Проектирование ключа и секции драйвера

October 19, 2011 by admin Комментировать »

Основной целью секции ключа является преобразование входного постоянного напряжения в модулированное по ширине импульса переменное напряжение. В следующих каскадах для подъема или снижения импульса переменного тока может использоваться трансформатор, и, наконец, выходной каскад преобразует переменный ток в постоянный выходной ток. Для того чтобы выполнить преобразование постоянного тока в переменный, ключ функционирует только в состояниях насыщения и отсечки.

Сегодня используются два типа ключей: биполярный мощный транзистор (плоскостной) и мощный полевой МОП-транзистор. Транзистор IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с интегрированным затвором) используется в высокомощных промышленных приложениях, таких как источники питания мощностью » 1 кВт и электронные приводные устройства. Транзистор IGBT медленнее отключается, чем полевой МОП-транзистор, поэтому обычно используется на частотах переключения ниже 20 кГц.

3.7.1. Схемы драйвера мощного биполярного транзистора

Мощный биполярный транзистор — устройство, управляемое током. Для того чтобы гарантировать функционирование "в стиле переключателя", он должен работать в состоянии насыщения или близком к нему (рис. 3.32). Для этого ток "включения" базы должен удовлетворять следующему неравенству (см. также рис. 3.29):

где: /в — ток управления "включением" базы; /с(тах) — максимальный предполагаемый ток через коллектор; /гщ,™,) — минимальное специфицированное усиление транзистора.

Рис. 3.32. Волновые формы для мощного биполярного транзистора в импульсном источнике питания с ШИМ

Существует два типа схем управления базой. Драйвер фиксированной базы, схема которого показана на рис. 3.33, управляет транзистором в насыщенном состоянии в течение всего периода проводимости.

Рис. 3.33. Схемы драйвера фиксированной базы: а — драйвер с квази-двухтактным каскадом; б — драйвер с двухтактным каскадом; в — драйвер с трансформатором

Поскольку ток через коллектор почти всегда меньше максимального ожидаемого значения, транзистор почти всегда будет перегружен. Перевод транзистора в состояние глубокого насыщения приводит к замедлению его отключения. Параметр времени хранения — это время задержки между поступающим на базу сигналом "размыкания" и моментом, когда коллектор начинает закрываться. На протяжении этого времени напряжение между коллектором и эмиттером продолжает поддерживать уровень напряжения насыщения. Хотя это и не приводит к потерям, сокращается максимальный рабочий цикл, который может использовать источник питания. Схема драйвера должна обеспечивать быстрые переключения тока базы между "замкнутым" и "разомкнутыми" состояниями ключа и делать напряжение базы немного отрицательным.

Проектная философия схемы драйвера фиксированной базы заключается в том, чтобы извлечь ток из сравнительно низковольтного источника (3-5 В), что обычно обеспечивается вспомогательной обмоткой силового трансформатора. Резистор, подключенный непосредственно последовательно с базой транзистора (R2 на рис. 3.33), должен иметь сопротивление порядка 100 Ом. Его назначение — ограничивать поступающий на базу постоянный ток во время замыкания и размыкания ключа.

Параллельно этому резистору (R2) должен быть включен небольшой конденсатор емкостью порядка 100 пФ, который называют конденсатором ускорения базы. Он обеспечивает короткие положительные и отрицательные всплески тока в продолжение переходных процессов "включения" и "выключения" транзистора. Это снижает время переключения и уменьшает угрозу вторичного пробоя и сжатия тока. Резистор на коллекторе транзистора драйвера базы (R1 на рис. 3.33) в дальнейшем управляет током управления базой в замкнутом состоянии ключа. Напряжение на базе следует проверить с помощью осциллографа. На протяжении переключения в состояние "ВЫКЛ" оно должно иметь небольшое отрицательное значение, но не должно превышать номинала напряжения лавинного пробоя между базой и эмиттером (< 5 В).

Вторая схема (рис. 3.34), которую называют схемой драйвера пропорциональной базы, всегда управляет транзистором в состоянии насыщения или очень близком к нему.

Рис. 3.34. Схемы драйвера пропорциональной базы: а) фиксатор Бейкера; б) трансформаторно- связанное пропорциональное возбуждение базы

Напряжение между коллектором и эмиттером выше, чем в случае драйвера фиксированной базы, но теперь транзистор может переключаться примерно через каждые 100-200 не. Это в 5-10 раз быстрее, чем при фиксированной базе. На практике, однако, схема драйвера фиксированной базы применяется, в основном, в недорогих приложениях низкой и средней мощности. Схемы драйвера пропорциональной базы используются в приложениях высокой мощности.

Последний вопрос — из какого источника напряжения получать ток базы. Поскольку переход база-эмиттер напоминает диодом с прямым смещением, максимальное напряжение этого р-п-перехода FBE составляет 0,7-1,0 В. В идеале, достаточным будет источника напряжения 2,5^,0 В. Если напряжение источника драйвера базы слишком велико, то управление базой будет сопровождаться значительными потерями.

В начальном макете должны быть тщательно исследованы формы волны напряжения и тока, имеющих отношение к мощному транзистору; необходимо убедиться в том, что они не превышают установленных пределов области устойчивой работы. В это же время можно также модифицировать любые величины для улучшения характеристик переключения, поскольку они дают до 40% всех потерь источника питания. Схемы драйвера, показанные на рис. 3.33 и рис. 3.34, — это общий подход к управлению биполярным транзистором и являются очень хорошей отправной точкой для разработчика.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты