации реле он замыкается с COM.
• NC – Normal Closed, нормально закрытый. При неактивном реле данный контакт соединён с COM. При активации реле он размыкается с COM.

Подключение нагрузки через реле думаю для всех является очевидным:

Важный момент: катушка реле в активном режиме потребляет около 60 мА, то есть подключать больше одного модуля реле при питании платы от USB не рекомендуется – уже появятся просадки по напряжению и помехи:

Такие модули реле бывают двух типов: низкого и высокого уровня. Реле низкого уровня переключается при наличии низкого сигнала (GND) на управляющем пине . Реле высокого уровня соответственно срабатывает от высокого уровня . Какого типа вам досталось реле можно определить экспериментально, а можно прочитать на странице товара или на самой плате. Также существуют модули с выбором уровня:

На плате, справа от надписи High/Low trigger есть перемычка, при помощи которой происходит переключение уровня. Электромагнитное реле имеет ряд недостатков перед остальными рассмотренными ниже способами, вы должны их знать и учитывать:

• Ограниченное количество переключений: механический контакт изнашивается, особенно при большой и/или индуктивной нагрузке.
• Противно щёлкает!
• При большой нагрузке реле может “залипнуть”, поэтому для больших токов нужно использовать более мощные реле, которые придётся включать при помощи… маленьких реле. Или транзисторов.
• Необходимы дополнительные цепи для управления реле, так как катушка является индуктивной нагрузкой, и нагрузкой самой по себе слишком большой для пина МК (решается использованием китайского модуля реле).
• Очень большие наводки на всю линию питания при коммутации индуктивной нагрузки.
• Относительно долгое переключение (невозможно поставить детектор нуля, читай ниже), при управлении индуктивными цепями переменного тока можно попасть на большой индуктивный выброс, необходимо ставить искрогасящие цепи.

Важный момент связан с коммутацией светодиодных светильников и ламп, особенно дешёвых: у них прямо на входе стоит конденсатор, который при резком подключении в цепь становится очень мощным потребителем и приводит к скачку тока. Скачок может быть настолько большим, что 15-20 Ваттная светодиодная лампа буквально сваривает контакты реле и оно “залипает”! Данный эффект сильнее выражен на дешёвых лампах, будьте с ними аккуратнее (за инфу спасибо DAK). При помощи реле можно плавно управлять сильно инерционной нагрузкой, такой как большой обогреватель. Для этого нужно использовать сверхнизкочастотный ШИМ сигнал, у меня есть готовая библиотека. Не забываем, что реле противно щёлкает и изнашивается, поэтому для таких целей лучше подходит твердотельное реле, о котором мы поговорим ниже.

Особенности применения драйверов на примере устройства МД2ХХХ

Краткий обзор

Модули драйвера МД215, МД250, МД280, МД215П, МД250П, МД280П — универсальные модули управления, предназначенные для переключения IGBT и мощных полевых транзисторов.

Все типы МД2ХХХ имеют взаимно совместимые контакты и отличаются только уровнем максимального импульсного тока.

Типы МД с более высокими мощностями — МД250, МД280, МД250П, МД280П хорошо подходят для большинства модулей или нескольких параллельно соединенных транзисторов, используемых на высоких частотах.

Модули драйвера ряда МД2ХХХ представляют собой полное решение проблем управления и защиты для IGBT и мощных полевых транзисторов. Фактически никакие дополнительные компоненты не требуются ни во входной, ни в выходной части.

Действие

Изменение выходного напряжения драйвера от +18 до –5 В в зависимости от управляющего сигнала позволяет надежно управлять IGBT-модулями любой мощности и от любого производителя. Благодаря большой устойчивости к помехам, достигнутой использованием отрицательного управляющего напряжения, несколько полевых или IGBT-модулей могут соединяться параллельно без возможного паразитного действия переключений и колебаний.

Модули драйвера МД215, МД250, МД280, МД215П, МД250П, МД280П для каждого из двух каналов содержат:

• входную схему, обеспечивающую согласование уровней сигналов и защитную задержку переключения;
• электрическую изоляцию между входной схемой и силовой (выходной) частью;
• схему управления затвором транзистора; на открытом транзисторе;
• схему контроля уровня напряжения питания силовой части драйвера;
• усилитель мощности;
• защиту от выбросов напряжения в выходной части драйвера;
• электрически изолированный источник напряжения — конвертер DC//DC (только для модулей с индексом П)

Оба канала драйвера работают независимо друг от друга.

