Защита силовых схем статических преобразователей от перегрузок и токов

August 22, 2013 by admin Комментировать »

При разработке силовых схем статических преобразователей определенную проблему всегда представляет защита от перегрузок и токов

Рис. 2.1.17. Радиатор с параллельно включенными MOSFETB схеме трехфазного моста

Рис. 2.1.18. Схема соединения транзисторов в трехфазный мост при их параллельной работе

короткого замыкания (КЗ). Обычно в маломощных преобразователях эта проблема решается следующим образом: в цепь истока транзистора включается небольшое активное сопротивление, напряжение с которого подается на компаратор, отключающий схему управления затвором в случае превышения силового тока установленных пределов. В более мощных устройствах применяют специальные шунты, токовые трансформаторы или датчики на основе эффекта Холла, имеющие гальваническую развязку с силовыми цепями. Мы будем говорить о таких способах обеспечения защиты в последующих главах, а сейчас расскажем о способе защиты, который можно реализовать, применяя специальные типы силовых транзисторов.

Сразу оговоримся, что использование внешних датчиков для контроля токов представляется далеко не всегда оптимальным решением, поскольку на резистивном датчике тока теряется мощность (а значит, падает КПД), силовые цепи становятся более протяженными, трудно обеспечить необходимый компромисс между быстродействием схемы защиты и степенью чувствительности к ложным срабатываниям. Но есть более простой и эффективный способ организации токовой защиты.

Как известно, технология изготовления мощных полевых транзисторов такова, что его кристалл состоит из множества мелких ячеек, через которые в открытом состоянии протекают параллельные токи, суммирующиеся на истоке. Токи равномерно распределяются между ячейками, поэтому, обособив некоторое количество ячеек и сделав от них токовый отвод, можно, измеряя его величину, судить о величине полного тока, протекающего через прибор. Такие транзисторы называются приборами со считыванием тока (hex sense MOSFET). Внешний вид транзистора с функцией считывания тока, размещенного в корпусе типа T0-220, показан на рис. 2.1.19, там же приведено его условное обозначение в схемах. Выпускаются транзисторы со считыва-

Рис. 2.1.19. Внешний вид и условное обозначение транзистора MOSFET со

считыванием тока

нием тока и в других корпусах, о которых мы не упоминаем в этой книге. Разные фирмы по-разному маркируют такие приборы. Например, фирма «International Rectifier» обозначает их индексом «С» (начальная буква слова current), например, IRC740, IRCZ44, IRCP450. В номенклатуре фирмы «Philips» эти транзисторы имеют наименования BUK7105, BUK7905, BUK7107.

Практически полевой транзистор со считыванием тока состоит из двух параллельных полевых транзисторов, называемых «силовым» и «считывающим». Стоки обоих транзисторов объединены, а вот силовой и считывающий истоки — разные. Силовой исток обозначается традиционной буквой S, считывающий — словосочетанием current sense (CS). Имеется еще один специфический вывод, обозначаемый в технической документации как kelvin source и называемый кельвин-выводом. Этот вывод подключен к истоку силового транзистора таким образом, чтобы исключить влияние основного тока на считываемый ток.

Главным параметром такого транзистора в части контроля протекающих токов является отношение тока, протекающего через вывод истока (силового тока) и тока, протекающего через считывающий элемент:

где r — коэффициент считывания тока (current sensing ratio);

id — величина силового тока;

ic — величина считывающего тока.

Конечно, результат, полученный из расчетов по формуле (2.1.14), будет слегка отличаться от истины, поскольку ток стока является суммой силового и измерительного токов. Но это обстоятельство не следует считать принципиальным, поскольку считывающий транзистор используется не для точного измерения протекающего тока, а для приблизительной фиксации состояния перегрузки. Для серийно выпускаемого транзистора типа IRC740 коэффициент считывания тока составляет примерно 2660…2940.

Чтобы обеспечить правильное считывание тока, между выводами current sense и kelvin source включается небольшое сопротивление (рис. 2.1.20), сигнал с которого можно усилить, подать на схему стабилизации или отключения при перетрузке.

Одной из проблем управления стандартными полевыми транзисторами является необходимость наличия напряжения величиной около

10..                 .15 В для гарантированного их открытия. Конечно, никаких трудностей не возникает, если схема управления питается указанным напряжением. Но если управляющая схема построена на основе логических элементов или микроконтроллера с питанием 5 В, и других источников питания в схеме нет? Вот для таких случаев разработаны и

серийно выпускаются транзисторы с логическим уровнем управления (logic-level gate drive), затворы которых можно непосредственно подключать к выходам цифровых микросхем. Фирма «International Rectifier», выпускающая транзисторы с логическим уровнем управления, маркирует эту продукцию индексом L (logic), например, IRLZ44, IRLZ544. Данные транзисторы MOSFET практически ничем не отличаются от стандартных приборов, кроме сниженного максимально-допустимого напряжения «затвор—исток» и иной характеристики заряда затвора (рис. 2.1.21).

Мы уже говорили о том, что при разработке схемотехники статических преобразователей всегда много внимания уделяется схемам защиты от перегрузок. И даже появление достаточно устойчивых к аварийным режимам полевых транзисторов полностью не решило проблему защиты от перегрузок. Как показывает практика, обезопасить схему от

Рис. 2.1.21. Кривая заряда затвора MOSFET с логическим уровнем управления на примере IRLZ44NL

потенциального пробоя с помощью простых схемотехнических методов не слишком трудно, однако защита от теплового и токового пробоя требует гораздо более сложных решений. Революционным шагом на пути создания отказоустойчивых элементов стал разработанный фирмой «International Rectifier» набор транзисторов MOSFET со встроенной системой самоконтроля — так называемых интеллектуальных ключей (intelligent power switch). Эти транзисторы маркируются индексом IPS, например, IPS0151,1Р8511.Доля их производства среди выпускаемых на сегодняшний момент транзисторов MOSFET по-прежнему невелика, но они все-таки находят свое применение в преобразовательной технике.

На рис. 2.1.22 схематически показаны основные узлы таких транзисторов, предназначенных как для управления нагрузкой, подключенной к стоку (так называемый «транзистор нижнего плеча»), так и нагрузкой, подключенной к истоку («транзистор верхнего плеча»).

Рис. 2.1.22. Интеллектуальный MOSFET: а — для управления нагрузкой в стоке; б — для управления нагрузкой в истоке

Оба типа транзисторов управляются входным логическим сигналом напряжением 5 В.

Схема контроля состояния транзистора нижнего плеча (рис. 2.1.22, а) постоянно «следит» за температурой кристалла и за величиной протекающего тока. При превышении температуры порога 165 °С, а также при превышении тока стока определенного значения схема контроля отключает транзистор вне зависимости от состояния сигнала управления.

В интеллектуальном MOSFET верхнего плеча, кроме входа управления IN, имеется также диагностический выход DG (выход статуса), по состоянию которого можно не только судить о режиме работы транзистора, но и диагностировать возможные неисправности. Так, в нормальном режиме работы, сигнал с выхода DG повторяет входной сигнал управления. При обрыве нагрузки на выходе DG будет установлена логическая «единица», при превышении температуры порога 165 °С, а также при превышении тока стока определенного значения на выходе DG будет установлен логический «нуль». Температурная защита имеет некоторый гистерезис, формируемый схемой контроля. Это означает, что восстановить функционирование транзистора в нормальном режиме удастся только после снижения температуры кристалла до 158 °С.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

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