Ovladače pro tranzistory mosfet. Ovládání výkonových spínačů MOSFET a IGBT. Ovladače pro řízení výkonných tranzistorů
MOP (buržoazně MOSFET) znamená Metal-Oxide-Semiconductor, z této zkratky je zřejmá struktura tohoto tranzistoru.
Pokud na prstech, pak má polovodičový kanál, který slouží jako jedna deska kondenzátoru a druhá deska je kovová elektroda umístěná přes tenkou vrstvu oxidu křemíku, což je dielektrikum. Když je na bránu přivedeno napětí, tento kondenzátor se nabije a elektrické pole brány přitáhne náboje do kanálu, v důsledku čehož se v kanálu objeví mobilní náboje, které mohou tvořit elektrický proud a odpor zdroje kolektoru klesá. ostře. Čím vyšší napětí, tím více nábojů a tím nižší odpor, v důsledku toho může odpor klesnout na nepatrné hodnoty - setiny ohmu, a pokud napětí dále zvýšíte, dojde k rozpadu oxidové vrstvy a Khan dojde k výskytu tranzistoru.
Výhoda takového tranzistoru oproti bipolárnímu je zřejmá - na hradlo je třeba přivést napětí, ale jelikož se jedná o dielektrikum, proud bude nulový, což znamená potřebnou výkon k ovládání tohoto tranzistoru bude mizivý, ve skutečnosti spotřebovává pouze v okamžiku sepnutí, kdy nabíjení a vybití kondenzátoru.
Nevýhoda vyplývá z jeho kapacitní vlastnosti - přítomnost kapacity na bráně vyžaduje velký nabíjecí proud při otevírání. Teoreticky se rovná nekonečnu v nekonečně malých časových obdobích. A pokud je proud omezen rezistorem, pak se bude kondenzátor nabíjet pomalu - z časové konstanty RC obvodu není úniku.
MOS tranzistory jsou P a N potrubí. Mají stejný princip, rozdíl je pouze v polaritě proudových nosičů v kanálu. V souladu s tím v různé směryřídicí napětí a zařazení do obvodu. Tranzistory jsou velmi často vyráběny ve formě komplementárních párů. To znamená, že existují dva modely s přesně stejnými charakteristikami, ale jeden z nich je N kanál a druhý je P kanál. Jejich označení se zpravidla liší o jednu číslici.
 |
Moje nejoblíbenější MOP tranzistory jsou IRF630(n kanál) a IRF9630(p kanál) najednou jsem jich vyrobil asi tucet od každého typu. Nemají příliš velké tělo TO-92 tento tranzistor dokáže skvěle protáhnout sám sebe až 9A. Jeho otevřený odpor je pouze 0,35 Ohm.
To je však docela starý tranzistor, nyní jsou například chladnější věci IRF7314, schopný unést stejných 9A, ale zároveň se vejde do pouzdra SO8 - velikosti notebookového čtverce.
Jeden z problémů s dokováním MOSFET tranzistor a mikrokontrolér (příp digitální obvod) spočívá v tom, že aby se tento tranzistor plně otevřel až do úplného nasycení, potřebuje na hradlo přivést o něco více napětí. Obvykle je to asi 10 voltů a MK může mít výstup maximálně 5.
Existují tři možnosti:
Obecně je však správnější nainstalovat ovladač, protože kromě hlavních funkcí generování řídicích signálů poskytuje také proudovou ochranu, ochranu proti průrazu, přepětí, jako další cetku optimalizuje rychlost otevírání na maximum, obecně nespotřebovává svůj proud nadarmo. Výběr tranzistoru také není příliš obtížný, zvláště pokud se neobtěžujete s omezovacími režimy. V první řadě by vás měla zajímat hodnota odtokového proudu - I Drain resp já D vyberte tranzistor na základě maximálního proudu pro vaši zátěž, nejlépe s rezervou 10 procent. Dalším důležitým parametrem pro vás je VGS- Saturační napětí Source-Gate nebo jednodušeji řídicí napětí. Někdy je to napsané, ale častěji se musíte podívat do tabulek. Hledá se graf výstupní charakteristiky Závislost já D z VDS v různých hodnotách VGS. A přijdete na to, jaký budete mít režim.
Například potřebujete napájet motor na 12 voltů, s proudem 8A. Podělal jsi ovladač a máš pouze 5V řídicí signál. První, co mě po tomto článku napadlo, bylo IRF630. Proud je vhodný s rezervou 9A oproti požadovaným 8. Ale podívejme se na výstupní charakteristiku:
Pokud budete na tomto spínači používat PWM, pak je třeba se informovat na časy otevření a sepnutí tranzistoru, vybrat ten největší a vzhledem k času vypočítat maximální frekvenci, které je schopen. Tato veličina se nazývá Zpoždění přepínače nebo t na,t off, obecně něco takového. Frekvence je 1/t. Je také dobré podívat se na kapacitu brány C iss Na jeho základě, stejně jako omezovacího rezistoru v obvodu hradla, můžete vypočítat časovou konstantu nabíjení obvodu hradla RC a odhadnout výkon. Pokud je časová konstanta větší než perioda PWM, pak se tranzistor neotevře/nezavře, ale bude viset v nějakém mezistavu, protože napětí na jeho hradle bude integrováno tímto RC obvodem do konstantního napětí.
Při manipulaci s těmito tranzistory mějte na paměti, že Nebojí se jen statické elektřiny, ale jsou VELMI SILNÉ. Proniknout závěrkou se statickým nábojem je více než možné. Tak jak jsem to koupil? ihned do fólie a nevyndávejte ji, dokud ji neuzavřete. Nejprve se uzemněte k baterii a nasaďte si alobal :).
Článek je věnován vývoji Electrum AV LLC pro průmyslové použití, jehož vlastnosti jsou podobné modulárním zařízením vyráběným společnostmi Semikron a CT Concept.
Určují moderní koncepce vývoje výkonové elektroniky, úroveň technologického základu moderní mikroelektroniky aktivní rozvoj systémy postavené na IGBT zařízeních různých konfigurací a výkonu. Ve státním programu „Národní technologická základna„Tomuto směru jsou věnovány dvě práce na vývoji řady středně výkonných IGBT modulů v podniku Kontur (Cheboksary) a řady výkonných IGBT modulů v podniku Kremnij (Brjansk). Současně je použití a vývoj systémů založených na modulech IGBT omezeno nedostatkem domácích ovladačů pro ovládání IGBT bran. Tento problém je relevantní také pro vysoce výkonné tranzistory s efektem pole používané v konvertorových systémech s napětím do 200 V.
V současné době jsou řídicí zařízení pro vysoce výkonné tranzistory s efektem pole a IGBT tranzistory na ruském „elektronickém“ trhu zastoupeny společnostmi Agilent Technologies, IR, Powerex, Semikron a CT Concept. Produkty IR a Agilent obsahují pouze kondicionér tranzistorového řídicího signálu a ochranné obvody a vyžadují, v případě práce s vysokovýkonnými tranzistory nebo na vysokých frekvencích, pro jejich aplikaci doplňkové prvky: DC/DC měnič požadovaného výkonu pro generování napájecích napětí pro koncové stupně, výkonné externí koncové stupně pro generování signálů ovládání hradla s požadovanou strmostí hran, ochranné prvky (zenerovy diody, diody atd.), prvky rozhraní řídicího systému ( vstupní logika, tvorba regulačních schémat pro polomůstky, opticky izolované stavové signály stavu řízeného tranzistoru, napájecí napětí atd.). Produkty Powerex také vyžadují DC/DC konvertor a pro přizpůsobení TTL, CMOS a optickým vláknům jsou nutné další externí komponenty. S galvanickým oddělením také nejsou nutné žádné stavové signály.
Funkčně nejúplnější ovladače jsou od Semikron (řada SKHI) a CT Concept (typy Standard nebo SCALE). Ovladače CT Concept řady Standart a ovladače SKHI jsou vyrobeny ve formě desek plošných spojů s konektory pro připojení k řídicímu systému a řízených tranzistorů s nainstalovanými potřebnými prvky a s možností instalace ladicích prvků spotřebitelem. Produkty jsou si podobné svými funkčními a parametrickými vlastnostmi.
Rozsah ovladačů SKHI je uveden v tabulce 1.
