При розробці силових схем статичних перетворювачів певну проблему завжди являє захист від перевантажень і струмів

Рис 2117 Радіатор з паралельно включеними MOSFETB схемою трифазного моста

Рис 2118 Схема зєднання транзисторів в трифазний міст при їх паралельній роботі

короткого замикання (КЗ) Зазвичай в малопотужних перетворювачах ця проблема вирішується таким чином: в ланцюг витоку транзистора включається невелике активний опір, напругу з якого подається на компаратор, що відключає схему управління затвором у разі перевищення силового струму встановлених меж У більш потужних пристроях застосовують спеціальні шунти, струмові трансформатори або датчики на основі ефекту Холла, що мають гальванічну розвязку з силовими ланцюгами Ми будемо говорити про такі способи забезпечення захисту в наступних розділах, а зараз розповімо про спосіб захисту, який можна реалізувати, застосовуючи спеціальні типи силових транзисторів

Відразу обмовимося, що використання зовнішніх датчиків для контролю струмів представляється далеко не завжди оптимальним рішенням, оскільки на резистивном датчику струму втрачається потужність (а значить, падає ККД), силові кола стають більш протяжними, важко забезпечити необхідний компроміс між швидкодією схеми і ступенем чутливості до помилкових спрацьовувань Але є більш простий і ефективний спосіб організації струмового захисту

Як відомо, технологія виготовлення потужних польових транзисторів така, що його кристал складається з безлічі дрібних осередків, через які у відкритому стані протікають паралельні струми, підсумовується на витоку Токи рівномірно розподіляються між осередками, тому, обособив деяку кількість осередків і зробивши від них струмовий відвід, можна, вимірюючи його величину, судити про величину повного струму, що протікає через прилад Такі транзистори називаються приладами зі зчитуванням струму (hex sense MOSFET) Зовнішній вигляд транзистора з функцією зчитування струму, розміщеного в корпусі типу T0-220, показаний на рис 2119, там же наведено його умовне позначення в схемах Випускаються транзистори зі зчитування

Рис 2119 Зовнішній вигляд і умовне позначення транзистора MOSFET зі

зчитуванням струму

ням струму і в інших корпусах, про які ми не згадуємо в цій книзі Різні фірми по-різному маркують такі прилади Наприклад, фірма «International Rectifier» позначає їх індексом «С» (початкова буква слова current), наприклад, IRC740, IRCZ44, IRCP450 У номенклатурі фірми «Philips» ці транзистори мають найменування BUK7105, BUK7905, BUK7107

Практично польовий транзистор зі зчитуванням струму складається з двох паралельних польових транзисторів, званих «силовим» і «прочитуючим» Стоки обох транзисторів обєднані, а ось силовий і зчитує витоки – різні Силовий витік позначається традиційної буквою S, що зчитує – словосполученням current sense (CS) Мається ще один специфічний висновок, що позначається в технічній документації як kelvin source і званий коливань-висновком Цей висновок підключений до витоку силового транзистора таким чином, щоб виключити вплив основного струму на зчитуваний струм

Головним параметром такого транзистора в частині контролю протікають струмів є ставлення струму, що протікає через вивід витоку (силового струму) і струму, що протікає через зчитує елемент:

де r – коефіцієнт зчитування струму (current sensing ratio)

id – Величина силового струму

ic – Величина зчитувального струму

Звичайно, результат, отриманий з розрахунків за формулою (2114), буде злегка відрізнятися від істини, оскільки струм стоку є сумою силового та вимірювального струмів Але ця обставина не слід вважати принциповим, оскільки зчитує транзистор використовується не для точного вимірювання викликаного струму, а для приблизної фіксації стану перевантаження Для серійно випускається транзистора типу IRC740 коефіцієнт зчитування струму становить приблизно 2660 .. 2940

Щоб забезпечити правильне зчитування струму, між висновками current sense і kelvin source включається невеликий опір (рис 2120), сигнал з якого можна підсилити, подати на схему стабілізації або відключення при перетрузке

Однією з проблем управління стандартними польовими транзисторами є необхідність наявності напруги величиною близько

10 . 15 В для гарантованого їх відкриття Звичайно, ніяких труднощів не виникає, якщо схема управління харчується зазначеним напругою Але якщо керуюча схема побудована на основі логічних елементів або мікроконтролера з харчуванням 5 В, та інших джерел живлення в схемі немає Ось для таких випадків розроблені і

серійно випускаються транзистори з логічним рівнем управління (logic-level gate drive), затвори яких можна безпосередньо підключати до виходів цифрових мікросхем Фірма «International Rectifier», випускає транзистори з логічним рівнем управління, маркує цю продукцію індексом L (logic), наприклад, IRLZ44, IRLZ544 Дані транзистори MOSFET практично нічим не відрізняються від стандартних приладів, крім зниженого максимально-допустимого напруги «затвор-витік» і іншої характеристики заряду затвора (рис 2121)

Ми вже говорили про те, що при розробці схемотехніки статичних перетворювачів завжди багато уваги приділяється схемами захисту від перевантажень І навіть поява досить стійких до аварійних режимам польових транзисторів повністю не вирішило проблему захисту від перевантажень Як показує практика, убезпечити схему від

Рис 2121 Крива заряду затвора MOSFET з логічним рівнем управління на прикладі IRLZ44NL

потенційного пробою за допомогою простих схемотехнічних методів не дуже важко, проте захист від теплового і токового пробою вимагає набагато більш складних рішень Революційним кроком на шляху створення відмовостійких елементів став розроблений фірмою «International Rectifier» набір транзисторів MOSFET з вбудованою системою самоконтролю – так званих інтелектуальних ключів (intelligent power switch) Ці транзистори маркуються індексом IPS, наприклад, IPS0151, 1Р8511Доля їх виробництва серед випускаються на сьогоднішній момент транзисторів MOSFET і раніше невелика, але вони все-таки знаходять своє застосування в перетворювальної техніки

На рис 2122 схематично показано основні вузли таких транзисторів, призначених як для управління навантаженням, підключеної до стоку (так званий «транзистор нижнього плеча»), так і навантаженням, підключеної до витоку («транзистор верхнього плеча»)

Рис 2122 Інтелектуальний MOSFET: а – для управління навантаженням в стоці б – для управління навантаженням в витоку

Обидва типи транзисторів управляються вхідним логічним сигналом напругою 5 В

Схема контролю стану транзистора нижнього плеча (рис 2122, а) постійно «стежить» за температурою кристала і за величиною викликаного струму При перевищенні температури порога 165 ° С, а також при перевищенні струму стоку певного значення схема контролю відключає транзистор незалежно від стану сигналу керування

В інтелектуальному MOSFET верхнього плеча, крім входу управління IN, є також діагностичний вихід DG (вихід статусу), станом якого можна не тільки судити про режим роботи транзистора, але і діагностувати можливі несправності Так, в нормальному режимі роботи, сигнал з виходу DG повторює вхідний сигнал управління При обриві навантаження на виході DG буде встановлена ​​логічна одиниця, при перевищенні температури порога 165 ° С, а також при перевищенні струму стоку певного значення на виході DG буде встановлений логічний «нуль» Температурний захист має деякий гістерезис, формований схемою контролю Це означає, що відновити функціонування транзистора в нормальному режимі вдасться тільки після зниження температури кристала до 158 ° С

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил