2.2. Формирователи импульсов управления

Большинство узлов систем управления выполняет функции формирования и преобразования по определенным законам элек­трических сигналов информационного уровня, характерного для микроэлектронных устройств обработки информации. В целях по­вышения КПД и уменьшения массогабаритных показателей сис­темы управления стремятся к снижению мощности сигналов, преобразуемых и вырабатываемых системой управления.

Функции формирователей импульсов управления выполняют усилители, пред­назначенные для усиления информационного сигнала управления в сигнал с пара­метрами, необходимыми для гарантированного включения и выключения полу­проводникового ключа. Помимо требований к мощности сигнала управления ключом часто предъявляются требования к форме сигнала, поэтому иногда ФИУ называют усилителями-формирователями импульсов управления. Схема ФИУ в первую очередь зависит от типа управляемого прибора и его статических и динамических свойств.

Управление биполярными транзисторами. Основными требованиями, предъяв­ляемыми к ключу на биполярном транзисторе, являются насыщение транзистора током базы, обеспечивающее беспрепятственное протекание тока коллектора на интервале, когда транзистор должен быть включен, и минимизация тока утечки на интервале, когда транзистор должен быть выключен. Идеальная форма тока базы i_B и напряжения база-эмиттер u_ВЕ для биполярного транзистора представлена на рис.2.2.

При реализации такого импульса необходимо учитывать следующее:

• повышенная амплитуда тока базы при включении обеспечивает снижение времени задержки на включение;

• биполярный транзистор включается током, поэтому его ток базы должен создаваться источником тока, а не источником напряжения;

• после включения ток базы снижается, в результате чего накопленный в базе заряд уменьшается, это приводит к снижению времени на выключение;

• импульс обратного тока базы при выключении приводит к более быстрому снижению тока коллектора i_С, т.е. более быстрому выключению;

• после выключения обратное напряжение база-эмиттер u_ВЕ обеспечивает повышение допустимого напряжения коллектор-эмиттер u_СЕ и снижает ток утечки транзистора.

Рис. 2.2. Идеальный импульс управления биполярным транзистором

На практике необязательно осуществлять такое сложное управление, требую­щее дополнительных устройств в цепях ФИУ. Требования к сигналу управления определяются требованиями к быстродействию ключа (рабочей частоте коммутаций) и к величине потерь в нем. Проблема в создании ФИУ биполярных транзисторов состоит еще и в том, что не всегда возможно соединение «земли» системы управ­ления и эмиттера транзистора. Часто нагрузка подключается к эмиттеру транзис­тора. В этом случае необходимость гальванической развязки между цепями сис­темы управления и силовой схемой является обязательной функцией ФИУ. Простейшая схема ФИУ транзистора представлена на рис. 2.3, а. В этой схеме реализован усилительный каскад с двумя дополнительными транзис­торами для увеличения сигнала малой мощности микросхемы до необходимого значения и источником отрицательного напряжения для создания в моменты паузы (когда ключ выключен) отрицательного напряжения на базе транзистора, которое способствует более полному и надежному запиранию транзистора.

Для уменьшения потребляемой ФИУ мощности применяют парные (комплементар­ные) транзисторы VT2, VT3, работающие попеременно (рис. 2.3, б). Когда импульс управления отсутствует (u_У = 0), транзистор VT4 включен и через его коллектор протекает отпирающий ток базы VT2. Силовой транзистор VT1 включается током эмиттера транзистора VT2.

Транзистор VT3 при этом выключен, так как его эмит­тер имеет отрицательный потенциал относительно базы. Конденсатор С₁ заряжа­ется током базы силового транзистора, обеспечивая бросок тока при включении транзистора. В момент поступления импульса от микросхемы управления тран­зисторы VT4 и VT2 выключаются, а транзистор VT3 включается напряжением кон­денсатора С₁, который, разряжаясь, обеспечивает базовый ток силового транзис­тора при выключении.

а б

Рис. 2.3. Формирователь импульсов управления биполярного транзистора:

а- схема транзисторного усилителя; б- схема на парных транзисторах

Для повышения быстродействия биполярного транзистора при выключении необходимо не допускать его глубокого насыщения. С этой целью используются дополнительные элементы, входящие в состав ФИУ. На рис. 2.4 приведена схема, в которой дополнительные диоды подключены к транзистору VT.

