Драйвер для полевого транзистора

Содержание
  1. AterLux › Блог › 100% времени открытый nMOSFET в верхнем ключе, или про бутстрап с подкачкой

Драйвер полевого транзистора из дискретных элементов

Одно дело, когда для скоростного управления мощным полевым транзистором с тяжёлым затвором есть готовый драйвер в виде специальной микросхемы наподобие UCC37322, и абсолютно другое, когда такого драйвера нет, а схему управления силовым ключом нужно осуществить тут и в настоящий момент.
В подобных вариантах нередко необходимо прибегать к помощи дискретных элементов электроники, которые имеется в наличии, и уже из них собирать драйвер затвора. Дело, кажется, не коварное, однако для получения адекватных не постоянных показателей переключения полевого транзистора, все обязано быть сделано качественно и работать правильно.

Очень стоящая, лаконичная и хорошая идея для решения подобной задачи была предложена еще в 2009 году Сергеем BSVi в его блоге «Страничка эмбеддера» (смотрите – Драйвер полевых транзисторов из хлама).

Драйвер для полевого транзистора

Схема была удачно испытана автором в полумосте на частотах до 300 кГц. В особенности, на частоте 200 кГц, при нагрузочной емкости в 10 нФ, получилось получить фронты продолжительностью не больше 100 нс.

Давайте же рассмотрим теоретическую сторону данного решения, и попробуем детально разобраться, как эта схема работает.
Важные токи заряда и разряда затвора при отпирании и запирании основного ключа текут через биполярные транзисторы выходного каскада драйвера. Данные транзисторы должны выдерживать пиковый ток управления затвором, а их максимальное напряжение коллектор-эмиттер (по datasheet) обязано быть более чем напряжение питания драйвера.

Как правило для управления затвором полевика достаточно 12 вольт. Что же касается пикового тока, то например, что он не превысит 3А.

Драйвер для полевого транзистора

Если для управления ключом нужен ток более большой, то и транзисторы выходного каскада обязаны быть более сильными (конечно, с подходящей граничной частотой передачи тока).
Для нашего примера в качестве транзисторов выходного каскада подойдёт комплиментарная пара – BD139 (NPN) и BD140 (PNP).

У них максимальное напряжение коллектор-эмиттер составляет 80 вольт, пиковый ток коллектора 3А, граничная частота передачи тока 250 МГц (важно!), а самый маленький статический показатель передачи тока 40.

Драйвер для полевого транзистора

Для увеличения коэффициента усиления по току в схему выходного каскада добавлена добавочная комплиментарная пара слаботочных транзисторов КТ315 и КТ361 с самым большим обратным напряжением 20 вольт, очень маленьким статическим показателем передачи тока 50, и граничной частотой 250 МГц — аналогичный высокой, как у выходных транзисторов BD139 и BD140.
В конце концов на выходе приобретаем две пары транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона с общим очень маленьким показателем передачи по току 50*40 = 2000 и с граничной частотой равной 250 МГц, другими словами в теории в границе скорость переключения достигает единиц наносекунд.

Но так как тут речь идет об относительно долгих процессах заряда и разряда емкости затвора, то данное время будет намного выше.

Драйвер для полевого транзистора

Сигнал управления нужно подавать на соединенные базы транзисторов КТ315 и КТ361.

Токи открытия баз NPN (верхних) и PNP (нижних) транзисторов обязаны быть разделены.
Для этого в схему можно было бы установить разделительные резисторы, но намного более успешным для этой определенной схемы оказалось решение с установкой дополнительного блока на КТ315, резисторе и диоде 1n4148.
Функция этого блока — быстро активировать базы верхних транзисторов слаботочного каскада при подаче высшего напряжения на базу данного блока, и также быстро через диод подтянуть базы к минусу, когда на базе блока возникнет сигнал низшего уровня.

Драйвер для полевого транзистора

Чтобы иметь шанс управлять данный драйвером от слаботочного источника сигнала с выходным током порядка 10 мА, в схему установлены слаботочный полевой транзистор КП501 и высокоскоростная оптопара 6n137.
При подаче управляющего тока через цепь 2-3 оптопары, выходной биполярный транзистор в середине нее переходит в проводящее состояние, причем на выводе 6 находится открытый коллектор, к которому и присоединен резистор, подтягивающий затвор слаботочного полевого транзистора КП501 к плюсовой шине питания оптопары.

Драйвер для полевого транзистора

Подобным образом, когда на вход оптопары подается сигнал большого уровня, на затворе полевика КП501 будет сигнал невысокого уровня, и он закроется, таким образом обеспечив возможность для протекания тока через базу верхнего по схеме КТ315 — драйвер станет заряжать затвор основного полевика.
Если же при входе оптопары сигнал невысокого уровня или сигнал отсутствует, то на выходе из оптопары будет сигнал большого уровня, затвор КП501 зарядится, его стоковая цепь замкнется, а база верхнего по схеме КТ315 подтянется до нуля.

Выходной каскад драйвера начнет разряжать затвор управляемого им ключа. Важно предусмотреть, что в этом примере напряжение питания оптопары ограничено 5 вольтами, а главный каскад драйвера питается напряжением 12 вольт.