Благодаря электрической изоляции, осуществляемой с помощью трансформаторов и оптронов (подвергаемых испытательному напряжению 2650 В переменного напряжения частотой 50 Гц в течении 1 мин.) между входной схемой и силовой частью, а также чрезвычайно высокой скоростью нарастания напряжения — 30 кВ/мкс, модули драйверов применяются в схемах с большими потенциальными напряжениями и большими потенциальными скачками, происходящими между силовой частью и схемой контроля (управления).

Очень короткие времена задержки драйверов ряда МД2ХХХ позволяют использовать их в высокочастотных источниках питания, высокочастотных конвертерах и конвертерах резонанса. Благодаря чрезвычайно коротким временам задержки они гарантируют безаварийную работу при управлении мостом.

Одна из основных функций драйверов ряда МД2ХХХ — гарантия надежной защиты управляемых силовых транзисторов от короткого замыкания и перегрузки. Аварийное состояние транзистора определяется с помощью напряжения на коллекторе силового транзистора в открытом состоянии. Если превышен порог, определенный пользователем, силовой транзистор выключается и остается заблокированным до окончания активного уровня сигнала на управляющем входе. После этого транзистор может быть снова включен подачей активного уровня на управляющий вход. Эта концепция защиты широко используется для надежной защиты IGBT-транзисторов.

Поведение транзисторов

Несмотря на доступность широчайшего выбора диапазонов рабочих напряжений и токов мощных транзисторов, выпускаемых в разнообразных корпусах и обеспеченных технической поддержкой производителей, каждому из трех видов транзисторов – биполярным, MOSFET и IGBT – присуще свое поведение, определяющее области их применения. Благодаря дешевизне в больших партиях (например, стоят от 12 до 15 центов за штуку), 100-вольтовые биполярные транзисторы широко используются для получения напряжений ±40 В в усилителях мощности звукового диапазона. (В биполярные транзисторы для аудиоприложений некоторые производители встраивают цепи автоматического смещения).

Между тем, 600-вольтовые IGBT можно найти дома в электроприводах бытовой техники, подключенной к сети переменного тока 220 В, например, в стиральных машинах или сушилках. Основная область применения мощных MOSFET – безусловно, импульсные источники питания. В них транзисторы на напряжения 25, 30 или 40 В, называемые «низковольтные MOSFET», используются для получения питающих напряжений 5 или 12 В, необходимых компьютерам и телекоммуникационной аппаратуре.

Хотя и не всегда, инженеры склонны выбирать транзисторы с запасом по току и напряжению. Вы можете заметить, что в стиральной машине, которая подключается к сети 220 В, используются IGBT, рассчитанные на 600 или 650 В, а в силовых цепях плат серверных модулей, питающиеся от 5.0 В или 3.3 В, установлены MOSFET, допустимые напряжения которых начинаются с 30 В. И, наконец, на стереодинамики работают 100- и 200-вольтовые биполярные транзисторы.

Такой запас позволяет быть уверенным, что наши системы не останутся без источников питания. Кроме того, он защищает от резких выбросов напряжения и скачков тока. (Автомобильное оборудование особенно подвержено выбросам, и для того, чтобы справиться с бросками в 150 В, выбираются компоненты, рассчитанные на 400 В).

Убедить инженеров отказаться от чрезмерного запаса по предельным параметрам, в конечном счете, могут постоянное сглаживание, фильтрация и стабилизация на протяжении всей цепи прохождения питания. Такой подход затронул бы архитектуру вычислительных серверов, где такие производители, как, например, IBM и NTT DOCOMO выступают за распределительные сети 385 В постоянного тока для мегаваттных дата-центров и 48 В как промежуточное напряжение для стоек и шкафов. Это позволило бы разработчикам сузить границы предельных параметров мощных компонентов и, например, использовать меньшие по размерам и более дешевые 60-вольтовые компоненты в тех слотах, где раньше служили компоненты с допустимым напряжением 100 В

При этом инженеры должны обращать внимание на области безопасной работы (safe operating areas – SOA) тех транзисторов, которые они надеются использовать

Как проверить полевой транзистор мультиметром и специальным тестером

Автор С Косенко из Воронежа в журнале Радио №1 за 2005 год показал свою разработку прибора проверки полевых транзисторов. Его имя: ППТ-01. Он объяснил принципы его работы, сборки, наладки, эксплуатации доступным языком.

Новичкам это все должно быть интересно, советую читать такие журналы и больше экспериментировать. Вам нужен практический опыт.

Сейчас подобные приборы выпускаются промышленным способом. Они позволяют проверять транзисторы, тиристоры, симисторы и другие электронные компоненты, точно узнать каждый параметр.

Доступная цена и широкие возможности этих тестеров обеспечивают их популярность. Ведь вся проверка сводится к установке выводов полупроводника в контактные гнезда и нажатию кнопки: результат автоматически отображается на дисплее.