Рис. 2.4. Формирователь импульсов управления биполярного транзистора

Диод VD1, соеди­няющий коллектор транзистора с цепью управления, обеспечивает коллектор-эмит­тер транзистора VT напряжением, примерно равным напряжению база-эмиттер. Такое распределение напряжений позволяет работать транзистору в режиме, близ­ком к насыщению. Диод VD3 обеспечивает протекание обратного тока при запира­нии транзистора.

Управление МОПБТ и МОП - транзисторами. Особенности управления МОП транзистором связаны, во-первых, с тем, что при постоянном напряжении затвор-исток UGS через затвор протекает незначительный ток (порядка нескольких нано­ампер), во-вторых, на процессы включения и выключения значительное влияние оказывает входная емкость транзистора, скорость перезаряда которой определяет время включения и выключения транзистора (рис. 2.5, а).

┴

a б

Рис. 2.5. Формирователь импульсов управления МОП – транзистора: а- схема управления от ИМС; б- схема управления с усилителем тока на парных транзисторах

Управление МОПБТ аналогично управлению МОП- транзистором, так как эти приборы имеют сходные физические принципы управления потоком носителей электронных зарядов посредством изменения поля, создаваемого напряжением, подаваемым на управляющие элект­роды. Этими транзисторами можно управлять выходным сигналом микросхемы системы управления напряжением 5-15 В и током менее десятка миллиампер.

Однако для управления мощными транзисторами применяют усили­тели тока, схема которых соответствует схеме двухтактного эммитерного повторителя на парных биполярных транзисторах (рис. 2.5, б). В этой схеме биполярные транзисторы VT2 и VT3 является источником тока более быстрого переза­ряда собственной входной емкости управляемого транзистора VT1.

Управление МОПБТ может быть реализовано ФИУ, аналогичными приведенным на рис. 2.5. Однако использование МОПБТ большой мощности в преобразователях, работающих с широтно-импульсной модуляцией напряжения или тока, на повышенных частотах при жестких требованиях к дина­мическим потерям мощности, защите силового транзистора во всех режимах работы, включая перегрузку и короткое замыкание, потребовало создания специ­альных устройств — «интеллектуальных» драйверов. Примером такого драйвера может служить устройство для управления IGBT большой мощности на напряже­ние 1700 В и токи до 1200 А, обладающее широким набором функций, реализуе­мых на основе специального программируемого микроконтроллера, структурная схема которого приведена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Структурная схема формирователя импульсов управления IGBT

Контроллер управляет основными динамическими параметрами (скоростью нарастания тока и напряжения, временем задержки включения, максимальными значениями тока затвора и напряжения на коллекторе МОПБТ и т.п.) во всех режимах работы. При этом обеспечивается защита от перегрузки. В устройстве предусмотрена схема диагностики, позволяю­щая определить место и причину отказа МОПБТ. Применение управления дина­мическими процессами при включении и выключении силового транзистора поз­воляет значительно снизить уровень электромагнитных помех и улучшить электромагнитную совместимость силовых ключей с другими элементами элект­рической системы.

Управление тиристорами. При наличии на традиционном тиристоре прямого напряжения формируется импульс управления. Полярность напряжения, форми­рующего ток управления, соответствует положительному напряжению на управ­ляющем электроде тиристора относительно катода, что соответствует прямому смещению управляющего p-n-перехода.

Импульс управления должен иметь большую скорость нарастания тока и повышенную амплитуду при включении. Это ускоряет процесс включения и снижает возможность выхода тиристора из строя из-за повы­шенной скорости нарастания анодного тока di/dt. После завершения процесса включения импульс управления желательно сделать равным нулю, так как продол­жительный импульс увеличивает потери мощности в тиристоре. Типовая схема с импульсным трансформатором Тр для управления тиристором, выполненная по схеме двухкаскадного усилителя на транзисторах VT1 и VT2, приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Формирователь импульсов управления тиристора

Диод VD1 ограничивает перенапряжение на транзис­торе VT1, а диод VD2 ограничивает обратное напряжение на управляющем пере­ходе тиристора VS. Резистор R6 ограничивает ток управляющего электрода тирис­тора и одновременно ток коллектора транзистора VT1.

