Управление силовым транзистором

Типовые схемы управления ключами на MOSFET транзисторах представлены на рис.2.7: с ограничением входного напряжения (рис. 2.7,а) и с форсированным запиранием (рис. 2.7,б).

Рис. 2.7

 

Для надежного отпирания транзистора необходимо, чтобы амплитуда напряжения управления U_упр удовлетворяла условию:

где

U_отс – пороговое напряжение отпирания (рис. 2.8,а);

S – крутизна характеристики.

При быстром переключении транзистора необходимо учитывать наличие паразитных емкостей затвор–исток C_зи и затвор–сток C_зс, которые изменяют уровень управляющего напряжения на затворе при переключении транзистора. Переходной процесс переключения можно представить диаграммой, приведенной на рис.2.8,б.

а) б)

Рис.2.8 – Диаграммы переключения MOSFET транзистора.

 

На интервале t₂ - t₁ происходит заряд C_зи и перезаряд C_зс. До напряжения равного U_отс, транзистор остается закрытым. Длительность этого интервала:

На интервале t₃ - t₂ на процесс перезаряда C_зс влияет эффект Миллера (отрицательная обратная связь). Длительность этого интервала оценивается:

где напряжение включения, т.е. насыщение ключа.

На интервале t₄ - t₃ происходит окончательный перезаряд С_зс. Длительность интервала:

Выключение VT происходит в обратной последовательности и длительность этих интервалов оценивается аналогичными выражениями.

Транзистор с индуцированным каналом с низким пороговым напряжением может управляться непосредственно выходным напряжением логических ИМС ТТЛ и КМОП.

Управление при помощи КМОП–схем не обеспечивает большой скорости переключения, потому что их выходной ток мал и не может быстро перезарядить входную емкость мощного транзистора. Для уменьшения времени перезаряда можно соединить параллельно несколько маломощных КМОП–схем или усиливать выходной ток двухтактным эмиттерным повторителем (см. рис.2.6).

При управлении ИМС ТТЛ низкое напряжение питания (обычно 5В) и большое внутреннее сопротивление источника управления ограничивают уровень напряжения на затворе и время включения транзистора. На рис.2.9 показан способ уменьшения выходного сопротивления источника управления.

Еще лучше результаты получаются при использовании ИМС с открытым коллектором (рис.2.10).

 

Рис. 2.9 Рис. 2.10

На рис. 2.11 показан способ управления с помощью импульсного трансформатора. При появлении положительного напряжения на его вторичной обмотке входная емкость МДП-транзистора заряжается через внутренний паразитный диод VD транзистора VT 1. Входная емкость остается заряженной до смены полярности управляющего напряжения. Когда транзистор VT 1 отпирается, он быстро разряжает входную емкость силового транзистора, тем самым запирая его.

Рис.2.11

 

Высокая частота переключения может вносить существенный вклад в суммарные потери при работе ключа, которые необходимо учитывать при определении температуры транзистора. Тепловой режим ПТ определяется полной мощностью, выделяемой в приборе:

где N_пер – потери на переключение;

N_оп – потери на активном сопротивлении канала VT;

N_упр – потери в цепи управления;

N_ут – потери за счет тока утечки.

Обычно , поэтому пренебрегая двумя последними слагаемыми, получим

Потери в открытом состоянии ПТ равны:

где – сопротивление сток-исток VT в открытом состоянии,

– действующее значение тока

Потери на переключение вычисляются по формуле:

где E_пер – полная энергия, выделяемая в ПТ при включении и выключении. Значения составляющих E_пер приводятся в технических характеристиках прибора;

f – частота переключений.