Однако все эти операции вполне можно выполнить обычным цифровым мультиметром или аналоговым стрелочным тестером. Для этого нам потребуется посмотреть заводскую маркировку и найти по ней технические характеристики, определиться с конструкцией (JFET или MOSFET) и проводимостью канала.

Затем нужно вспомнить устройство своего мультиметра или тестера, перевести его в режим прозвонки либо измерения сопротивлений (для аналоговых приборов).

На моем карманном MESTEK MT-102 плюс присутствует на красном щупе, а минус — на черном. У вас скорее всего аналогично, но проверьте. Знак дисплея 0L (или 1 на других моделях) означает величину сопротивления (∞), которая превышает предназначенный диапазон измерения.

Проверку выполняем двумя этапами, последовательно соблюдая очередь:

1. оцениваем исправность цепи сток-исток или, более точно, встроенного диода;
2. анализируем открытие и закрытие выходной цепи при подаче управляющего сигнала.

Режим проверки №1

Перед началом работы кратковременно зашунтируйте все выводы полевика. Этим действием убирается возможный потенциал на его электродах, который может помешать замеру.

Результаты измерений на табло показываю для исправного мосфета. У поврежденного переходы будут отличаться: пробиты или оборваны.

На картинке показываю два измерения для n-канального транзистора. Схему его собрата с p-каналом привел для образца в правом нижнем углу. Действия для него аналогичны, а результат зависит от проводимости.

При первом замере ставим красный щуп с потенциалом плюса на сток, а черный на исток. Если диод исправен, то показания на приборе будут порядка 400-600. Это величина падения напряжения в милливольтах. Таким способом мультиметр в режиме прозвонки оценивает состояние полупроводникового перехода p-n полярности.

Для второго замера меняем щупы местами. Диод закрыт, его огромное сопротивление показывается как 0L.

Очередность этих замеров можно произвольно изменять.

Проверка мосфета положительной проводимости проводится аналогично, а индикацию на табло вам подскажет направление встроенного диода на рисунке.

Режим проверки №2

Оставляем черный щуп на истоке, а красный переставляем на затвор. Этим действием мы подаем ему положительный потенциал с мультиметра. На табло будет отображаться 0L, но транзистор должен открыться.

Проверяем открытие перестановкой красного щупа на сток. Изменение показаний на табло (единицы или десятки) станет достоверной информацией об его открытии. В этом можно убедиться, поменяв щупы между стоком и истоком. Показания останутся примерно в тех же пределах.

Теперь потребуется закрыть мосфет. Смотрим на замер №3: красный щуп ставим на исток, черный — затвор. Показание 0L.

Логика проверки p-канального типа полевика аналогична. Только надо помнить, что он открывается подачей отрицательного напряжения на затвор относительно истока, то есть «прижимается к земле».

Убедившись в исправности встроенного диода, открытии и закрытии силового перехода сток-исток, можно сделать вывод об исправности МДП транзистора.

Однако описанный метод не во всех случаях может обеспечить достоверные результаты. И дело здесь кроется в конструкции вашего мультиметра. Его выходного напряжения может просто не хватить для подачи отпирающего или запирающего потенциала на затвор.

Поэтому более достоверную проверку выполняют двумя мультиметрами:

• одним контролируют состояние перехода сток-исток;
• вторым управляют потенциалом на затворе.

Естественно, что заменить один из мультиметров можно самодельным источником напряжения, например, двумя батарейками АА (3 вольта) или омметром с предварительно оцененными характеристиками.

Принцип таких измерений показывает в своем видеоролике Дмитрий Гильмутдинов. Рекомендую посмотреть.

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не
требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель,
который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в
воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё
один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то
обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая
магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при
отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение
обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или
даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени
относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем
сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не
понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько
усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток
только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание
контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить
резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него
идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле
перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор
R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять,
например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения
реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Примеры симисторов

Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь — ток удержания,
— максимальный ток, — максимальное напряжение,
— отпирающий ток.

Реле

С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой,
причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно
использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также
улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле
HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать
нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается
несколькими недостатками:

• это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
• меньшая скорость переключения,
• сравнительно большие токи для переключения,
• контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных
реле. Это,
фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой,
содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Заключение

Таким образом, в арсенале у нас достаточно способов управления
нагрузкой, чтобы решить практически любую задачу, которая может
возникнуть перед радиолюбителем.