Запираемый тиристор, например GTO, выключается импульсом отрицатель­ного тока управляющего электрода. Поэтому ФИУ запираемых тиристоров дол­жен обеспечить формирование импульсов управления тока на включение и выключение тиристора. Ток включения должен иметь положительную поляр­ность, т. е. иметь направление от управляющего электрода к катоду, как в

обычном тиристоре. Импульс тока выключения должен иметь обратную полярность. Амп­литуда тока выключения соизмерима по значению с током выключения тиристора. Однако длительность импульса тока выключения мала и поэтому его энергия также незначительна. Это позволяет использовать в качестве источников импульсов управления конденсаторы с требу­емой запасенной энергией. Принцип формирования импульсов управления запи­раемых тиристоров поясняется схемой на рис. 2.8, где ключи S_вкл и S_выкл обеспе­чивают формирование токов включения i_вкл и выключения i_выкл при разряде конденсаторов С₂ и С₇, которые должны периодически заряжаться от дополни­тельных источников питания системы управления Е_n1 и Е_n2.

Рис. 2.8. Схема управления запираемым тиристором

В качестве ключей обычно используются транзисторы. На рис. 2.9 приведена схема ФИУ запираемого тиристора. Конденсаторы С₂ и С_З являются источниками формирования импульсов управления на включение и выключение при включении транзисторов VT1 и VT2 соответственно. Элементы R_l, R₂ и С₂ обеспечивают формирование тока включения. Резистор R3 способствует сохранению запирающей способности тиристора при неисправности системы управления. Функцию развязки цепей обычно выполняют драй­веры. Характерным примером является драйвер тиристора с выходным импульс­ным трансформатором (рис. 2.7).

При увеличении длительности импульсов управления мощность выходных трансформаторов возрастает. Поэтому при длительных импульсах управления для гальванической развязки целесообразно использовать высокочас­тотные трансформаторы, на вход которых подается переменное напряжение повы­шенной частоты с последующим выпрямлением и фильтрацией выходного напря­жения.

Рис. 2.9. Формирователь импульсов управления запираемого тиристора

На рис. 2.10, а представлена структурная схема, поясняющая принцип формирования импульса управления силового ключа.

б

Рис. 2.10. Формирователь импульсов управления силового ключа с гальванической трансформаторной развязкой: а- структурная схема; б- диаграммы напряжения

Напряжение источника питания постоянного тока Е_п системы управления преобразуется в переменное напряжение повышенной частоты (рис. 2.10, б) посредством простейшего инвертора малой мощности И. Это напряжение поступает на трансформатор и далее на диоды выпрямителя VD1 и VD2 при замкнутом ключе S_упр. Затем после фильтрации RC-цепью напряжение подается на вход силового ключа в виде импульса управления u_вых. Моменты времени t₀ начала формирования импульса и t₁ его окончания управляются ключом системы управления S_упр при воздействии сигнала управления u_у.

Широко распространенным способом гальванической развязки явля­ется использование оптопар, имеющих законченное конструктивное исполнение в виде отдельного компонента или разделенных оптоволоконным кабелем, проводя­щим световой поток. На рис. 2.11, а представлена структурная схема ФИУ, вход которого гальванически развязан с системой управления, формирующей сигнал управления малой мощности, поступающий на оптопару, состоящую из светоди­ода и фототранзистора.

а б

Рис. 2.11. Схемы с гальванической развязкой:

а- на основе оптопары; б- на основе оптотиристора

Выходной сигнал последнего поступает на формирователь импульса управления ФИУ. Выход ФИУ подключен к управляющему входу сило­вого ключа. Очевидно, что в этом случае оконечный каскад ФИУ непосредственно связан с силовой схемой. Кроме того, необходим дополнительный источник пита­ния, обеспечивающий функционирование ФИУ и имеющий, как правило, свою гальваническую развязку с силовыми цепями.

При использовании оптотиристоров импульс управления формируется свето­вым потоком, созданным, например, светодиодом системы управления СУ. При этом передача светового потока к оптотиристору осуществляется оптокабелем ОК (рис. 2.11, б).