Простой способ решения проблемы управления затвором MOSFET

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2014

Когда пороговое напряжение затвора MOSFET или IGBT превышает напряжение, которое можно получить от управляющей им схемы, стандартным приемом решения проблемы является использование операционного усилителя или специального драйвера. В предлагаемой схеме, выполняющей такую же задачу, используется оптоизолятор с горсткой простых пассивных компонентов.

В некоторых случаях возникает необходимость управлять MOSFET (или IGBT) с помощью сигнала, уровень которого ниже порогового напряжения затвора (V_TH). Чтобы поднять сигнал до уровня, достаточного для управления транзистором, обычно используют драйвер или операционный усилитель (ОУ). Однако, если напряжение источника, питающего устройство, ниже или близко к V_TH, управлять затвором MOSFET не сможет даже rail-to-rail ОУ.

Ниже описана простая схема управления затвором MOSFET, позволяющая использовать сигнал, амплитуда которого меньше V_TH (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Источник тока на основе оптрона позволяет использовать для управления MOSFET сигнал, уровень которого ниже порогового напряжения затвора. (R3 – внутреннее сопротивление генератора импульсов).

Изолированный светодиод диодного оптрона U1 питается напряжением нагрузки 2.5 В, а потенциометр R1 (100 кОм) подключен к выходу оптрона. Поскольку U1 является устройством с фотогальванической связью, в диапазоне напряжений до нескольких вольт, зависящем от характеристик конкретного прибора, он действует как источник постоянного тока.

Изменяя сопротивление резистора R1, можно менять смещение MOSFET Q1, управляя таким образом напряжением на R1 (Рисунок 2). Если сопротивление резистора R4 выбрать равным 68 Ом, ток светодиода установится на уровне порядка 16.5 мА, при котором ток короткого замыкания I_SC фотогальванического выхода будет равен примерно 48 мкА. Конденсатор C1 обеспечивает низкоимпедансный путь прохождения сигнала; его емкость должна быть больше входной емкости Q1. Для нашей схемы мы выбрали C1 = 0.1 мкФ, что превышает емкость затвора использованного MOSFET.

Рисунок 2.	Выходная характеристика прибора с фотогальванической связью показывает, что изменяя сопротивление R1, можно изменять смещение MOSFET.

Для тестирования схемы использовалась чисто резистивная нагрузка (2 Ом). С помощью подстроечного резистора R1 на затворе Q1 устанавливают напряжение, близкое к пороговому, которое, согласно измерениям, равно примерно 1.9 В. При использовании оптрона TPL191B максимально достижимое выходное напряжение составляет примерно 7 В (при этом V_OC равно примерно 8 В), что превышает пороговое напряжение V_TH большинства устройств. К входу схемы V_IN подключался генератор сигналов с внутренним сопротивлением 25 Ом, обозначенным на схеме как R3. Амплитуда сигнала составляла примерно 1.2 В. Как входное напряжение V_IN, так и выходное напряжение V_OUT измерялись осциллографом (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Совмещение на одной диаграмме выходного и входного напряжения позволяет увидеть небольшую задержку времени включения и выключения, в основном, обусловленную внутренним сопротивлением генератора импульсов, используемого в качестве источника тестового сигнала.

Общее напряжение, включающее MOSFET, составляет 1.2 В + 1.9 В = 3.1 В, что, превышает напряжение питания 2.5 В. Незначительная задержка включения и выключения обусловлена, прежде всего, внутренним сопротивлением R3 генератора импульсов. Небольшие выбросы выходного напряжения во время выключения связаны с тем, что сопротивление резистора R2 содержит небольшую индуктивную составляющую. В зависимости от тока стока и крутизны выбранного MOSFET, для переключения транзистора можно использовать входной сигнал меньшего уровня.

Схема работает в диапазоне от постоянного тока до высоких частот. Верхняя граница зависит только от используемого MOSFET. Чтобы посмотреть, что получится при установке в схему других MOSFET, воспользуйтесь LTSpice или иными средствами моделирования, заменив оптрон источником постоянного тока. Для нашей схемы используйте в модели источник тока 48 мкА.