AterLux › Блог › 100% времени открытый nMOSFET в верхнем ключе, или про бутстрап с подкачкой

Полевые МОП-транзисторы с каналом p-типа, которые легче применять для верхнего ключа, тяжелее в изготовлении, если сравнивать с их n-канальными сородичами. В результате их выбор достаточно мал, они дороже, а сопротивление сток-исток часто не радует при ощутимой ёмкости затвора.
По этой причине часто в качестве верхнего ключа применяются транзисторы с каналом n-типа. Впрочем, управление ими представляет какую-то сложность, так как для того, чтобы держать затвор открытым, на него нужно подавать очень высокое напряжение.
Одним из подходов считается применение драйверов верхнего плеча, с бутстрапной схемой (bootstrap, она же иногда называются бустрапная, либо даже бустрэпная, вобщем именуют кто во что горазд).
International Rectifier выпускает целую кучу подобных драйверов всех размеров и цветов на различный ток и способ подсоединения, одним из подобных драйверов считается IR2101 обеспечивающий ток заряда затвора управляемого транзистора до 130, а разряда до 270 миллиампер.
Приблизительная схема включения вот:

Драйвер для полевого транзистора

IR2101 скапливается в восминогих корпусах dip или so, работает при напряжении питания от 9 до 25 вольт и в себя включает два независимых драйвера: один для нижнего и один для верхнего ключа. При этом управляется логическими уровнями на напряжении от 3 Вольт.

В этот драйвер встроена защита по напряжению, и при падении напряжения ниже 8,2 Вольта он перестаёт работать, пока напряжение не поднимется до 8,9 Вольт.
С нижним ключом все ясно: выход LO в зависимости от логического уровня при входе LIN подсоединяется либо к линии питания Vcc, что обеспечивает заряд затвора управляемого транзистора, либо к “земля” (com) что обеспечивает его разряд.
С верхним ключом все чуть сложнее. Схема имеет два дополнительных входа: VS и VB. Вход VS соединяется с истоком n-канального транзистора, а в такой схеме включения исток обращён к нагрузке.

Когда при входе HIN невысокий уровень, выход HO соединяется с входом VS и затвор разряжается. Напряжение же для заряда затвора берётся со входа VB.

Понятно, что когда транзистор открыт, напряжение при входе VB должно быть больше напряжение питания, чтобы поддерживать затвор открытым.
Чтобы обеспечить очень высокое напряжение и применяется как раз та самая бутстрапная (бустрепная или как её там) схема, представляющая из себя диод D1 и конденсатор С1.
В тот фактор, когда верхний ключ закрыт, конденсатор C1 заряжается через диод D1 и нагрузку, подключенную к транзистору. Когда же транзистор открыт, этот конденсатор собственным зарядом обеспечивает то самое очень высокое напряжение при входе VB.
О расчёте конденсатора можно почитать вот тут.
Подобный подход налаживает некоторые ограничения на вид нагрузки: к примеру, цепь светоизлучающих диодов уже не заработает, так как не обеспечит заряд конденсатора.
Более того, заряд конденсатора в течении определенного времени теряется на токи утечки, а это означает схема должна работать в импульсном режиме, дабы конденсатор успевал заряжаться.
Напряжение в бортовой сети машины может быть применено как для питания схемы, так и для подсоединения ключа. Но работа приборов в импульсном режиме, даже с достаточно высоким коэффициентом наполнения, не всегда оптимальна, да и пульсации тока могут создавать помехи для работы остального оборудования.
Чтобы транзистор был регулярно открыт, требуется обеспечить подзарядку конденсатора С1. Мне в голову пришла идея как применять драйвер нижнего ключа этой микросхемы для подзарядки бутстрапного конденсатора:

Драйвер для полевого транзистора

В схему добавлен диод D2 и конденсатор C2. Когда ключ управляется в импульсном режиме, конденсатор C1 заряжается через оба диода и работает в традиционном бутстрапном режиме.

Когда же ключ будет в регулярно открытом состоянии, на вход нижнего ключа подаётся меандр, из-за чего конденсатор C2 подсоединяется на “землю”, из-за чего он сам заряжается через D2, после этого конденсатор подсоединяется на линию питания, и через диод D1 поддерживает заряд конденсатора C1.
Важно, чтобы поддерживающий конденсатор был притянут к “земля” на то время, пока транзистор закрыт. Иначе, если он будет притянут к линии питания, то он начнёт заряжать конденсатор C1, который притянут к “земля” нагрузкой.

Как последствие на конденсаторе C1 возникнет удвоенное напряжение, которое превышает максимально допустимое для затвора транзистора няпряжение.
Для простоты оба входа можно подключить к ШИМ-выходам одного таймера микроконтроллера, которые будут работать синфазно. Но показатель наполнения для входа нижнего ключа подбирать всегда в несколько раз меньше, чем для верхнего.
В этом режиме подсоединения ключ сможет оставаться постоянно открытым сколь угодно долго.

Как клеить обои бумажные
Вопросы о ремонте
0 0
Как выставить опалубку
Вопросы о ремонте
0 0
Как короед штукатурка
Вопросы о ремонте
0 0
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

один × два =