Tabulka 1. Nomenklatura řidičů SKHI
| Typ ovladače Semikron | Počet kanálů | Maximální napětí pro ovládání. tranzistor, V | Změna napětí brány, V | Max. výstup proud, A | Maximální náboj brány, µC | Frekvence, kHz | Izolační napětí, kV | DU/dt, kV/µs |
| SKHI 10/12 | 1 | 1200 | +15/–8 | 8 | 9,6 | 100 | 2,5 | 75 |
| SKHI 10/17 | 1 | 1700 | +15/–8 | 8 | 9,6 | 100 | 4 | 75 |
| SKHI 21A | 1 | 1200 | +15/–0 | 8 | 4 | 50 | 2,5 | 50 |
| SKHI 22A/22B | 2 | 1200 | +15/–7 | 8 | 4 | 50 | 2,5 | 50 |
| SKHI 22A/H4 | 2 | 1700 | +15/–7 | 8 | 4 | 50 | 4 | 50 |
| SKHI 22V/H4 | 2 | 1700 | +15/–7 | 8 | 4 | 50 | 4 | 50 |
| SKHI 23/12 | 2 | 1200 | +15/–8 | 8 | 4,8 | 100 | 2,5 | 75 |
| SKHI 23/17 | 2 | 1700 | +15/–8 | 8 | 4,8 | 100 | 4 | 75 |
| SKHI 24 | 2 | 1700 | +15/–8 | 8 | 5 | 50 | 4 | 50 |
| SKHI 26W | 2 | 1600 | +15/–8 | 8 | 10 | 100 | 4 | 75 |
| SKHI 26F | 2 | 1600 | +15/–8 | 8 | 10 | 100 | 4 | 75 |
| SKHI 27W | 2 | 1700 | +15/–8 | 30 | 30 | 10 | 4 | 75 |
| SKHI 27F | 2 | 1700 | +15/–8 | 30 | 30 | 10 | 4 | 75 |
| SKHI 61 | 6 | 900 | +15/–6,5 | 2 | 1 | 50 | 2,5 | 15 |
| SKHI 71 | 7 | 900 | +15/–6,5 | 2 | 1 | 50 | 2,5 | 15 |
| SKHIВS 01 | 7 | 1200 | +15/–8 | 1,5 | 0,75 | 20 | 2,5 | 15 |
Měniče CT Concept SCALE jsou vyrobeny na základě základní hybridní sestavy a obsahují hlavní prvky pro ovládání výkonných tranzistorů s efektem pole nebo IGBT, které jsou osazeny na desce plošných spojů, s možností instalace potřebných ladicích prvků. Deska je také vybavena potřebnými konektory a paticemi.
Řada základních hybridních sestav ovladačů SCALE od CT Concept je uvedena v tabulce 2.
Budicí zařízení vyráběná společností Electrum AV jsou zcela dokončená, funkčně kompletní zařízení obsahující všechny potřebné prvky pro ovládání hradel výkonných tranzistorů, poskytující potřebné úrovně přizpůsobení proudu a potenciální signály, doby trvání hran a zpoždění, jakož i potřebné úrovně ochrany řízených tranzistorů při nebezpečné úrovně saturační napětí (proudové přetížení nebo zkrat) a nedostatečné napětí hradla. Použité DC/DC měniče a tranzistorové koncové stupně mají potřebné kapacity k zajištění spínání řízených tranzistorů libovolného výkonu s dostatečnou rychlost zajišťující minimální spínací ztráty. DC/DC měniče a optočleny mají dostatečnou úroveň galvanické izolace pro použití ve vysokonapěťových systémech.
Tabulka 2. Nomenklatura základních hybridních sestav ovladačů SCALE od CT Concept
| Typ ovladače od CT Concept | Počet kanálů | Napájecí napětí ovladače, V | Max. výstupní proud, A | Maximální napětí na ovládání. tranzistor, V | Výstupní výkon, W | Latence, ns | Izolační napětí, V | du/dt, kV/μs | Vjezd |
| IGD 508E | 1 | ±15 | ±8 | 3300 | 5 | 225 | 5000 | sv | |
| IGD 515E | 1 | ±15 | ±15 | 3300 | 5 | 225 | 5000 | sv | |
| IGD 608E | 1 | ±15 | ±8 | 1200 | 6 | 60 | 4000 | >50 | Trans |
| IGD608A1 17 | 1 | ±15 | ±8 | 1700 | 6 | 60 | 4000 | >50 | Trans |
| IGD 615A | 1 | ±15 | ±15 | 1200 | 6 | 60 | 4000 | >50 | Trans |
| IGD615A1 17 | 1 | ±15 | ±15 | 1700 | 6 | 60 | 4000 | >50 | Trans |
| IHD 215A | 2 | ±15 | ±1,5 | 1200 | 1 | 60 | 4000 | >50 | Trans |
| IHD 280A | 2 | ±15 | ±8 | 1200 | 1 | 60 | 4000 | >50 | Trans |
| IHD280A1 17 | 2 | ±15 | ±8 | 1700 | 1 | 60 | 4000 | >50 | Trans |
| IHD 680A | 2 | ±15 | ±8 | 1200 | 3 | 60 | 4000 | >50 | Trans |
| IHD680A1 17 | 2 | ±15 | ±8 | 1700 | 3 | 60 | 4000 | >50 | Trans |
| IHD 580 F | 2 | ±15 | ±8 | 2500 | 2,5 | 200 | 5000 | sv |
Tento článek představí zařízení MD115, MD150, MD180 (MD115P, MD150P, MD180P) pro ovládání jednotlivých tranzistorů a také MD215, MD250, MD280 (MD215P, MD250P, MD280P) pro ovládání polomůstkových zařízení.
Modul ovladače pro jednokanálový IGBT a vysoce výkonné tranzistory s efektem pole: MD115, MD150, MD180, MD115P, MD150P, ID180P
Modul budiče MD115, MD150, MD180, MD115P, MD150P, MD180P je hybridní integrovaný obvod pro řízení IGBT a výkonných tranzistorů s efektem pole, a to i když jsou zapojeny paralelně. Modul poskytuje přizpůsobení proudových a napěťových úrovní s většinou IGBT a vysoce výkonných tranzistorů s efektem pole s maximálním přípustným napětím až 1700 V, ochranu proti přetížení nebo zkratu a proti nedostatečnému napětí na hradle tranzistoru. Ovladač generuje signál „alarm“, když je narušen provozní režim tranzistoru. Pomocí externích prvků se nakonfiguruje provozní režim řidiče optimální ovládání různé typy tranzistory. Budič lze použít k buzení tranzistorů s "Kelvinovými" výstupy nebo k řízení proudu pomocí rezistoru se snímáním proudu. Zařízení MD115P, MD150P, MD180P obsahují vestavěný DC/DC měnič pro napájení výstupních stupňů budiče. Zařízení MD115, MD150, MD180 vyžadují externí izolovaný zdroj napájení.
Přiřazení pinu
1 - "nouzové +" 2 - "nouzové -" 3 - "vstup +" 4 - "vstup -" 5 - "U power +" (pouze pro modely s indexem "P") 6 - "U power -" ( pouze pro modely s indexem “P”) 7 - “General” 8 - “+E power” 9 - “output” - ovládání tranzistorového hradla 10 - “–E power” 11 - “forward” - saturační napěťový řídicí vstup řízený tranzistor 12 - „proud“ - vstup pro sledování proudu protékajícího řízeným tranzistorem
Budicí moduly pro dvoukanálové IGBT a výkonové tranzistory s efektem pole IA215, IA250, IA280, IA215I, IA250I, IA280I
Budicí moduly MD215, MD250, MD280, MD215P, MD250P, MD280P - hybridní integrovaný obvod pro ovládání IGBT a výkonných tranzistorů s efektem pole přes dva kanály, a to jak nezávisle, tak v polomůstkovém zapojení, včetně při paralelní připojení tranzistory. Ovladač zajišťuje přizpůsobení úrovní proudu a napětí s většinou IGBT a vysoce výkonných tranzistorů s efektem pole s maximálním přípustným napětím až 1700 V, ochranou proti přetížení nebo zkratu a nedostatečnou úrovní napětí na hradle tranzistoru. Vstupy ovladače mají galvanická izolace z výkonové části s izolačním napětím 4 kV. Ovladač obsahuje interní DC/DC měniče, které tvoří potřebné úrovně pro ovládání hradel tranzistorů. Zařízení generuje potřebné stavové signály, které charakterizují provozní režim tranzistorů a také dostupnost napájení. Pomocí vnějších prvků se upravuje provozní režim budiče pro optimální ovládání různých typů tranzistorů.
