Розробнику енергозберігаючої апаратури, який використовує сучасну елементну базу силової електроніки, необхідно вміти правильно організовувати структуру управління потужними силовими напівпровідниковими приладами. Нижче розглянемо найбільш часто зустрічаються на практиці випадки організації такого управління. В залежності від конкретної ситуації можна використовувати керування КМОП-логікою, емітгернимі повторителями, схемами управління з поділом ланцюгів заряду і розряду вхідний ємності. Розглянемо особливості організації управління за допомогою КМОП-логіки. На рис. 3.97 показаний КМОП інвертор, утворений рМОП і ПМОП транзисторами з індукованим каналом.

Рис. 3.97. КМОП інвертор

Напруга живлення КМОП інвертора може змінюватися в широких межах. У статичному стані і без навантаження такий елемент споживає дуже малий струм, оскільки один з транзисторів в статичному стані завжди закритий. Якщо на вході інвертора напруга логічного нуля UQ, То Т1 відкритий, а Т2 – закритий, якщо напруга логічної одиниці ί /, то Т2 відкритий, а Т1 – закритий.

На рис. 3.98 показаний приклад організації управління MOSFET-транзистором Т за допомогою стандартного КМОП-інвертора. Схема управління потужним MOSFET за допомогою КМОП логіки є однією з найпростіших, але така схема ефективно працює при повільному перемиканні MOSFET. Оцінимо час перемикання, наприклад, для типових вихідних струмів КМОП-інвертора, які складають ~ 24 мА (або 0,024 А). Час заряду ємності затвора MOSFET визначимо з виразу:

Для стандартних значень Um = 5 В, С і = 4 нФ отримуємо, що час перемикання At = 4 · 10-9 · 5/0,024 = 833 · 10-9 с = 833 нс.

Ефективним способом скорочення часу включення і виключення потужного польового транзистора ТЗ є застосування емітерний повторювачів між логічною схемою, ШІМ-контролером і затвором транзистора, як показано на рис. 3.99 [15].

Рис. 3.99. Управління MOSFET і IGBT за допомогою емітерний повторювачів

При відмиканні MOSFET включається транзистор Т1 верхнього плеча емітгерного повторювача, який забезпечує протікання вхідного струму транзистора ТЗ, величина якого визначається виразом:

>

Отже, що надходить через резистор R1 з виходу контролера ток посилюється в β + 1 разів, що дозволяє істотно зменшити час включення MOSFET

При замиканні MOSFET значення його вхідного струму буде визначатися таким виразом:

)

Резистор R3, що включається між загальною шиною і затвором потужного транзистора, необхідний для усунення виходу з ладу MOSFET (ТЗ) у випадку, коли напруга живлення + Un не подав, а транзистор ТЗ вже запитан. Ємність С необхідна для зниження рівня перешкод на затворі транзистора ТЗ.

Необхідно дотримуватися наступне обов’язкова умова – елементи ΤΙ, Т2, R2, R3 повинні бути розташовані на платі в безпосередній близькості з транзистором ТЗ.

При великої потужності, перемикається MOSFET (у навантаженні 1,5 кВт і більше), ланцюги заряду і розряду вхідний ємності С і транзистора ТЗ слід повністю розділити, як це показано на рис. 3.100, причому при виборі резисторів R2, R3 емітгерного повторювача необхідно забезпечувати умову: R3 багато менше R2,

Рис. 3.100. Управління MOSFET з поділом ланцюгів заряду і розряду вхідний ємності

Рис. 3.101. Управління стійкою (напівміст) MOSFET і IGBT

Окремої уваги потребує розгляд особливостей організації управління стійкою (напівміст) MOSFET і IGBT, яка досить часто зустрічається на практиці. Спеціальні пристрої для управління MOSFET і IGBT можуть безпосередньо подавати напругу на затвор, забезпечуючи при цьому необхідну величину струму заряду вхідний ємності. Додатковий транзистор потрібно в затворної ланцюга для забезпечення режиму швидкого для швидкого замикання MOSFET (рис. 3.101) [15].

Схема працює таким чином. Два вихідних сигнали від керуючого драйвера знаходяться в протифазі. При високій напрузі на висновку DRV1A (по відношенню до DRV1B) на виведенні DRV2A має місце низьке напруга (по відношенню до DRV2B), і навпаки. Резистори R2 і R4 забезпечують підтримку закритого стану транзисторів Т1 і Т2 при відсутності сигналів на виході драйвера.

Низькоомні резистори R1 і R3 обмежують значення струмів вихідних каскадів драйвера. При відмиканні одного з транзисторів (наприклад, Т1) висока напруга з виходу 1 (DRV1A) драйвера через діод D1 поступає на затвор Т1. Транзистор ТЗ в інтервалі відкритого стану Т1 виявляється замкненим. Якщо напруга на даному виході драйвера близько до нуля, біполярний транзистор відкривається, а вхідні ємність швидко розряджається через відкритий р-п-р транзистор.

В окремих випадках застосовується схема управління за допомогою трансформатора, коли використання драйвера з якихось причин неможливо або коли потрібна гальванічна розв’язка між ШІМ-контролером і силовим ключем.

Рис. 3.102. Управління стійкою (напівміст) MOSFET і IGBT за допомогою трансформатора

На представленій схемі нижній MOSFET управляється безпосередньо від ШІМ-контролера, а верхній – від трансформатора. Такий спосіб застосовується, коли використовуються польові транзистори не дуже великий потужності, а частота їх перемикання в пристрої досить висока, що не дозволяє використовувати ІМС драйвера.

Джерело: Білоус О.І., Єфименко С.А., Турцевич А.С., Напівпровідникова силова електроніка, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. кол. вкл.