2.3. Формирователи импульсов управления с совместной передачей энергии и формы управляющего сигнала
2.3.1. Трансформаторные фиу биполярных транзисторов
По методу управления различают два режима: постоянный ток управления (ток базы) при изменении тока нагрузки и пропорциональное изменение тока управления с изменением тока нагрузки [3,5]. Импульсный трансформатор используется как трансформатор напряжения или как трансформатор тока (рис. 2.9). Пропорциональное управление более выгодно, поскольку при постоянном токе управления расходуется избыточная мощность.
Рис. 2.9 Рис. 2.10
Практическая схема трансформаторного ФИУ для ключевого высоковольтного транзистора на рис. 2.10.
На рис. 2.11 представлена схема преобразователя для питания галогеновой лампы напряжением 12 В. Используется автогенераторное управление на основе импульсного трансформатора с насыщающимся сердечником. Входной ток транзисторов задается пропорциональным току нагрузки, поскольку импульсный трансформатор используется в режиме трансформатора тока. R2 и R3, включенные последовательно с входной цепью силового транзистора, имеют небольшую величину и служат для выравнивания разброса входных дифференциальных сопротивлений. Первичная обмотка импульсного трансформатора выполнена в виде одного витка. Количество витков вторичной обмотки определяется коэффициентом передачи тока силового транзистора. Рабочая частота переключения определяется параметрами импульсного трансформатора и материалом магнитного сердечника, устанавливается в диапазоне 25...50 кГц.
Рис. 2.11
Обычные схемы коммутации обладают недостатком — увеличенным фронтом спада силового тока, что вызывает значительные динамические потери. Одним из способов снижения мощности потерь является предварительный вывод силового транзистора из режима глубокого насыщения с последующим форсированным запиранием за счет размыкания цепи эмиттера. Этот принцип управления реализуется с применением индуктивной коммутации эмиттера на основе импульсного трансформатора тока (рис. 2.12). При включении силового транзистора импульсом эмиттерного тока начинает увеличиваться ток в катушке индуктивности намагничивания импульсного трансформатора под действием приложенного к ее обмоткам напряжения.
Рис. 2.12
В результате суммарный ток в эмиттерной цепи постепенно уменьшается. В некоторый момент времени, управляющий ток снижается до нулевого значения, и силовой транзистор плавно выходит из насыщения. При возрастании напряжения на коллекторе выше некоторого значения происходит (по сигналу датчика) отключение первичной обмотки трансформатора от источника питания.
При этом ток намагничивания продолжает протекать встречно эмиттерной цепи силового транзистора, вызывая его форсированное выключение. Диаграммы переходных процессов в транзисторном ключе показаны на рис. 2.13.
Рис. 2.13
2.3.2. Трансформаторные фиу для ключей с изолированным затвором
В ключевых приборах с изолированным затвором (МДП-транзисторы, IGBT, МСТ) потери во входной цепи минимальны. Поэтому импульсные трансформаторы применяются в высокочастотных схемах мостовой конфигурации или в схемах с заземленной нагрузкой [3]. Схема подключения трансформаторного ФИУ представлена на рис. 2.14.
Рис. 2.14
Основными проблемами применения трансформаторных ФИУ для ключей с изолированным затвором являются:
1. Зависимость амплитуды импульса управления от скважности.
При использовании импульсного трансформатора площади положительной и отрицательной части сигнала (рис. 2.15) При открытом и закрытом ключе равны друг другу. При увеличении длительности прямого сигнала происходит уменьшение его амплитуды. Увеличение скважности более чем на 30% приводит к снижению амплитуды напряжения управления с 15 В до 12 В, что является пределом для ключей с изолированным затвором. Расширить диапазон скважности за счет увеличения напряжения питания ФИУ ограничены амплитудой 20 В максимально допустимой для изолированных затворов.
Рис. 2.15
2. Ограничение максимальной и минимальной длительности передаваемого сигнала.
Возможность магнитного насыщения сердечника трансформатора ограничивает максимальную длительность передаваемого сигнала (не более 100...200 мкс). При очень коротких импульсах (единицы микросекунд) ограничивается скорость нарастания тока в силовом ключе, ухудшается динамика выключения из-за недостаточной энергии, запасенной в обмотках трансформатора.
3. Зависимость стабильности времени выключения от длительности прямого сигнала. Эта проблема также связана с изменением мощности запирающего сигнала от длительности открытого состояния ключа.
Решение перечисленных проблем осуществляется схемотехническими способами. Снижение тока намагничивания от длительности прямого импульса обеспечивается включением в первичную обмотку трансформатора разделительного конденсатора, выполняющего также функцию дополнительного источника питания при запирании ключа (рис. 2.16).
На рис. 2.17 представлена схема трансформаторного ФИУ, обеспечивающая управление в диапазоне скважности от 1 до 99%. Заряд входной емкости силового ключа обеспечивается в данной схеме через внутренний диод дополнительного транзистора.
Рис. 2.16
Импульсный трансформатор может работать в режиме насыщения, поскольку контур разряда входной емкости при закрытом дополнительном транзисторе отсутствует. При переключении сигнала в первичной обмотке дополнительный ключ отпирается, обеспечивая разряд входной емкости и выключение силового ключа. Дополнительный ключ, отпираемый за счет энергии обратного выброса, обеспечивает в схеме на рис. 2.18 постоянство времени выключения силового транзистора даже при значительном изменении ширины прямого импульса управления. Импульсный трансформатор эффективно используется в схеме управления трехфазным мостовым инвертором для двигателя переменного тока (рис. 2.19).
Пакеты управляющих импульсов частотой 3 МГц выделяются на выходе логической схемы «И» и через эмиттерный повторитель и разделительный конденсатор поступают на первичную обмотку импульсного трансформатора. Пакет представляет собой результат логического перемножения сигнала несущей частоты 3 МГц и ШИМ-сигнала частотой ~ 12...20 кГц, генерируемых с помощью микроконтроллера, управляющего работой преобразователя. Далее управляющий пакет выпрямляется на вторичной стороне ФИУ и используется для управления силовым ключом. Для надежного запирания ключа используется дополнительный р-n-р-транзистор, аналогично рассмотренной схеме на рис. 2.18. Осциллограммы импульса управления показаны на рис. 2.20.
Рис. 2.17
Рис. 2.18
Рис. 2.19
Рис. 2.20
Высокая частота передаваемого пакета, а также низкая мощность, потребляемая во входной цепи ключей с изолированным затвором, позволяют использовать импульсный трансформатор очень малых размеров. В приведенной схеме управления, используется тороидальный сердечник с площадью поверхности 3 см2, весом 1 г.