Tabulka 4. Označení pinů dvoukanálového modulu IGBT ovladače a výkonových tranzistorů s efektem pole
| Pin č. | Označení | Funkce | Pin č. | Označení | Funkce |
| 14 | ВХ1 „+“ | Vstup přímého ovládání kanálu 1 | 15 | IR | Měřicí kolektor pro sledování saturačního napětí na řízeném tranzistoru prvního kanálu |
| 13 | 1 V „–“ | Inverzní řídicí vstup prvního kanálu | 16 | IR1 | Vstup řízení saturačního napětí s nastavitelným prahem a dobou blokování prvního kanálu |
| 12 | ST "+E pit" | Stav napájecího napětí koncového stupně prvního kanálu | 17 | Out2 | Výstup ovládání tranzistorového hradla s nastavitelnou dobou sepnutí řízeného tranzistoru prvního kanálu |
| 11 | SZ | Vstup pro připojení přídavného kondenzátoru (nastavení doby zpoždění zapnutí) prvního kanálu | 18 | Out1 | Výstup ovládání tranzistorového hradla s nastavitelnou dobou vypnutí řízeného tranzistoru prvního kanálu |
| 10 | ULICE | Stavový alarmový výstup na řízeném tranzistoru prvního kanálu | 19 | – Jáma E | |
| 9 | BLOK | Vstup zámku | 20 | Generál | Výstupy napájecího napětí výkonové části budiče prvního kanálu |
| 8 | Nezapojeno | 21 | +E jáma | Výstupy napájecího napětí výkonové části budiče prvního kanálu | |
| 7 | +5V | 22 | +E jáma" | ||
| 6 | Vstup pro připojení napájení ke vstupnímu obvodu | 23 | Generál" | Výstupy napájecího napětí výkonové části ovladače druhého kanálu | |
| 5 | ВХ2 „+“ | Vstup přímého ovládání kanálu 2 | 24 | -E pit" | Výstupy napájecího napětí výkonové části ovladače druhého kanálu |
| 4 | 2° „–“ | Inverzní řídicí vstup druhého kanálu | 25 | Out1" | Výstup ovládání tranzistorového hradla s nastavitelnou dobou sepnutí řízeného tranzistoru druhého kanálu |
| 3 | ST „+E jáma“9 | Stav napájecího napětí koncového stupně druhého kanálu | 26 | Out2" | Výstup ovládání tranzistorového hradla s nastavitelnou dobou vypnutí řízeného tranzistoru druhého kanálu |
| 2 | Sz9 | Vstup pro připojení přídavného kondenzátoru (nastavení doby zpoždění sepnutí) druhého kanálu | 27 | IK1" | Vstup řízení saturačního napětí s nastavitelným prahem a dobou blokování druhého kanálu |
| 1 | ST9 | Stavový alarmový výstup na řízeném tranzistoru druhého kanálu | 28 | IR" | Měřicí kolektor pro sledování saturačního napětí na řízeném tranzistoru druhého kanálu |
Zařízení obou typů MD1ХХХ a MD2ХХХ zajišťují generování řídicích signálů tranzistorových hradel se samostatně nastavitelnými hodnotami nabíjecích a vybíjecích proudů, s požadovanými dynamickými parametry, zajišťují napěťovou regulaci a ochranu tranzistorových hradel v případě nedostatečného nebo nadměrného napětí na jim. Oba typy zařízení monitorují saturační napětí řízeného tranzistoru a vytvářejí hladký nouzové vypnutí zátěže v kritických situacích, generování signálu s izolace optočlenu, což signalizuje. Kromě těchto funkcí mají zařízení řady MD1XXX schopnost řídit proud řízeným tranzistorem pomocí externího odporu pro měření proudu - „shuntu“. Takové odpory s odpory od 0,1 do několika mOhmů a výkony desítek a stovek W, vyrobené na keramických základech ve formě nichromových nebo manganinových proužků přesné geometrie s nastavitelnými nominálními hodnotami, byly také vyvinuty společností Electrum AV LLC. Více podrobné informace o nich lze nalézt na webových stránkách www.orel.ru/voloshin.
Tabulka 5. Základní elektrické parametry
| Vstupní obvod | ||||
| min. | typ. | Max. | ||
| Napájecí napětí, V | 4,5 | 5 | 18 | |
| Spotřeba proudu, mA | ne více než 80 bez zátěže ne více než 300 mA se zátěží | |||
| Vstupní logika | CMOS 3–15 V, TTL | |||
| Proud na řídicích vstupech, mA | ne více než 0,5 | |||
| Výstupní napětí st, V | ne více než 15 | |||
| Výstupní proud st, mA | minimálně 10 | |||
| Výstupní obvod | ||||
| Špičkový výstupní proud, A | ||||
| MD215 | ne více než 1,5 | |||
| MD250 | ne více než 5,0 | |||
| MD280 | ne více než 8,0 | |||
| Výstupní průměrný proud, mA | ne více než 40 | |||
| Maximální spínací frekvence, kHz | ne méně než 100 | |||
| Rychlost změny napětí, kV/µs | minimálně 50 | |||
| Maximální napětí na řízeném tranzistoru, V | ne méně než 1200 | |||
| DC/DC měnič | ||||
| Výstupní napětí, V | minimálně 15 | |||
| Výkon, W | ne méně než 1 ne méně než 6 (pro modely s indexem M) | |||
| Účinnost | alespoň 80 % | |||
| Dynamické vlastnosti | ||||
| Zpoždění vstupu výstupu t zapnuto, µs | ne více než 1 | |||
| Zpoždění ochranného vypnutí t off, µs | ne více než 0,5 | |||
| Stav zpoždění zapnutí, μs | ne více než 1 | |||
| Doba zotavení po spuštění ochrany, μs | ne více než 10 | |||
| alespoň 1 (nastaveno kapacitami Сt,Сt") | ||||
| Doba odezvy ochranného obvodu saturačního napětí při zapnutí tranzistoru tblock, μs | minimálně 1 | |||
| Prahová napětí | ||||
| min. | typ. | Max. | ||
| Ochranný práh pro nedostatečné napájení E, V | 10,4 | 11 | 11,7 | |
| Ochranný obvod saturačního napětí řízeného tranzistoru zajišťuje, že výstup je vypnutý a signál CT je generován při napětí na vstupu „IR“, V | 6 | 6,5 | 7 | |
| Izolace | ||||
| Izolační napětí řídicích signálů vzhledem k výkonovým signálům, V | ne méně než 4000 střídavé napětí | |||
| Izolační napětí DC/DC měniče, V | ne méně než 3000 DC napětí | |||
Navržené ovladače umožňují ovládat tranzistory na vysokých frekvencích (až 100 kHz), což umožňuje dosáhnout velmi vysoké účinnosti konverzních procesů.
Zařízení řady MD2ХХХ mají vestavěný vstupní logický blok, který umožňuje ovládat signály s různými hodnotami od 3 do 15 V (CMOS) a standardními úrovněmi TTL, přičemž poskytuje stejnou úroveň řídicích signálů tranzistorových hradel a tvoří doba spínacího zpoždění horního a vyššího napětí, nastavitelná pomocí externích kondenzátorů spodního ramene polovičního můstku, což zajišťuje absenci průchozích proudů.
Vlastnosti použití ovladačů na příkladu zařízení MD2ХХХ
Stručný přehled
Budicí moduly MD215, MD250, MD280, MD215P, MD250P, MD280P jsou univerzální řídicí moduly určené pro spínání IGBT a vysoce výkonných tranzistorů s efektem pole.
Všechny typy MD2ХХХ mají vzájemně kompatibilní kontakty a liší se pouze úrovní maximálního pulzního proudu.
Typy MD s více vysoký výkon- MD250, MD280, MD250P, MD280P se dobře hodí pro většinu modulů nebo několik paralelně připojených tranzistorů používaných na vysoké frekvenceÓ.
Ovladačové moduly řady MD2ХХХ jsou kompletní řešení problémy s řízením a ochranou pro IGBT a výkonové tranzistory s efektem pole. Ve skutečnosti nejsou potřeba žádné další komponenty na vstupní ani výstupní straně.
Akce
Moduly ovladače MD215, MD250, MD280, MD215P, MD250P, MD280P pro každý ze dvou kanálů obsahují:
- vstupní obvod, který zajišťuje přizpůsobení úrovní signálu a ochranné spínací zpoždění;
- elektrická izolace mezi vstupním obvodem a výkonovou (výstupní) částí;
- obvod ovládání hradla tranzistoru; na otevřeném tranzistoru;
- obvod pro sledování úrovně napájecího napětí výkonové části budiče;
- výkonový zesilovač;
- ochrana proti napěťovým rázům ve výstupní části budiče;
- elektricky izolovaný zdroj napětí - DC//DC měnič (pouze pro moduly s indexem P)
Oba kanály ovladače fungují nezávisle na sobě.
Díky elektrickému oddělení, které zajišťují transformátory a optočleny (vystaveno zkušebnímu napětí 2650 V AC při 50 Hz po dobu 1 minuty) mezi vstupním obvodem a výkonovou částí, je také extrémně vysoká rychlost nárůst napětí - 30 kV/µs, budící moduly se používají v obvodech s vysokým potenciálním napětím a velkými potenciálovými skoky mezi výkonovou částí a řídicím obvodem.
Velmi krátké doby zpoždění měničů řady MD2XXX umožňují jejich použití ve vysokofrekvenčních napájecích zdrojích, vysokofrekvenčních měničích a rezonančních měničích. Děkuji nesmírně krátké časy zpoždění zaručují bezproblémový provoz při ovládání mostu.
Jednou z hlavních funkcí měničů řady MD2ХХХ je zaručit spolehlivou ochranu řízených výkonových tranzistorů před zkratem a přetížením. Nouzový stav tranzistoru se zjišťuje pomocí napětí na kolektoru výkonového tranzistoru v otevřeném stavu. Pokud je překročena uživatelsky definovaná prahová hodnota, výkonový tranzistor se vypne a zůstane deaktivován, dokud neskončí aktivní úroveň signálu na řídicím vstupu. Poté lze tranzistor znovu zapnout přivedením aktivní úrovně na řídicí vstup. Tento koncept ochrany je široce používán pro spolehlivou ochranu IGBT.
