2.4 Структурная схема управления преобразователя
Управляющее устройство (УУ) предназначено для формирования импульсов включения силовых транзисторных ключей. В настоящее время ключевые элементы преобразователя выполняются на биполярных и МОП транзисторах с изолированным затвором. Это обусловлено высокой скоростью их переключения, устойчивостью к скорости нарастания напряжения на закрытом приборе, способностью к пиковым перегрузкам по току и широкой области безопасной работы ключа. Для эффективного управления силовыми транзисторами разработаны семейства интегральных драйверов. Это специализированные микросхемы, например TL493/4/5, 1133ЕУ; 1114ЕУ; 1156ЕУ и т.д. Общим для данных микросхем является использование широтно-импульсной модуляции для регулирования выходного напряжения. При подключении микросхемы необходимо организовать контур обратной связи по напряжению (или току) для его стабилизации.
На рисунках 2.14 показаны упрощенные функциональные схемы управления для одно- и двухтактных преобразователей. Схемы содержат: генератор пилообразного напряжения G, усилитель сигнала ошибки (У), источник опорного напряжения (ИОН), компаратор (ШИМ), делитель напряжения обратной связи (R1, R2).
Если на вход делителя подать выходное напряжение U0, то часть его
Uос =U0 R2/(R1+R2) воздействует на прямой вход ОУ. Выходной сигнал ОУ определяется разностью напряжений Uос и Uион и коэффициентом усиления ОУ
Uу = UОС Ку = (U0 R2/(R1+R2) - Uион) Ку.
Так как на входе компаратора (ШИМ) действуют два сигнала, то на интервале превышения пилообразного над напряжением U на выходе компаратора образуются импульсы прямоугольной формы, длительность которых зависит от величины UОС.
Рисунок 2.14 – Функциональная схема устройства управления
а) однотактным преобразователем; б) двухтактным преобразователем
Особенностью двухтактных схем управления является необходимость разделения последовательности импульсов с выхода компаратора на две, для поочередного управления ключами преобразователя. Для этой цели тактовые импульсы поступают на логическое устройство (L), осуществляющее распределение импульсов по силовым ключам.
Для расширения функциональных возможностей схемы могут содержать ряд дополнительных элементов. К ним относятся пороговые элементы для защиты по току и от превышения (понижения) напряжения и т.д. (блок защиты).
Элементы схемы, объединенные штрих пунктиром выполняются в одном корпусе специализированной микросхемы.
2.5 Драйверы полевых транзисторов
Драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов - устройства для управления мощными полупроводниковыми приборами в выходных каскадах преобразователей электрической энергии. Они используются в качестве промежуточного звена между управляющей схемой (контроллером или цифровым сигнальным процессором) и мощными исполнительными элементами.
Этапы развития энергетической (силовой) электроники определяются достижениями в технологиях силовых ключей и их схем управления. Доминирующим направлением в энергетической электронике является повышение рабочих частот конверторов, входящих в состав импульсных источников питания. Преобразование электроэнергии на более высоких частотах позволяет улучшить удельные массогабаритные характеристики импульсных трансформаторов, конденсаторов и дросселей фильтров. Динамические и статические параметры силовых приборов постоянно улучшаются, но мощными ключами надо еще и эффективно управлять. Для сбалансированного взаимодействия между управляющей схемой и выходными каскадами и предназначены мощные высокоскоростные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов. Драйверы имеют высокие выходные токи (до 9 А), малые длительности фронта, спада, задержки и другие интересные отличительные особенности. Классификация драйверов приведена на рисунке 2.15.
Рисунок 2.15 -Классификация драйверов
Драйвер должен иметь, по крайней мере, один внешний вывод (в двухтактных схемах два), который относится к обязательным. Он может служить как предварительным импульсным усилителем, так непосредственно ключевым элементом в составе импульсного источника питания.
В качестве управляемого прибора в силовых схемах различного назначения могут применяться биполярные транзисторы, МОП – транзисторы и приборы триггерного типа (тиристоры, симисторы). Требования, предъявляемые к драйверу, осуществляющему оптимальное управление в каждом из этих случаев различны. Драйвер биполярного транзистора должен управлять током базы при включении и обеспечивать рассасывание неосновных носителей в базе на этапе выключения. Максимальные значения тока управления при этом мало отличаются от усредненных на соответствующем интервале. МОП – транзистор управляется напряжением, однако в начале интервалов включения и выключения драйвер должен пропускать большие импульсные токи заряда и разряда емкостей прибора. Приборы же триггерного типа требуют формирования короткого импульса тока только в начале интервала включения, поскольку выключение (коммутация) у наиболее распространенных приборов происходит по основным, а не управляющим электродам. Всем этим требованиям в той или иной степени должны удовлетворять соответствующие драйверы.
На рисунках 2.16…2.18 представлены типовые схемы включения биполярного и полевого МОП – транзисторов с использованием одного транзистора в драйвере. Это так называемые схемы с пассивным выключением силового транзистора. Как видно из рисунка, по структуре драйвера схемы эти вполне идентичны, что позволяет использовать одни и те же схемы для управления транзисторами обоих типов. В этом случае рассасывание носителей, накопленных в структуре транзистора, происходит через пассивный элемент – внешний резистор. Сопротивление его, шунтирующее управляющий переход не только при выключении, но и на интервале включения, не может быть выбрано слишком малым, что ограничивает скорость рассасывания заряда.
Для увеличения быстродействия транзистора и создания высокочастотных ключей необходимо снизить сопротивление цепи сброса заряда. Это осуществляется с помощью транзистора сброса, включаемого только на интервале паузы. Соответствующие схемы управления биполярным и МОП – транзисторами представлены на рисунке 2.17.
а) б)
Рисунок 2.16 - Драйверы с пассивным выключением силового транзистора
а) б)
Рисунок 2.17 - Драйверы с тотемным выходом
Такую схему управления принято называть схемой с тотемным выходом (Totem pole), а соответствующие транзисторы – транзистором питания (Source) и сброса (Sink).
Из рисунка 2.18 видно, что тотемный выход можно использовать не только для непосредственного управления биполярными и полевыми транзисторами, но и для управления через развязывающий трансформатор. В этом случае управление можно применять для любой топологии конвертора (с развязанным и не развязанным выходом), что делает такую структуру особенно ценной и приводит к широкому применению тотемных выходов для управления МОП – транзисторами.
а) б)
Рисунок 2.18 - Управление транзистором через развязывающий трансформатор