Полезные источники

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
8. Управление MOSFET-ами #1
9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
10. Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Драйвер на двух транзисторах для управления затвором полевого транзистора

У полевых MOSFET транзисторов между затвором и истоком есть паразитный конденсатор,его емкость в даташите указывают как Ciss.У транзистора IRFB5615 его емкость составляет 1750пФ,а сопротивление открытого канала 32 мОм при напряжении на затворе 10В. Эту паразитную емкость можно легко обнаружить,достаточно к стоку подключить лампу накаливания и к ней подать плюс питания,а к истоку подать минус питания.Если теперь дотронуться пальцем затвора и стока или истока,можно зарядить этот конденсатор и лампа будет светить до тех пор,пока этот конденсатор не разрядится.

Представим ситуацию,когда на выходе микроконтроллера есть ШИМ сигнал с высоким уровнем 5 Вольт.Подаем этот сигнал на затвор транзистора и паразитный конденсатор начинает заряжаться,но медленно,так как ток сигнала на выходе МК достигает примерно 20 мА.В итоге конденсатор полностью не зарядится или будет искажен сигнал и напряжение на затворе не будет 5 Вольт,хотя и этого мало для полного открытия транзистора.Транзистор начнет сильно нагреваться.Допустим,для заряда емкости в 1000пФ до 10 Вольт и время заряда 10 нС,требуется ток в 1 Ампер.

Конденсатор надо быстро заряжать и быстро разряжать,иначе транзистор нагревается или выйдет из строя.Чтобы это реализовать,требуется либо специальная микросхема-драйвер для управления полевыми транзисторами,или собрать простейший эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах.Такая схема производит усиление по току .

Когда сигнал будет высокого уровня,откроется транзистор Т1 и зарядит затвор полевого транзистора,паразитный конденсатор быстро зарядится.Когда сигнал будет низкого уровня,откроется Т2 и разрядит затвор мосфета. Проверял этот драйвер так: вместо мосфета поставил конденсатор 1000мкФ,питание на драйвер подал 9 Вольт.Теперь на базы транзисторов,через резистор 10 кОм подключал еще один источник питания и наблюдал по осциллографу заряд конденсатора.При плюсе на базах конденсатор заряжается,при минусе на базах конденсатор разряжается.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока
превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и
сопротивление сток — исток мало. Однако, напряжение при включении не
может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор
работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится
включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно
быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и
обратно.

Относительная медленность переключения транзистора связана опять же с
паразитной ёмкостью затвора. Чтобы паразитный конденсатор зарядился
как можно быстрее, нужно направить в него как можно больший ток. А так
как у микроконтроллера есть ограничение на максимальный ток выходов,
то направить этот ток можно с помощью вспомогательного биполярного
транзистора.

Кроме заряда, паразитный конденсатор нужно ещё и разряжать. Поэтому
оптимальной представляется двухтактная схема на комплементарных
биполярных транзисторах (можно взять, например, КТ3102 и КТ3107).

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального
транзистора — она расположена «сверху». Если расположить её между
транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение
затвор — исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется
не полностью и может перегреться и выйти из строя

Возможно, вам также будет интересно

Управление изолированным затвором: основные положения В общем случае процесс перезаряда емкостей затвора может контролироваться сопротивлением, напряжением и током (рис. 1) . На практике чаще всего используется самый простой вариант (рис. 1а) с двумя раздельными резисторами для режимов включения и выключения, при этом одним из наиболее важных параметров является уровень «Плато Миллера», соответствующий плоской части характеристики затвора (рис. 2). Скорость и время коммутации

В журнале «Силовая электроника» опубликованы следующие статьи цикла: Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть I Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть II Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть III Опыт моделирования систем силовой электроники в среде ORCAD 9.2. Часть IV Опыт моделирования систем

В статье обсуждается возможность снижения деградационных и ранних отказов силовых полупроводниковых тиристоров с диаметром полупроводникового кристалла 80 мм и более за счет применения технологии низкотемпературного спекания кремниевых элементов и молибденовых термокомпенсаторов. Исследованы сравнительные зависимости параметров VTO/rT, Rthjc, ITAV, ITSM от усилия сжатия для вариантов синтеринг/сплавление и стандартная катодная прокладка/катодная прокладка из молибдена с напыленным защитным интерфейсом, а также определен оптимальный конструктивно-технологический вариант с точки зрения снижения количества ранних отказов в процессе эксплуатации.

Похожие записи:

Radiohata.ru — портал радиолюбителя Что такое пусковой ток двигателя? Расчет заземления Cветодиодный (led) диммер 220в Чем отличается фара ксенона от галогена в 2020 году Частоты сольфеджио: что это такое и как их использовать?