Funkční přiřazení pinů
Kolíky 14 (VX1 „+“), 13 (VX1 „–“)
Piny 13 a 14 jsou řídicí vstupy ovladače. Řízení se provádí aplikací logických úrovní TTL na ně. Vstup In1 „+“ je přímý, to znamená, že když je na něj přivedena logická 1, výkonový tranzistor se otevře a při přiložení 0 se sepne. Vstup In1 „–“ je inverzní, to znamená, že když je na něj přivedena logická 1, výkonový tranzistor se sepne a při přiložení 1 se otevře. Typicky je In1 „–“ připojen ke společnému vodiči vstupní části budiče a je ovládán pomocí vstupu In1 „+“. Zapojení invertujícího a neinvertujícího ovladače je na obr. 10.
Tabulka 6 ukazuje stavový diagram jednoho kanálu ovladače.
Elektrická izolace mezi vstupní a výstupní částí budiče na těchto pinech je provedena pomocí optočlenů. Díky jejich použití je eliminována možnost vlivu přechodových dějů probíhajících na výkonovém tranzistoru na řídicí obvod.
Tabulka 6. Stavový diagram jednoho kanálu ovladače
| In1+ | In1– | Napětí hradla tranzistoru | Saturační napětí tranzistoru >normální | Ulice | St "+E pit" | Ven |
| X | X | + | X | X | L | L |
| x | x | x | + | l | N | l |
| l | x | x | x | x | N | l |
| x | H | x | x | x | H | l |
| H | l | - | - | H | H | H |
Vstupní obvod má vestavěnou ochranu, která zabraňuje současnému otevření obou výkonových tranzistorů polovičního můstku. Pokud je na řídicí vstupy obou kanálů přiveden aktivní řídicí signál, obvod se zablokuje a oba výkonové tranzistory se uzavřou.
Budicí moduly by měly být umístěny co nejblíže výkonovým tranzistorům a připojeny k nim co nejkratšími vodiči. Vstupy In1 „+“ a In1 „–“ lze připojit k řídicímu a monitorovacímu obvodu vodiči o délce až 25 cm.
Kromě toho musí vodiče běžet paralelně. Kromě toho lze vstupy In1 „+“ a In1 „–“ připojit k řídicímu a monitorovacímu obvodu pomocí kroucené dvoulinky. Společný vodič do vstupního obvodu musí být vždy pro oba kanály připojen samostatně, aby byl zajištěn spolehlivý přenos řídicích impulsů.
Vzhledem k tomu, že v případě velmi dlouhého pulsu dochází ke spolehlivému přenosu řídicích impulsů, je nutné v případě minimálně krátkého řídicího impulsu zkontrolovat kompletní konfiguraci.
Pin 12 (ST „+E pit“)
Pin 12 je stavový výstup, který potvrzuje přítomnost napájení (+18 V) na výstupní (výkonové) části budiče. Sestavuje se podle okruhu s otevřeným kolektorem. Na normální provoz ovladače (přítomnost napájení a jeho dostatečná úroveň), je stavový pin připojen na společný pin řídicí obvod pomocí otevřeného tranzistoru. Pokud je tento stavový výstup zapojen podle schématu na obr. 11, pak bude havarijní stav odpovídat vysoká úroveň napětí na něm (+5 V). Normální provoz ovladače bude konzistentní nízká úroveň napětí na tomto stavovém kolíku. Typická hodnota proudu protékajícího stavovým pinem odpovídá 10 mA, proto se hodnota odporu R vypočítá podle vzorce R = U / 0,01,
kde U je napájecí napětí. Při poklesu napájecího napětí pod 12 V se výkonový tranzistor vypne a budič se zablokuje.
Pin 11 (Сз)
Na kolík 11 je připojen další kondenzátor, který prodlužuje dobu zpoždění mezi vstupním a výstupním impulsem ton na budiči. Standardně (bez přídavného kondenzátoru) je tato doba přesně 1 µs, díky čemuž ovladač nereaguje na impulsy kratší než 1 µs (ochrana před impulsní hluk). Hlavním účelem tohoto zpoždění je eliminovat výskyt průchozích proudů vznikajících v polomostech. Proudy způsobují zahřívání výkonových tranzistorů, aktivaci nouzové ochrany, zvyšují spotřebu proudu a zhoršují účinnost obvodu. Zavedením tohoto zpoždění mohou být oba kanály ovladače zatíženého polovičním můstkem řízeny jediným signálem obdélníkové vlny.
Například modul 2MBI 150 má zpoždění vypnutí 3 μs, proto, aby se zabránilo vzniku průchozích proudů v modulu při společném ovládání kanálů, je nutné nainstalovat další kapacitu alespoň 1200; pF na obou kanálech.
Pro snížení vlivu okolní teploty na dobu zpoždění je nutné volit kondenzátory s nízkou TKE.
Pin 10 (ST)
Pin 10 je stavový výstup alarmu na výkonovém tranzistoru prvního kanálu. Vysoký logická úroveň výstup odpovídá normálnímu provozu řidiče a nízká úroveň odpovídá nouzovému stavu. K nehodě dojde, když saturační napětí na výkonovém tranzistoru překročí prahovou úroveň. Maximální proud procházející výstupem je 8 mA.
Pin 9 (BLOK)
Pin 6 je řídicí vstup ovladače. Když je na něj aplikována logická jednička, je činnost ovladače zablokována a do výkonových tranzistorů je přivedeno blokovací napětí. Blokovací vstup je společný pro oba kanály. Pro normální provoz ovladače musí být na tento vstup přivedena logická nula.
Pin 8 není použit.
Kolíky 7 (+5 V) a 6 (společné)
Piny 6 a 7 jsou vstupy pro připojení napájení k driveru. Napájení je přiváděno ze zdroje o výkonu 8 W a výstupním napětí 5 ± 0,5 V. Napájení musí být k budiči připojeno krátkými vodiči (pro snížení ztrát a zvýšení odolnosti proti rušení). Pokud mají připojovací vodiče délku větší než 25 cm, je nutné mezi ně umístit odhlučněné kondenzátory co nejblíže budiče (keramický kondenzátor o kapacitě 0,1 μF).
Pin 15 (IR)
Pin 15 (měřicí kolektor) je připojen ke kolektoru výkonového tranzistoru. Prostřednictvím něj je řízeno napětí na otevřeném tranzistoru. V případě zkratu nebo přetížení se napětí na otevřeném tranzistoru prudce zvýší. Když je překročena prahová hodnota napětí na kolektoru tranzistoru, výkonový tranzistor se vypne a spustí se stav alarmu ST. Časové diagramy procesů probíhajících v ovladači při spuštění ochrany jsou na obr. 7. Práh odezvy ochrany lze snížit zapojením diod zapojených do série a prahová hodnota saturačního napětí je U us. por.=7 –n U pr.VD, kde n je počet diod, U pr.VD je úbytek napětí na otevřené diodě. Pokud je výkonový tranzistor napájen ze zdroje 1700 V, je nutná instalace přídavná dioda průrazné napětí ne nižší než 1000 V. Katoda diody je připojena ke kolektoru výkonového tranzistoru. Dobu odezvy ochrany lze nastavit pomocí pinu 16-IK1.
Pin 16 (IC1)
Pin 16 (měřicí kolektor) na rozdíl od pinu 15 nemá vestavěnou diodu a omezovací rezistor. Je nutné připojit kondenzátor, který na základě saturačního napětí na otevřeném tranzistoru určuje dobu odezvy ochrany. Toto zpoždění je nutné, aby se zabránilo ovlivnění obvodu rušením. Připojením kondenzátoru se doba odezvy ochrany zvyšuje úměrně s blokovací kapacitou t = 4 C U us. por., kde C je kapacita kondenzátoru, pF. Tato doba se sčítá s vnitřní dobou zpoždění řidiče t off (10 %) = 3 μs. Standardně ovladač obsahuje kapacitu C = 100 pF, proto je zpoždění odezvy ochrany t = 4 100 6,3 + t off (10 %) = 5,5 μs. V případě potřeby lze tuto dobu prodloužit připojením kapacity mezi pin 16 a společný napájecí vodič napájecí jednotky.
Kolíky 17 (výstup 2) a 18 (výstup 1)
Piny 17 a 18 jsou výstupy ovladače. Jsou určeny pro připojení výkonových tranzistorů a nastavení doby jejich sepnutí. Pin 17 (out.2) dodává kladný potenciál (+18 V) do brány spravovaný modul a na pinu 18 (out. 1) - záporný potenciál (–5 V). Pokud je nutné zajistit strmé ovládací hrany (cca 1 μs) a nepříliš vysoký výkon zátěže (dva paralelně zapojené moduly 2MBI 150), je přípustné přímé spojení tyto výstupy s ovládacími piny modulů. Pokud potřebujete utáhnout okraje nebo omezit řídicí proud (v případě těžký náklad), pak musí být moduly připojeny k pinům 17 a 18 přes omezovací odpory.
Pokud saturační napětí překročí prahovou úroveň, nastane ochranný plynulý pokles napětí na hradle řídicího tranzistoru. Čas do snížení napětí na hradle tranzistoru na úroveň 90%t off (90%) = 0,5 μs, na úroveň 10%t off (10%) = 3 μs. K eliminaci možnosti napěťového rázu je nutný plynulý pokles výstupního napětí.
