Трехфазные управляемые выпрямители и инверторы, матричные циклоконвертеры и силовые каскады обычно содержат большое количество мощных транзисторов, каждый со своей собственной схемой управления. Схема на Рисунке 1 управляет емкостным входом силового устройства, такого как MOSFET или IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), импульсами с любыми коэффициентами заполнения на частотах от 1 до 200 кГц. Один трансформатор обеспечивает гальваническую развязку, и схема потребляет небольшую мощность от источника питания 15 В первичной стороны. Это устройство, успешно протестированное с использованием нескольких MOSFET и IGBT с входными емкостями до 5 нФ, может быть адаптировано для управления и более сильноточными приборами путем замены транзисторов драйвера и трансформатора связи, а также нескольких пассивных компонентов.
![]() | |
Рисунок 1. | Изолированный импульсный драйвер работает с любыми коэффициентами заполнения и потребляет энергию лишь во время процессов заряда и разряда емкости затвора. |
Транзисторы Q1 и Q2 через разделительный трансформатор T1 передают импульсы длительностью примерно 1 мкс на транзисторы Q3 и Q4, которые, в свою очередь, заряжают и разряжают входную емкость затвор-исток мощного выходного транзистора Q5. Импульс заряда, формируемый транзистором Q1, начинается с переднего фронта входного управляющего сигнала, а импульс разряда, формируемый транзистором Q2, начинается со спадающего фронта управляющего сигнала. Дифференцирующие цепи, образованные элементами C1, R1, частью потенциометра P1, элементами C2, R2 и оставшейся частью потенциометра P1, устанавливают длительности импульсов заряда и разряда. При необходимости регулировкой потенциометра P1 можно изменять баланс положительных и отрицательных напряжений заряда и разряда, получаемых затвором Q5.
Транзисторы Q3 и Q4 передают импульсы, соответственно, для заряда или разряда входной емкости транзистора Q5, а затем выключаются, образуя высокоимпедансную цепь, шунтирующую входную емкость Q5, так что напряжение затвора Q5 остается неизменным, если не считать медленного разряда из-за небольших токов утечки. Таким образом, схема драйвера потребляет мощность только в течение коротких интервалов времени, когда происходят процессы заряда и разряда емкости затвор-исток.
Когда транзисторы Q1 - Q4 выключаются, резисторно-диодные пары R3, D3, и R4, D4 создают пути для тока размагничивания трансформатора T1. Хотя бóльшую часть времени они смещены в обратном направлении, диоды D5 и D6 образуют амплитудный дискриминатор, сконфигурированный как логическая схема «ИЛИ», чтобы гарантировать, что напряжения на затворах Q3 и Q4 никогда не будет меньше напряжения на емкости затвор-исток Q5.
Резисторы R5 и R6 ограничивают скорости заряда и разряда емкости затвор-исток транзистора Q5; их сопротивления могут меняться в зависимости от входных характеристик транзистора Q5. Трансформатор T1 намотан на сердечнике RM5/I из феррита 3E5 обмоточным проводом диаметром 0.2 мм. Первичная обмотка с отводом от середины имеет 40 витков, а вторичная – 12 витков.
Когда транзистор Q1 включается, на вторичной обмотке трансформатора T1 создается положительное напряжение, которое включает p-канальный MOSFET Q3 и открывает паразитный диод транзистора Q4, чтобы начать зарядку емкости затвор-исток Q5. Скорость зарядки определяется в первую очередь сопротивлением открытого канала транзистора Q3. Зарядка завершается либо по окончании импульса, либо когда напряжение затвор-исток MOSFET Q5 приближается к значению, равному разности напряжения на вторичной обмотке T1 и порогового напряжения затвора транзистора Q3.
Затем Q3 закрывается, позволяя зарядному току упасть до нуля, а заряду емкости достичь максимального положительного значения. Когда транзистор Q1 закрывается, ток намагничивания трансформатора T1 уходит через элементы R3 и D3. Напряжение на вторичной обмотке T1 становится слегка отрицательным, чтобы сбалансировать вольт-секундную характеристику сердечника, вследствие чего паразитный диод транзистора Q3 немного смещается в прямом направлении (без появления тока), а паразитный диод транзистора Q4 блокирует разряд емкости затвор-исток Q5.
![]() | |
Рисунок 2. | Вид сверху прототипа изолированного драйвера затвора показывает, что земляной слой под трансформатором T1 прерван изолирующим барьером (вверху справа). |
Отрицательное напряжение, приложенное к затвору Q4, не может включить транзистор, поскольку прямое напряжение диода D5 устанавливает напряжение на затворе Q4 большее, чем на затворе Q5. Таким образом, входная емкость Q5 остается заряженной, а путь ее разряда имеет высокое сопротивление. Когда Q2 включается, отрицательное напряжение, которое появляется на вторичной обмотке T1, открывает Q4 и запускает процесс разряда, который заканчивается, когда напряжение исток-затвор Q4 становится равным его пороговому уровню, или когда заканчивается импульс. Затем Q4 выключается, и напряжение на емкости затвора Q5 достигает своего минимального отрицательного значения. Когда Q2 выключается, ток намагничивания трансформатора T1 сбрасывается через D4 и R4, паразитный диод транзистора Q4 открывается, а паразитный диод транзистора Q3 блокирует напряжение затвор-исток Q5. Высокое напряжение на диоде D6, приложенное к затворам Q3 и Q4, гарантирует, что напряжение разрядки на вторичной обмотке T1 не приведет к открыванию Q3. Таким образом, все транзисторы остаются выключенными, а затворная емкость Q5 остается разряженной. При следующем включении транзистора Q1 последовательность повторяется.
На Рисунке 2 в сравнении с монетой в 1 евро показаны прототип драйвера и силовой транзистор. В транзисторе APT40GF120JRD с емкостью затвор-исток, равной 4 нФ, объединены IGBT и быстровосстанавливающийся диод, рассчитанные на максимальное напряжение 1200 В и ток до 60 А. Транзистор упакован в корпус JEDEC SOT-227 размером примерно 38 мм × 25 мм. На Рисунках 3 и 4 показаны осциллограммы сигналов управления IGBT Q5 в схеме Рисунок 1 при частоте переключения 20 кГц. Задержка включения равна примерно 600 нс, а общий потребляемый ток составляет 22 мА при потребляемой мощности 0.33 Вт. При управлении транзисторами с меньшей емкостью затвор-исток задержка включения схемы и энергопотребление уменьшаются.