Компактный и экономичный изолированный импульсный драйвер МОП-транзисторов

Трехфазные управляемые выпрямители и инверторы, матричные циклоконвертеры и силовые каскады обычно содержат большое количество мощных транзисторов, каждый со своей собственной схемой управления. Схема на Рисунке 1 управляет емкостным входом силового устройства, такого как MOSFET или IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), импульсами с любыми коэффициентами заполнения на частотах от 1 до 200 кГц. Один трансформатор обеспечивает гальваническую развязку, и схема потребляет небольшую мощность от источника питания 15 В первичной стороны. Это устройство, успешно протестированное с использованием нескольких MOSFET и IGBT с входными емкостями до 5 нФ, может быть адаптировано для управления и более сильноточными приборами путем замены транзисторов драйвера и трансформатора связи, а также нескольких пассивных компонентов.

Рисунок 1.	Изолированный импульсный драйвер работает с любыми коэффициентами заполнения и потребляет энергию лишь во время процессов заряда и разряда емкости затвора.

Транзисторы Q₁ и Q₂ через разделительный трансформатор T₁ передают импульсы длительностью примерно 1 мкс на транзисторы Q₃ и Q₄, которые, в свою очередь, заряжают и разряжают входную емкость затвор-исток мощного выходного транзистора Q₅. Импульс заряда, формируемый транзистором Q₁, начинается с переднего фронта входного управляющего сигнала, а импульс разряда, формируемый транзистором Q₂, начинается со спадающего фронта управляющего сигнала. Дифференцирующие цепи, образованные элементами C₁, R₁, частью потенциометра P₁, элементами C₂, R₂ и оставшейся частью потенциометра P₁, устанавливают длительности импульсов заряда и разряда. При необходимости регулировкой потенциометра P₁ можно изменять баланс положительных и отрицательных напряжений заряда и разряда, получаемых затвором Q₅.

Транзисторы Q₃ и Q₄ передают импульсы, соответственно, для заряда или разряда входной емкости транзистора Q₅, а затем выключаются, образуя высокоимпедансную цепь, шунтирующую входную емкость Q₅, так что напряжение затвора Q₅ остается неизменным, если не считать медленного разряда из-за небольших токов утечки. Таким образом, схема драйвера потребляет мощность только в течение коротких интервалов времени, когда происходят процессы заряда и разряда емкости затвор-исток.

Когда транзисторы Q₁ - Q₄ выключаются, резисторно-диодные пары R₃, D₃, и R₄, D₄ создают пути для тока размагничивания трансформатора T₁. Хотя бóльшую часть времени они смещены в обратном направлении, диоды D₅ и D₆ образуют амплитудный дискриминатор, сконфигурированный как логическая схема «ИЛИ», чтобы гарантировать, что напряжения на затворах Q₃ и Q₄ никогда не будет меньше напряжения на емкости затвор-исток Q₅.

Резисторы R₅ и R₆ ограничивают скорости заряда и разряда емкости затвор-исток транзистора Q₅; их сопротивления могут меняться в зависимости от входных характеристик транзистора Q₅. Трансформатор T₁ намотан на сердечнике RM5/I из феррита 3E5 обмоточным проводом диаметром 0.2 мм. Первичная обмотка с отводом от середины имеет 20 витков, а вторичная – 12 витков.

Когда транзистор Q₁ включается, на вторичной обмотке трансформатора T₁ создается положительное напряжение, которое включает p-канальный MOSFET Q₃ и открывает паразитный диод транзистора Q₄, чтобы начать зарядку емкости затвор-исток Q₅. Скорость зарядки определяется в первую очередь сопротивлением открытого канала транзистора Q₃. Зарядка завершается либо по окончании импульса, либо когда напряжение затвор-исток MOSFET Q₅ приближается к значению, равному разности напряжения на вторичной обмотке T₁ и порогового напряжения затвора транзистора Q₃.

Затем Q₃ закрывается, позволяя зарядному току упасть до нуля, а заряду емкости достичь максимального положительного значения. Когда транзистор Q₁ закрывается, ток намагничивания трансформатора T₁ уходит через элементы R₃ и D₃. Напряжение на вторичной обмотке T₁ становится слегка отрицательным, чтобы сбалансировать вольт-секундную характеристику сердечника, вследствие чего паразитный диод транзистора Q₃ немного смещается в прямом направлении (без появления тока), а паразитный диод транзистора Q₄ блокирует разряд емкости затвор-исток Q₅.

Рисунок 2.	Вид сверху прототипа изолированного драйвера затвора показывает, что земляной слой под трансформатором T1 прерван изолирующим барьером (вверху справа).

Отрицательное напряжение, приложенное к затвору Q₄, не может включить транзистор, поскольку прямое напряжение диода D₅ устанавливает напряжение на затворе Q₄ большее, чем на затворе Q₅. Таким образом, входная емкость Q₅ остается заряженной, а путь ее разряда имеет высокое сопротивление. Когда Q₂ включается, отрицательное напряжение, которое появляется на вторичной обмотке T₁, открывает Q₄ и запускает процесс разряда, который заканчивается, когда напряжение исток-затвор Q₄ становится равным его пороговому уровню, или когда заканчивается импульс. Затем Q₄ выключается, и напряжение на емкости затвора Q₅ достигает своего минимального отрицательного значения. Когда Q₂ выключается, ток намагничивания трансформатора T₁ сбрасывается через D₄ и R₄, паразитный диод транзистора Q₄ открывается, а паразитный диод транзистора Q₃ блокирует напряжение затвор-исток Q₅. Высокое напряжение на диоде D₆, приложенное к затворам Q₃ и Q₄, гарантирует, что напряжение разрядки на вторичной обмотке T₁ не приведет к открыванию Q₃. Таким образом, все транзисторы остаются выключенными, а затворная емкость Q₅ остается разряженной. При следующем включении транзистора Q₁ последовательность повторяется.

Рисунок 3.	На верхней осциллограмме показано управляющее напряжение драйвера, а на нижней осциллограмме показано напряжение затвор-исток IGBT APT40GF120JRD (Q5) при частоте 20 кГц. Для регулировки высокого и низкого уровней напряжений затвор-исток 9.1 и 20.7 В, соответственно, можно использовать потенциометр P1.

На Рисунке 2 в сравнении с монетой в 1 евро показаны прототип драйвера и силовой транзистор. В транзисторе APT40GF120JRD с емкостью затвор-исток, равной 4 нФ, объединены IGBT и быстровосстанавливающийся диод, рассчитанные на максимальное напряжение 1200 В и ток до 60 А. Транзистор упакован в корпус JEDEC SOT-227 размером примерно 38 мм × 25 мм. На Рисунках 3 и 4 показаны осциллограммы сигналов управления IGBT Q₅ в схеме Рисунок 1 при частоте переключения 20 кГц. Задержка включения равна примерно 600 нс, а общий потребляемый ток составляет 22 мА при потребляемой мощности 0.33 Вт. При управлении транзисторами с меньшей емкостью затвор-исток задержка включения схемы и энергопотребление уменьшаются.

Рисунок 4.	На верхней осциллограмме показано напряжение затвор-исток управляемого транзистора, а на нижней – его напряжение коллектор-эмиттер, ослабленное пробником. Нагрузкой транзистора является резистор, подключенный к источнику питания.

Материалы по теме

1. Datasheet APT APT40GF120JRD
2. Datasheet Texas Instruments CD4049A
3. Datasheet Diodes ZVN2106A
4. Datasheet Diodes ZVP2106A