Piny 19 (–E napájení), 20 (společné) a 21 (+E napájení)
Piny 19, 20 a 21 jsou výstupy napájení výkonové části budiče. Tyto kolíky přijímají napětí z měniče DC/DC měniče. Při použití ovladačů jako MD215, MD250, MD280 bez vestavěných DC/DC měničů se zde připojují externí zdroje: pin 19 –5 V, pin 20 - společný, pin 21 +18 V pro proud až 0,2 A .
Výpočet a výběr řidiče
Výchozím údajem pro výpočet je vstupní kapacita modulu C in nebo ekvivalentní náboj Q in, vstupní impedance vstup modulu R, kolísání napětí na vstupu modulu U = 30 V (uvedeno v referenční informaci pro modul), max provozní frekvence, na kterém běží modul f max.
Je potřeba najít impulsní proud protékající řídicím vstupem modulu Imax maximální výkon DC/DC měniče P.
Obrázek 16 ukazuje ekvivalentní obvod vstup modulu, který se skládá z kapacity hradla a omezovacího odporu.
Pokud je ve zdrojových datech uveden náboj Qin, pak je nutné jej přepočítat na ekvivalentní vstupní kapacitu Cin =Qin /D U.
Jalový výkon přidělený vstupní kapacitě modulu se vypočítá podle vzorce Рс =f Q input D U. Celkový výkon DC/DC měniče budiče Р je součtem výkonu spotřebovaného koncovým stupněm ovladač Рout a jalový výkon přidělený vstupní kapacitě modulu Рс: P = P out + Pc.
Pracovní frekvence a kolísání napětí na vstupu modulu byly ve výpočtech brány jako maximální, proto byl získán maximální možný výkon DC/DC měniče při normálním provozu budiče.
Když znáte odpor omezovacího rezistoru R, můžete zjistit pulzní proud protékající budičem: I max =D U/R.
Na základě výsledků výpočtu můžete vybrat nejvíce optimální řidič potřebné k ovládání napájecího modulu.
2.3. Ovladače pro řízení výkonných tranzistorů
Drivery jsou řídicí čipy, které propojují různé regulátory a logické obvody s výkonnými tranzistory v koncových stupních měničů nebo zařízení pro řízení motoru. Budiče zajišťující přenos signálu musí zavádět co nejmenší časové zpoždění a jejich koncové stupně musí odolávat velké kapacitní zátěži charakteristické pro hradlové obvody tranzistorů. Jímací a klesající proud výstupního stupně budiče by měl být mezi 0,5 a 2 A nebo více.
Budič je pulzní výkonový zesilovač a je určen k přímému ovládání výkonových spínačů měničů výkonových parametrů. Budicí obvod je určen typem struktury klíčového tranzistoru (bipolární, MOS nebo IGBT) a typem jeho vodivosti a také umístěním tranzistoru v obvodu spínače („horní“, tj. svorky v otevřeném stavu mají vysoký potenciál nebo „nižší“, přičemž obě silové svorky v otevřeném stavu mají nulový potenciál). Řidič musí výkonově a napěťově zesílit řídicí signál a případně zajistit jeho potenciální posun. Ovladač lze také přiřadit klíčové ochranné funkce.
Při navrhování řídicího obvodu pro sestavy výkonových tranzistorů musíte vědět, že:
a) je nutné zajistit „plovoucí“ potenciál pro ovládání „horního“ vypínače v polomůstkovém obvodu;
b) je nesmírně důležité vytvořit rychlý náběh a pokles řídicích signálů přicházejících na hradla výkonových prvků pro snížení spínacích tepelných ztrát;
c) pro rychlé dobití vstupních kondenzátorů je nutné zajistit vysokou hodnotu proudového impulsu hradla výkonových prvků;
d) v naprosté většině případů je vyžadována elektrická kompatibilita vstupní části budiče se standardními digitálními signály TTL/CMOS (zpravidla pocházejícími z mikrokontrolérů).
Po poměrně dlouhou dobu byli vývojáři nuceni navrhovat obvody ovladačů pomocí diskrétních prvků. První důležitou událostí na cestě integrace řídicích budičů bylo objevení se mikroobvodů řad IR21xx a IR22xx (a následně jejich modernějších modifikací IRS21xx, IRS22xx), vyvinutých International Rectify. Tyto mikroobvody dnes našly široké uplatnění v technologii nízkoenergetických měničů, protože splňují všechny výše uvedené požadavky.
Obvod ovládání výkonového spínače je vždy konstruován tak, že jeho výstupní signál (ve formě šířkově modulovaných pulzů) je specifikován vzhledem ke „společnému“ vodiči obvodu. Jak je vidět z Obr. 2.12, A, který ukazuje polomůstkový výkonový stupeň pro spínací tranzistor VT 2 to stačí - signál „Control 2“ lze přímo přivést na bránu (bázi) tranzistoru přes ovladač G2, protože jeho zdroj (emitor) je připojen ke „společnému“ vodiči obvodu a ovládání se provádí vzhledem k „společnému“ vodiči.
Ale co tranzistor? VT 1, který působí v horním rameni polomůstku? Pokud tranzistor VT 2 je v uzavřeném stavu a VT 1 otevřený, u zdroje VT Přítomno 1 napájecí napětí E Pete. Proto ke spínání tranzistoru VT 1, potřebujete zařízení G1 galvanicky oddělené od „společného“ obvodu, které bude zřetelně přenášet impulsy řídícího obvodu „Control 1“, aniž by do signálů vnášelo zkreslení. Klasickým řešením tohoto problému je zapnutí řídicího transformátoru T1 (obr. 2.12, b), který na jedné straně galvanicky izoluje řídicí obvody a na druhé straně přenáší spínací impulsy. Ne náhodou je toto technické řešení považováno za „klasiku žánru“: je známé již desítky let.
A b
Rýže. 2.12. Výkonové spínače v polomůstkových obvodech
Vstupním signálem je signál řídicího čipu se standardní amplitudou logické úrovně a pomocí napětí přivedeného na pin Vdd lze dosáhnout kompatibility s klasickou 5voltovou „logikou“ a modernější 3,3voltovou logikou. Na výstupu budiče jsou řídicí napětí pro „horní“ a „dolní“ výkonové tranzistory. Ovladač přijal opatření k zajištění potřebných úrovní regulace, byl vytvořen ekvivalent galvanického oddělení (pseudoizolace) a jsou zde další funkce - vypínací vstup, jednotka podpěťové ochrany a filtr krátkých řídicích impulsů.
Jak je patrné z blokového schématu (obr. 2.13), budič se skládá ze dvou nezávislých kanálů, které jsou určeny k ovládání horních a dolních ramen polomůstkových obvodů. Na vstupu driveru jsou pulzní tvarovače postavené na bázi Schmittových spouští. Vstupy Vcc a Vdd jsou určeny pro připojení napájecího napětí k napájecí a řídicí části obvodu, „zemní“ sběrnice výkonové části a řídicí části jsou odděleny (různé „společné“ svorky - Vss a COM).
V naprosté většině případů se tyto piny jednoduše spojí dohromady. Existuje také možnost samostatného napájení řídicí a výkonové části, aby se vstupní úrovně přizpůsobily úrovním řídicího obvodu. SD vstup je ochranný. Koncové stupně jsou postaveny na komplementárních tranzistorech s efektem pole. Mikroobvod obsahuje přídavná zařízení, která zajišťují jeho stabilní provoz v rámci převodních obvodů: jedná se o zařízení pro posun úrovně řídicích signálů (posun úrovně Vdd/Vcc), zařízení pro potlačení krátkého impulsního šumu (pulzní filtr), zpoždění sepnutí zařízení (zpoždění) a napájení detektoru podpětí (UV detektor).
Rýže. 2. 13. Funkční jednotky mikroobvodů IRS2110 a IRS2113
Typické schéma zapojení ovladače je znázorněno na Obr. 2.14. Kondenzátory S 1 a S Z - filtrování. Výrobce doporučuje umístit je co nejblíže k odpovídajícím svorkám. Kondenzátor S 2 a dioda VD 1 - bootstrap stupeň, který poskytuje napájení řídicímu obvodu „horního“ bočního tranzistoru. Kondenzátor S 4 - filtr v silovém obvodu. Rezistory R 1 a R 2 - závěrka.
Někdy může být šířkově modulovaný řídicí signál generován nikoli na dvou řídicích vstupech odděleně, ale spíše aplikován na jeden vstup ve formě meandru s měnícím se pracovním cyklem. Tento způsob řízení najdeme např. u měničů, které generují sinusový signál o daném kmitočtu. V tomto případě stačí nastavit „mrtvou dobu“ pauzu mezi sepnutím jednoho polomůstkového tranzistoru a otevřením druhého.
Rýže. 2.14. Typické schéma umožňující IRS2110 a IRS2113
Takový driver s vestavěnou jednotkou pro zaručené vytvoření pauzy „mrtvého času“ je k dispozici v sortimentu International Rectifying - jedná se o mikroobvod IRS2111 (obr. 2.15).
