В даний час в якості силових ключів великої і середньої потужності застосовуються в основному MOSFET і IGBT транзистори. Якщо розглядати ці транзистори як навантаження для схеми їх управління, то вони являють собою конденсатори з ємністю в тисячі пикофарад. Для відкриття транзистора, цю ємність необхідно зарядити, а при закриванні - розрядити, і як можна швидше. Зробити це потрібно не тільки для того, щоб ваш транзистор встигав працювати на високих частотах. Чим вище напруга на затворі транзистора, тим менше опору каналу у MOSFET або менше напруга насичення колектор-емітер у IGBT транзисторів. Граничне значення напруги відкриття транзисторів зазвичай становить 2 - 4 вольта, а максимальне при якому транзистор повністю відкритий 10-15 вольт. Тому слід подавати напругу 10-15 вольт. Але навіть в такому випадку ємність затвора заряджається не відразу і якийсь час транзистор працює на нелінійному ділянці своєї характеристики з великим опором каналу, що призводить до великої падіння напруги на транзисторі і його дії надмірного тепла. Це так зване прояв ефекту Міллера.
Для того щоб ємність затвора швидко зарядилася і транзистор відкрився, необхідно щоб ваша схема управління могла забезпечити якомога більший струм заряду транзистора. Ємність затвора транзистора можна дізнатися з паспортних даних на виріб і при розрахунку слід прийняти Свх = Сiss.
Для прикладу візьмемо MOSFET - транзистор IRF740. Він володіє наступними важливими нас характеристиками:
Час відкриття (Rise Time - Tr) = 27 (нс)
Час закриття (Fall Time - Tf) = 24 (нс)
Вхідна ємність (Input Capacitance - Сiss) = 1400 (пФ)
Максимальний струм відкриття транзистора розрахуємо як:
Максимальний струм закриття транзистора визначимо за тим же принципом:
Так як, зазвичай ми використовуємо для живлення схеми управління 12 вольт, то струмообмежуючі резистор визначимо використовуючи закон Ома.
Тобто, резистор Rg = 20 Ом, згідно стандартному ряду Е24.
Так само необхідно врахувати максимальну напругу навантаження, яке будуть коммутировать ключі. В даному випадку воно дорівнює 200 вольт.
Наступним, дуже важливим параметром є швидкість замикання. Це дозволяє усунути протікання наскрізних струмів в двотактних схемах, зображеної на малюнку нижче, викликають втрати і перегрів.
Якщо ви уважно читали початок статті, то за паспортними даними транзистора видно, що час закриття повинно бути менше часу відкриття і відповідно струм замикання вище струму відкриття If> Ir. Забезпечити більший струм закриття, можна зменшивши опір Rg, але тоді також збільшиться і ток відкриття, це вплине на величину комутаційного сплеску напруги при виключенні, залежить від швидкості спаду струму di / dt. З цієї точки зору підвищення швидкості комутації є більшою мірою негативним чинником, що знижує надійність роботи пристрою.
В такому випадку скористаємося чудовою властивістю напівпровідників, пропускати струм в одному напрямку, і встановимо в ланцюзі затвора діод, який буде пропускати струм замикання транзистора If.
Таким чином, отпирающий ток Ir буде протікати через резистор R1, а замикає струм If - через діод VD1, а так як опір p - n переходу діода набагато менше, ніж опір резистора R1, то і If> Ir. Для того щоб струм замикання не перевищував свого значення, послідовно з діодом включимо резистор, опір якого визначимо нехтуючи опором діода у відкритому стані.
Візьмемо найближчий менший зі стандартного ряду Е24 R2 = 16 Ом.
Тепер розглянемо, що ж означає назва драйвера верхнього і драйвера нижнього ключа.
Відомо, що MOSFET і IGBT транзистори управляються напругою, а саме напругою заствор-витік (Gate-Source) Ugs.
Що ж таке верхній і нижній ключ? На малюнку нижче наведена схема напівмоста. Дана схема містить верхній і нижній ключі, VT1 і VT2 відповідно. Верхній ключ VT1 підключений стоком до плюса харчування Vcc, а витоком до навантаження і повинен відкриватися напругою прикладеним щодо витоку. Нижній же ключ, стоком підключається до навантаження, а витоком до мінуса харчування (землі), і повинен відкриватися напругою, прикладеним щодо землі.
І якщо з нижнім ключем все гранично ясно, подав на нього 12 вольт - він відкрився, подав на нього 0 вольт - він закрився, то для верхнього ключа потрібна спеціальна схема, яка буде відкривати його щодо напруги на початку транзистора. Така схема вже реалізована всередині драйвера. Все що нам потрібно, це додати до драйверу бустрептную ємність С2, яка буде заряджатися напругою живлення драйвера, але щодо витоку транзистора, як це зображено на малюнку нижче. Саме цим напругою і буде відпиратися верхній ключ.
Дана схема цілком працездатна, але використання бустрептной ємності дозволяє їй працювати у вузьких діапазонах. Ця ємність заряджається, коли відкритий нижній транзистор і не може бути занадто великий, якщо схема повинна працювати на високих частотах, і так само не може бути замалою при роботі на низьких частотах. Тобто при такому виконанні ми не можемо тримати верхній ключ нескінченно відкритим, він закриється відразу після того як розрядиться конденсатор С2, якщо ж використовувати ємність побільше, то вона може не встигнути перезарядиться до наступного періоду роботи транзистора.
Ми не раз стикалися з цією проблемою і дуже часто доводилося експериментувати з підбором бустрептной ємності при зміні частоти комутації або алгоритму роботи схеми. Проблему вирішили згодом і дуже просто, найнадійнішим і «майже» дешевим способом. Вивчаючи Technical Reference до DMC1500, нас зацікавило призначення роз'єму Р8.
Почитавши уважно мануал і добре розібравшись в схемі всього приводу, виявилося, що це роз'єм для підключення окремого, гальванічно розв'язаного харчування. Мінус джерела живлення ми підключаємо до витоку верхнього ключа, а плюс до входу драйвера Vb і плюсовій ніжці бустрептной ємності. Таким чином, конденсатор постійно заряджається, за рахунок чого з'являється можливість тримати верхній ключ відкритим на стільки довго, на скільки це необхідно, не залежно від стану нижнього ключа. Дане доповнення схеми позволяетреалізовать будь-який алгоритм комутації ключів.
В якості джерела живлення для заряду бустрептной ємності можна використовувати як звичайний трансформатор з випрямлячем і фільтром, так і DC-DC конвертер.