г. Киев, ул. Северо-Сырецкая 1-3
т. (044) 400-00-46 т/ф. (044) 594-26-75

Управление МОП-транзисторами через изоляторы фирмы NVE

Application Bulletin AB-12

Широкое использование мощных МОП-транзисторов  для  коммутации  нагрузки в контроллерах двигателей, конверторах  и драйверах породило много искусных  решений для повышения их эффективности.

В этой статье вкратце рассмотрены некоторые  решения и показано, как с помощью микросхем серии IsoLoop® можно улучшить управление мощными транзисторами.

Основная проблема связана с коммутацией  нагрузки через верхнее плечо драйвера к плюсу питания при минимальном падении напряжения на  МОП-транзисторе. Неполное открытие ключа ведет к потери полезной мощности, а полное - требует  подачи на затвор напряжения, на 10-12В превышающее напряжение источника питания.

Мощные МОП-транзисторы

Современные МОП-транзисторы - это, как правило,  транзисторы с вертикальной структурой, так называемые DMOS (double diffused). Вертикальная структура позволила добиться больших значений предельно допустимых напряжений и токов. В эту же структуру входит и защитный диод между истоком и стоком.

Рис. 1. МОП-ключ  верхнего плеча

По принципу работы DMOS-транзистор не отличается от других полевых транзисторов. мотрите, например, http://kftt.karelia.ru/~ivash/MOPT_b/texts/glava2_1.html)

Несмотря на то, что утечка затвора может составлять всего лишь десятки наноампер, входная емкость мощных DMOS-транзисторов значительна, и потери мощности при переключении на больших частотах требуют, например, больших размеров радиатора, чем при расчете по постоянному току, исходя из проводимости канала.

 Эффективность и надежность  ключевого транзистора может быть увеличена, если разумно управлять его затвором, используя гальваническую развязку от источника питания выходной части. В качестве драйвера затвора вместо оптоизоляторов могут быть использованы изоляторы NVE, имеющие превосходные характеристики переключения.

Схема управления верхним плечом

Обычно используют два варианта  управления затвором  МОП-ключа в мостовой и полумостовой  схеме: с "плавающим" источником питания драйвера и с вольтодобавкой. Оба варианта требуют  состыковки необходимых уровней входных и выходных сигналов. В драйвере с вольтодобавкой схема сдвига уровня встроена в микросхему, тогда как плавающий драйвер затвора традиционно использовал опторазвязку.

В Табл. 1 перечислены микросхемы, которые можно использовать для сдвига уровня в драйвере затвора.

Таблица 1. Перечень микросхем изоляторов NVE для драйвера затвора.

На Рис.2 показана структура драйвера затвора верхнего плеча, использующего плавающий источник питания.

Рис. 2. Структурная схема драйвера затвора верхнего плеча

Схема Рис.2 имеет преимущество по сравнению со схемой вольтодобавки, в которой затвор подпитывается импульсами с конденсатора вольтодобавки и которая имеет ограничения по максимальной частоте и мощности.

В случае плавающего драйвера затвора применение изоляторов IsoLoop вместо опторазвязок позволяет увеличить стойкость к переходным напряжением от 5кВ/мкс до 30кВ/мкс, а искажение ширины импульса (PWD) - от 15нс до 1нс при задержке распространения 8нс. Все это позволяет повысить эффективность переключений по сравнению со схемами опторазвязок

Синхронные выпрямители

Синхронные выпрямители решают проблему падения напряжения на открытом диоде (0,6 - 0,7В) в традиционной схеме выпрямителя источника питания.  В низковольтных приложениях, где напряжение питания всего 3,3В или 2,7В , повысить эффективность источника питания можно путем замены диодов на МОП ПТ с малым сопротивлением во включенном состоянии.

Ключевым пунктом в проектировании контроллера управления затворами является временное положение управляющих сигналов.

Управление должно быть таким, чтобы обеспечивались следующие условия:

- выпрямитель на МОП ПТ в целом не должен проводить ток в любой заметный период времени, в особенности перед подачей обратного напряжения;

- управление затвором осуществляется в период времени, когда во вторичной обмотке трансформатора отсутствует напряжение размагничивания сердечника;

- управление затвором переключает ток от одного МОП ПТ к другому за минимальное время. При типичной рабочей частоте выше 100кГц и времени нарастания и спада менее 50нсек временная задержка при управлении затвором должна быть порядка 10нсек.

В современных источниках питания для  телекоммуникаций, промышленной и автомобильной электроники используются ШИМ-контроллеры, синхронные выпрямители с управлением от  микроконтроллеров, позволяющих обеспечить и эти, и другие условия. Такие задачи, как плавный запуск, ранее требовавшие сложной схемотехники, теперь решаются программно. В зависимости от конкретного приложения МК может быть на стороне первичной или вторичной обмотки. Как и в случае драйвера завора, применение изоляторов фирмы NVE вместо оптоизоляторов является предпочтительным.

На Рис. 3 показана схема  управления с МК на стороне первичной обмотки и подачей импульсов управления синхронным выпрямителем через микросхему  IL711. Если дополнительно потребуется  подача сигнала обратной связи со вторичной обмотки,  в схеме может добавиться IL710.

Рис. 3. Интеллектуальный преобразователь постоянного тока с синхронным выпрямителем

ISB-AP-12; rev. April 2008