Rýže. 2.15. Funkční součásti čipu IRS2111
Blokové schéma ukazuje, že driver má vestavěné jednotky pro vytvoření pauzy „mrtvého času“ pro horní a dolní rameno polovičního můstku. Podle dokumentace výrobce je hodnota „mrtvého času“ nastavena na 650 ns (typická hodnota), což je zcela dostačující pro řízení polomůstků skládajících se z výkonové MOSFETy tranzistory.
Budiče pro řízení složitých převodníkových obvodů - jednofázových i třífázových - obsahují velké množství prvků, a tak není divu, že jsou vyráběny ve formě integrovaných obvodů. Tyto mikroobvody kromě samotných budičů obsahují i obvody pro převod úrovně, pomocnou logiku, zpožďovací obvody pro tvorbu „mrtvého“ času, ochranné obvody atd. Na základě rozsahu použití IC budičů se rozlišují: nízké klíčové ovladače; hlavní klíčové ovladače; spodní a horní klíčové ovladače; řidiči polovičního můstku; jednofázové můstkové budiče; třífázové mostní ovladače.
Hlavní parametry integrovaných ovladačů jsou rozděleny do dvou skupin: dynamické a provozní. Mezi dynamické patří doba zpoždění sepnutí při odemykání a zamykání klíče, doba náběhu a poklesu výstupního napětí a také doba reakce ochranných obvodů. Nejdůležitější provozní parametry: maximální pulzní hodnota vstupního/odchozího výstupního proudu, vstupní úrovně, rozsah napájecího napětí, výstupní odpor.
Ovladačům jsou často také přiřazeny některé ochranné funkce pro tranzistory MOS a JGVT. Mezi tyto vlastnosti patří: ochrana proti zkratu klíče; podpěťová ochrana řidiče;
ochrana proti průchozím proudům; ochrana proti zhroucení brány.
Otázky pro sebeovládání
Jaké jsou hlavní rozdíly mezi bipolárními tranzistory a tranzistory s efektem pole, které je třeba vzít v úvahu při jejich použití jako elektronických spínačů?
Jaké výhody bipolárních a polních tranzistorů spojuje MOPBT?
Uveďte hlavní statické provozní režimy tranzistorů. V jakých režimech by měly být tranzistory použity v zařízeních výkonové elektroniky?
Pomocí Larionova schématu vysvětlete podstatu šířky pulzu
modulace (PWM).
Možná po přečtení tohoto článku nebudete muset instalovat radiátory stejné velikosti na tranzistory.
Překlad tohoto článku.
Krátká zpráva od překladatele:
Za prvé, v tomto překladu mohou být vážné problémy s překladem pojmů, nemám dostatečně nastudovanou elektrotechniku a návrh obvodů, ale přesto něco vím; Také jsem se snažil vše přeložit co nejpřehledněji, takže jsem nepoužíval pojmy jako bootstrap, MOSFET atp. Za druhé, pokud je nyní obtížné udělat pravopisnou chybu (chvála textovým procesorům za označení chyb), pak je docela snadné udělat chybu v interpunkci.
A v těchto dvou bodech vás žádám, abyste mě do komentářů nakopli co nejsilněji.
Nyní pojďme mluvit více o tématu článku - se všemi různými články o stavbě různých vozidel půdorys (auta) na MK, na Arduinu, na<вставить название>není dostatečně podrobně popsán návrh samotného obvodu, tím méně obvodu připojení motoru. Obvykle to vypadá takto:
- vezměte motor
- vezměte součásti
- připojte komponenty a motor
- …
- ZISK! 1!
Ale stavět víc složité obvody Namísto pouhého otáčení motoru PWM v jednom směru přes L239x jsou obvykle vyžadovány znalosti o úplných můstcích (nebo H-můstech), tranzistorech s efektem pole (nebo MOSFET) a jejich ovladačích. Pokud to nic neomezuje, můžete použít p-kanálové a n-kanálové tranzistory pro plný můstek, ale pokud je motor dostatečně výkonný, pak bude nutné nejprve zvážit p-kanálové tranzistory. velký počet radiátory, pak přidat chladiče, ale pokud je škoda je vyhodit, pak můžete zkusit jiné typy chlazení, nebo jednoduše použít pouze n-kanálové tranzistory v obvodu. S n-kanálovými tranzistory je ale malý problém - někdy může být docela obtížné je otevřít „smírně“.
Hledal jsem tedy něco, co by mi pomohlo s kompilací správné schéma a našel jsem článek na blogu mladého muže jménem Syed Tahmid Mahbub. Rozhodl jsem se sdílet tento článek.
V mnoha situacích musíme použít FETy jako přepínače nejvyšší úroveň. Také v mnoha situacích musíme použít tranzistory s efektem pole jako spínače pro horní i spodní úroveň. Například v můstkových obvodech. V dílčích můstkových obvodech máme 1 MOSFET vysoké úrovně a 1 MOSFET nižší úroveň. V obvodech plného můstku máme 2 MOSFETy vysoké úrovně a 2 MOSFETy nízké úrovně. V takových situacích budeme muset společně používat ovladače vysoké i nízké úrovně. Nejběžnějším způsobem ovládání tranzistorů s efektem pole v takových případech je použití nízko- a vysokoúrovňového spínacího ovladače pro MOSFET. Nejoblíbenějším čipem ovladače je bezesporu IR2110. A přesně o tom budu mluvit v tomto článku/učebnici.
Dokumentaci k IR2110 si můžete stáhnout z webu IR. Zde je odkaz ke stažení: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf
Nejprve se podívejme na blokové schéma a také na popis a umístění kolíků:
Obrázek 1 - Funkční blokové schéma IR2110
Obrázek 2 - Pinout IR2110
Obrázek 3 - Popis pinů IR2110
Za zmínku také stojí, že IR2110 se dodává ve dvou baleních – 14pinový PDIP vývod a 16pinový SOIC povrchový držák.
Nyní pojďme mluvit o různých kontaktech.
VCC je nízkoúrovňový napájecí zdroj, měl by být mezi 10V a 20V. VDD je logické napájení pro IR2110, mělo by být mezi +3V a +20V (vzhledem k VSS). Skutečné napětí, které se rozhodnete použít, závisí na úrovni napětí vstupních signálů. Zde je graf:
Obrázek 4 - Závislost logické 1 na výkonu
Obvykle se používá VDD +5V. Když VDD = +5V, vstupní práh logické 1 je mírně vyšší než 3V. Když je tedy VDD = +5V, lze IR2110 použít k ovládání zátěže, když je vstup "1" vyšší než 3 (některé) volty. To znamená, že IR2110 lze použít pro téměř všechny obvody, protože většina obvodů má tendenci být napájena přibližně 5V. Když používáte mikrokontroléry, výstupní napětí bude vyšší než 4V (ostatně mikrokontrolér má dost často VDD = +5V). Při použití SG3525 nebo TL494 nebo jiného PWM regulátoru je pravděpodobně budete muset napájet napětím vyšším než 10V, což znamená, že výstupy budou větší než 8V na logické jedničce. IR2110 tak lze použít téměř kdekoli.
Můžete také snížit VDD na přibližně +4 V, pokud používáte mikrokontrolér nebo jakýkoli čip s výstupem 3,3 V (např. dsPIC33). Při navrhování obvodů s IR2110 jsem si všiml, že někdy obvod nefungoval správně, když byl VDD u IR2110 nastaven na méně než +4V. Proto nedoporučuji používat VDD pod +4V. Ve většině mých obvodů nemají úrovně signálu napětí menší než 4V jako "1" a tak používám VDD = +5V.
Pokud má z nějakého důvodu v obvodu úroveň logického signálu „1“ napětí menší než 3V, pak musíte použít převodník úrovní/překladač úrovní, ten zvýší napětí na přijatelné meze. V takových situacích doporučuji zvýšit na 4V nebo 5V a použít IR2110 VDD = +5V.
Nyní pojďme mluvit o VSS a COM. VSS je země pro logiku. COM je "nízká úroveň návratu" - v podstatě řidičova nízká úroveň země. Může to vypadat, že jsou nezávislé, a někdo by si mohl myslet, že by možná bylo možné izolovat výstupy ovladače a logiku signálu ovladače. To by však bylo špatně. Ačkoli nejsou vnitřně propojeny, IR2110 je neizolovaný ovladač, což znamená, že VSS a COM musí být oba připojeny k zemi.
HIN a LIN jsou logické vstupy. Vysoký signál na HIN znamená, že chceme ovládat horní klíč, to znamená, že výstup vysoké úrovně se provádí na HO. Nízký signál na HIN znamená, že chceme vypnout MOSFET vysoké úrovně, to znamená, že výstup nízké úrovně se provádí na HO. Výstup v HO, vysoký nebo nízký, není uvažován vzhledem k zemi, ale vzhledem k VS. Brzy uvidíme, jak obvody zesilovače (dioda + kondenzátor) využívající VCC, VB a VS poskytují plovoucí výkon pro pohon MOSFETu. VS je plovoucí návrat energie. Na vysoké úrovni je hladina na HO rovna hladině na VB, vzhledem k VS. Na nízké úrovni je hladina při HO rovna VS, relativně k VS, tedy fakticky nule.
Vysoký signál LIN znamená, že chceme ovládat spodní spínač, to znamená, že výstup LO má vysokou úroveň. Nízký signál LIN znamená, že chceme vypnout nízkoúrovňový MOSFET, to znamená, že LO je výstup nízké úrovně. Výstup v LO je uvažován relativně k zemi. Když je signál vysoký, úroveň na LO je stejná jako na VCC, vzhledem k VSS, účinně uzemňuje. Když je signál nízký, úroveň v LO je stejná jako ve VSS, relativně k VSS, fakticky nulová.
SD se používá jako stop ovládání. Když je úroveň nízká, IR2110 je zapnuto - funkce zastavení je deaktivována. Když je tento kolík vysoký, výstupy se vypnou, čímž se znemožní ovládání IR2110.
Nyní se podíváme na běžnou konfiguraci s IR2110 pro řízení MOSFETů jako spínačů vysokého a nízkého napětí - obvody polovičního můstku.
Obrázek 5 - Základní schéma na IR2110 pro ovládání polovičního můstku
D1, C1 a C2 spolu s IR2110 tvoří obvod zesilovače. Když LIN = 1 a Q2 je zapnuto, C1 a C2 jsou nabity na úroveň VB, protože jedna dioda je umístěna pod +VCC. Když LIN = 0 a HIN = 1, náboj na C1 a C2 se použije k přidání dalšího napětí, VB na v tomto případě, nad úrovní zdroje Q1 pro ovládání Q1 v konfiguraci horního spínače. Na C1 je třeba zvolit dostatečně velkou kapacitu, aby stačilo dodat Q1 potřebný náboj, aby byl Q1 celou dobu zapnutý. C1 by také nemělo mít příliš mnoho velká kapacita, protože proces nabíjení bude trvat dlouho a úroveň napětí se nezvýší natolik, aby zůstal MOSFET zapnutý. Čím delší je doba potřebná v zapnutém stavu, tím větší je požadovaná kapacita. Nižší frekvence tedy vyžaduje větší kapacitu C1. Vyšší faktor plnění vyžaduje větší kapacitu C1. Samozřejmě existují vzorce pro výpočet kapacity, ale k tomu potřebujete znát mnoho parametrů a některé z nich nemusíme znát, například svodový proud kondenzátoru. Takže jsem jen odhadl přibližnou kapacitu. Pro nízké frekvence jako je 50Hz používám kapacitu 47uF až 68uF. Pro vysoké frekvence, jako je 30-50kHz, používám kapacity v rozmezí od 4,7uF do 22uF. Protože používáme elektrolytický kondenzátor, musí být paralelně s tímto kondenzátorem použit keramický kondenzátor. Keramický kondenzátor není nutný, pokud je zesilovací kondenzátor tantalový.
D2 a D3 rychle vybijí hradlo MOSFETů, obcházejí hradlové odpory a zkracují dobu vypínání. R1 a R2 jsou hradlové odpory omezující proud.
MOSV může být maximálně 500V.
VCC by měl pocházet ze zdroje bez rušení. Pro filtrování musíte nainstalovat filtrační a oddělovací kondenzátory od +VCC k zemi.
Podívejme se nyní na některé příklady obvodů s IR2110.
Obrázek 6 - Obvod s IR2110 pro vysokonapěťový polomůstek
Obrázek 7 - Obvod s IR2110 pro vysokonapěťový plný můstek s samostatně řízená klávesy (klikací)
Na obrázku 7 vidíme IR2110 používaný k ovládání plného můstku. Není na tom nic složitého a myslím, že to už chápete. Zde můžete také použít poměrně oblíbené zjednodušení: připojíme HIN1 k LIN2 a HIN2 k LIN1, čímž získáme ovládání všech 4 kláves pouze pomocí 2 vstupních signálů, místo 4, jak je znázorněno na obrázku 8.
Obrázek 8 - Obvod s IR2110 pro vysokonapěťový plný můstek s klávesovým ovládáním se dvěma vstupy (klikací)
Obrázek 9 - Schéma s IR2110 as vysokonapěťový ovladač nejvyšší úroveň
Na obrázku 9 vidíme IR2110 použitý jako ovladač na vysoké úrovni. Obvod je poměrně jednoduchý a má stejnou funkcionalitu, jak je popsáno výše. Jedna věc, kterou je třeba vzít v úvahu, je, že protože již nemáme spínač nízké úrovně, musí být zátěž připojena z OUT k zemi. Jinak se kondenzátor zesilovače nebude moci nabíjet.
Obrázek 10 - Obvod s IR2110 jako nízkoúrovňovým ovladačem
Obrázek 11 - Obvod s IR2110 jako duální nízkoúrovňový ovladač
Pokud máte problémy s IR2110 a vše stále selhává, hoří nebo exploduje, jsem si docela jistý, že je to proto, že nepoužíváte hradlové rezistory, samozřejmě za předpokladu, že jste to navrhli pečlivě. NIKDY NEZAPOMEŇTE NA ODPORY GATE-SOURCE. Pokud by vás to zajímalo, o mých zkušenostech s nimi si můžete přečíst zde (vysvětluji i důvod, proč odpory zabraňují poškození).
Ovladač je výkonový zesilovač a je určen k přímému ovládání vypínače (někdy kláves) převodníku. Musí výkonově i napěťově zesílit řídicí signál a případně zajistit jeho potenciální posun.
Výstupní uzel budiče, který ovládá izolované hradlo (tranzistory MOSFET, IGBT), musí splňovat následující požadavky:
MOS tranzistory a IGBT jsou napěťově řízená zařízení, ale ke zvýšení vstupního napětí na optimální úroveň(12-15 V) je nutné zajistit odpovídající náboj v obvodu hradla.
Pro omezení rychlosti nárůstu proudu a snížení dynamického šumu je nutné použít sériové odpory v obvodu hradla.
Budiče pro řízení složitých převodních obvodů obsahují velké množství prvků, proto se vyrábějí ve formě integrovaných obvodů. Tyto mikroobvody obsahují kromě výkonových zesilovačů také obvody pro převod úrovně, pomocnou logiku, zpožďovací obvody pro vytvoření „mrtvého“ času, ale i řadu ochran např. proti nadproudu a zkratu, podpětí a řadu dalších . Mnoho společností vyrábí širokou funkční řadu: ovladače spodního spínacího můstku, horní budiče můstkových obvodů, horní a spodní budiče spínačů s nezávislým ovládáním každého z nich, poloviční můstky, které mají často pouze jeden řídicí vstup a lze je použít pro symetrické kontrolní zákon, ovladače pro ovládání všech tranzistorů v můstkovém obvodu.
Typický obvod pro připojení budiče horní a dolní klávesy od International Rectifier IR2110 s principem bootstrap napájení je znázorněn na obr. 3.1,a. Obě tlačítka se ovládají nezávisle. Rozdíl mezi tímto ovladačem a ostatními je v tom, že IR2110 má další obvod pro konverzi úrovně v dolním i horním kanálu, který vám umožňuje oddělit napájení logiky mikroobvodu od napájecího napětí ovladače podle úrovně. Obsahuje také ochranu proti nízkonapěťovému napájení driveru a vysokonapěťovému „plovoucímu“ zdroji.
Kondenzátory C D, C C jsou určeny k potlačení vysokofrekvenčního rušení v logickém a napájecím obvodu budiče. Vysokonapěťový plovoucí zdroj je tvořen kondenzátorem C1 a diodou VD1 (bootstrap napájení).
Výstupy budiče jsou připojeny k výkonovým tranzistorům pomocí hradlových odporů R G1 a RG2.
Jelikož je driver postaven na polních prvcích a celkový výkon, vynaložené na řízení je zanedbatelné, pak lze kondenzátor C1 použít jako zdroj energie pro koncový stupeň, dobíjený z napájecího zdroje U PIT přes vysokofrekvenční diodu VD1. Kondenzátor C1 a dioda VD1 společně tvoří vysokonapěťový „plovoucí“ napájecí zdroj určený k ovládání horního tranzistoru VT1 můstkového stojanu. Když spodní tranzistor VT2 vede proud, připojí se zdroj horního tranzistoru VT1 na společný silový vodič, otevře se dioda VD1 a kondenzátor C1 se nabije na napětí U C1 = U PIT - U VD1. Naopak, když spodní tranzistor přejde do zavřeného stavu a horní tranzistor VT2 se začne otevírat, je dioda VD1 podporována zpětným napětím napájecího zdroje. Výsledkem je, že koncový stupeň budiče začíná být napájen výhradně vybíjecím proudem kondenzátoru C1. Kondenzátor C1 tedy neustále „prochází“ mezi společným vodičem obvodu a vodičem napájecího zdroje (bod 1).
Při použití ovladače IR2110 s napájením bootstrap zvláštní pozornost měli byste věnovat pozornost výběru prvků vysokonapěťového „plovoucího“ zdroje. Dioda VD1 musí odolat vysokému zpětnému napětí (v závislosti na napájení obvodu), přípustnému propustnému proudu cca 1 A, době zotavení t rr = 10-100 ns, tedy být rychle působící. Literatura doporučuje diodu SF28 (600 V, 2 A, 35 ns), dále diody UF 4004...UF 4007, UF 5404...UF 5408, HER 105... HER 108, HER 205... HER 208 a další „ultrarychlé“ třídy .
Obvod budiče je navržen tak, aby vysoká úroveň logického signálu na libovolném vstupu HIN a LIN odpovídala stejné úrovni na jeho výstupu HO a LO (viz obr. 3.1 b, budič společného režimu). Vzhled logického signálu vysoké úrovně na vstupu SD vede k zablokování tranzistorů stojanu můstku.
Tento mikroobvod je vhodné použít pro ovládání invertorových spínačů s PWM regulací výstupního napětí. Je třeba pamatovat na to, že v řídicím systému je nutné zajistit časové prodlevy („mrtvý“ čas), aby se zabránilo průchozím proudům při spínání můstkových rackových tranzistorů (VT1, VT2 a VT3,VT4, obr. 1.1).
Kapacita C1 je bootstrap kapacita, jejíž minimální hodnotu lze vypočítat pomocí vzorce:
Kde Q 3 – hodnota nabití brány výkonného spínače (referenční hodnota);
já Pete– spotřeba proudu řidiče ve statickém režimu (referenční hodnota, obvykle já Pete ≈ já G C T mocný klíč);
Q 1 – cyklická změna nabití měniče (u měničů 500-600 V 5 nK);
PROTI n– napájecí napětí obvodu budiče;
– pokles napětí na bootstrap diodě VD1;
T– perioda přepínání výkonných kláves.
Obr.3.1. Typické schéma zapojení pro zapínání budiče IR2110 (a) a časová schémata jeho signálů na vstupech a výstupech (b)
V DD – napájení mikroobvodové logiky;
V SS – společný bod logické části řidiče;
HIN, LIN – logické vstupní signály ovládání horního a spodního tranzistoru;
SD – logický vstup pro deaktivaci ovladače;
V CC – napájecí napětí budiče;
COM – záporný pól zdroje V CC;
HO, LO – výstupní signály budiče, které řídí horní a dolní tranzistor;
V B – napájecí napětí vysokonapěťového „plovoucího“ zdroje;
V S je společný bod záporného pólu vysokonapěťového „plovoucího“ zdroje.
Výsledná hodnota kapacity bootstrapu se musí zvýšit 10-15krát (obvykle C v rozmezí 0,1-1 μF). Mělo by se jednat o vysokofrekvenční kapacitu s nízkým svodovým proudem (ideálně tantal).
Rezistory RG 1, RG 2 určují dobu zapnutí výkonných tranzistorů a diody VD G 1 a VD G 2, které tyto odpory obcházejí, zkracují dobu vypnutí na minimální hodnoty. Rezistory R1, R2 mají malou hodnotu (do 0,5 Ohm) a vyrovnávají šíření ohmického odporu po společné řídicí sběrnici (nutné, pokud je výkonný spínač paralelní zapojení méně výkonných tranzistorů).
Při výběru ovladače pro výkonové tranzistory musíte zvážit:
Zákon řízení výkonných tranzistorů:
Pro symetrické právo jsou vhodné vysoké a nízké přepínače a polomůstkové ovladače;
Jednostranné právo vyžaduje ovladače horní a dolní klávesy s nezávislým ovládáním každé výkonné klávesy. Budiče s galvanickým oddělením transformátoru nejsou vhodné pro asymetrický zákon.
Parametry výkonného klíče (I to nebo I drain).
Obvykle se používá přibližný přístup:
I out dr max =2 A může ovládat výkonné VT s proudem až 50 A;
I out dr max =3 A – ovládání výkonného VT s proudem až 150 A (jinak se výrazně prodlouží doba zapnutí a vypnutí a zvýší se výkonové ztráty pro spínání), tzn. Pokud je kvalitní tranzistor zvolen nesprávně, ztrácí své hlavní výhody.
Účtování doplňkových funkcí.
Společnosti vyrábějí ovladače s mnoha servisními funkcemi:
Různá výkonná ochrana klíčů;
Podpěťová ochrana řidiče;
S vestavěnými bootstrap diodami;
S nastavitelnou a nenastavitelnou dobou zpoždění pro zapnutí výkonného VT ve vztahu k okamžiku vypnutí druhého (boj přes proudy v polomůstku);
S nebo bez zabudovaného galvanického oddělení. V druhém případě je třeba na vstup budiče připojit galvanicky oddělující mikroobvod (nejčastěji vysokofrekvenční diodový optočlen);
In-phase nebo anti-phase;
Napájení ovladače (vyžaduje se napájecí zdroj typu bootstrap nebo tři galvanicky oddělené napájecí zdroje).
Pokud je několik typů ovladačů ekvivalentních, měly by být dány přednost těm, které spínají hradlový proud výkonných tranzistorů pomocí bipolárních VT. Pokud je tato funkce prováděna tranzistory s efektem pole, může za určitých okolností dojít k poruchám v činnosti budiče (přetížení) v důsledku „záchytného“ spouštěcího efektu.
Po výběru typu driveru (a jeho dat) jsou nutná opatření pro boj s průchozími proudy v polomůstku. Standardní metodou je okamžité vypnutí výkonného klíče a zapnutí uzamčeného se zpožděním. K tomuto účelu slouží diody VD G 1 a VD G 2, které při sepnutí VT obcházejí hradlové odpory a proces vypnutí bude rychlejší než odblokování.
Kromě posunování hradlových rezistorů RG 1 a RG 2 pomocí diod (VD G 1, VD G 2, obr. 3.1) pro boj s průchozími proudy v P-obvodu výkonné kaskády, společnosti vyrábějí integrované budiče, které jsou asymetrické v výstupní spínací proud VT já jiný východ m ah na zapnutí a vypnutí já jiný východ m aha pryč(Například já jiný východ m ah na= 2A, já jiný východ m aha pryč= 3A).
,
.
Tím se nastaví asymetrické výstupní odpory mikroobvodu, které jsou zapojeny do série s hradlovými odpory RG 1 a RG 2.
kde všechny hodnoty ve vzorcích jsou referenčními údaji pro konkrétního řidiče.
.
Pro symetrický (aktuální) ovladač platí následující rovnost: 
,
Aby se zabránilo vzniku průchozích proudů, je nutné zvolit celkovou hodnotu odporu v obvodu hradla (kvůli 
a podle toho nastavení nabíjecího proudu kapacity hradla VT), zpoždění zapnutí
Kde 
tranzistor větší nebo rovný době potřebné k uzavření VT
– doba doznívání odebíracího proudu (referenční hodnota); 
– doba zpoždění začátku vypínání VT vzhledem k okamžiku přivedení blokovacího napětí na hradlo v závislosti na hodnotě vybíjecího proudu hradla (podle toho závisí na celkovém odporu v obvodu hradla). U bočníkových diod (VD G 1, VD G 2, obr. 3.1) je vybíjecí proud jednoznačně určen odporem 
. Proto určit
vyřešit následující poměr 
vyřešit následující poměr 
Pokud je upravená hodnota 
bude jich řádově více 
, pak to ukazuje na nesprávnou volbu typu ovladače z hlediska výkonu (vel 
) a tím se výkon výkonných kláves napraví k horšímu. Pro konečné stanovení hodnoty 
můžete použít technická referenční data výkonného VT. Za tímto účelem je sestaven poměr
vyřešit následující poměr 
vyřešit následující poměr 
(Pokud řešení dává hodnotu RG 1 se záporným znaménkem, pak bude zpoždění zapnutí opatřeno rezervou výstupní impedancí budiče).
Aby se usnadnil boj proti průchozím proudům, někteří výrobci již ve fázi výroby zajišťují, že t je vypnuté< t вкл (например, сборка – полумост СМ35084-5F фирмы Mitsubishi Elektric с динамическими параметрами: t з вкл =1,1 мс, t вкл =2,4 мс, t з выкл =0,9 мс, t выкл =0,5 мс).
Diody VD G 1 a VD G 2 musí být vysokofrekvenční a s rezervou odolávat napájecímu napětí budiče.
Pro boj s průchozími proudy (pro symetrický zákon řízení) můžete zvolit požadovaný ovladač polovičního můstku (pokud je vhodný pro jiné parametry), jehož doba zpoždění je nastavitelná v rozsahu 0,4...5 μs (např. IR ovladače jako IR2184 nebo IR21844), pokud je jejich zpoždění větší nebo rovno t off.
Na závěr stojí za zmínku, že místo starých úprav ovladačů vyrábějí společnosti nové typy, které jsou kompatibilní se starými, ale mohou mít další servisní funkce (obvykle vestavěné bootstrap diody, nebo spíše bootstrap tranzistory, které plní funkci diod, které dříve chyběly). Například ovladač IR2011 byl ukončen a byl nahrazen novým IRS2011 nebo IR2011S (v různých příručkách je tato položka nejednoznačná).
