ДРАЙВЕР ЗАТВОРА СИЛОВОГО КЛЮЧА

Полезная модель относится к силовой преобразовательной технике, в частности к импульсным источникам питания. Устройство может быть использовано для управления силовым ключом в случаях, когда требуется гальваническая изоляция силового ключа от схемы управления либо при наличии между ними разности потенциалов, в частности для управления «верхними» ключами в мостовых и им подобных схемах.
Прототипом данной полезной модели является широко известная схема, приводимая во многих зарубежных руководствах (в частности, в статье [1], ее русский перевод в книге [2] - см. Приложение 1).
Схема содержит трансформатор Т1, первичная обмотка 1-2 которого соединена со схемой управления, а вторичная обмотка 3-4 соединена соответственно с затвором и истоком силового ключа. При этом контакт Х1 на входе первичной обмотки соединен с выходом схемы управления, обеспечивающим втекающий и вытекающий токи, достаточные для управления силовым ключом. Контакт Х2 первичной обмотки подключен к общему проводу схемы управления, контакт Х3 вторичной обмотки 3-4 - к затвору силового ключа, контакт Х4 вторичной обмотки 3-4 - к истоку силового ключа. Конденсатор С1 на входе первичной обмотки исключает протекание постоянной составляющей тока через обмотку, и тем самым предотвращает насыщение сердечника трансформатора. Резистор R1 на выходе вторичной обмотки определяет ток перезаряда входной емкости силового ключа, стабилитрон D1 защищает затвор силового ключа от выброса напряжения, возникающего из-за наличия паразитной индуктивности рассеяния трансформатора.
Недостатки данной схемы хорошо известны и описаны, в частности, в статье [3], ее русский перевод [4]. Первый недостаток заключается в том, что открывающее напряжение на затворе ключа зависит от коэффициента заполнения импульсов. Так при равенстве витков в обмотках трансформатора и коэффициенте заполнения 10% напряжение на затворе будет составлять 90% от выходного напряжения схемы управления, а при коэффициенте заполнения 50% - только 50%, что может не хватить для открывания транзистора. Эта проблема решается увеличением коэффициента трансформации, но тогда возникают дополнительные трудности. Во-первых, такой трансформатор менее технологичен, во-вторых, выход схемы управления должен обеспечивать больший ток, в-третьих, потребуется обеспечить достаточно узкий диапазон напряжения питания схемы управления. Последнее необходимо, чтобы при любом сочетании напряжения питания и коэффициента заполнения обеспечить, с одной стороны, надежное открывание транзистора, и в то же время ограничить максимальное напряжение на затворе на безопасном уровне.
Второй недостаток заключается в том, что разделительный конденсатор и индуктивность намагничивания обмотки образуют колебательный контур, из-за чего на импульсы управления затвором могут накладываться низкочастотные колебания, особенно в моменты резкого изменения коэффициента заполнения. Это, в свою очередь, может приводить к уменьшению открывающего напряжения на затворе ниже порога открывания транзистора. Для устранения этого эффекта необходимо правильно выбирать емкость и тщательно тестировать схему в переходных режимах.
Таким образом, преодоление этих недостатков вызывает определенные издержки в виде удорожания схемы и увеличения времени на ее отладку.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение надежности работы ключа за счет исключения зависимости открывающего напряжения на затворе ключа от коэффициента заполнения импульсов.
Для достижения заявленного результата в драйвере затвора силового ключа, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого соединена со схемой управления, а вторичная обмотка через последовательно включенный резистор подключена к затвору и истоку силового ключа, а также двусторонний стабилитрон, включенный между затвором и истоком силового ключа, изменена схема подключения первичной обмотки трансформатора к схеме управления. Для этого в схему введены МОП-транзистор, подключенный затвором и стоком к первичной обмотке трансформатора, а истоком к общему проводу схемы управления, и диод, подключенный анодом к стоку МОП-транзистора, а катодом - к плюсу питания схемы управления.
Данное решение способствует формированию неизменных по амплитуде импульсов управления на затворе ключа при любом значении коэффициента заполнения импульсов в диапазоне 0-50%, причем независимо от скорости и направления изменения коэффициента заполнения импульсов, что исключает зависимость амплитуды управляющего импульса на затворе силового ключа от коэффициента заполнения импульсов в диапазоне от 0% до 50%, а также исключает возможность паразитных колебаний, обусловленных наличием разделительного конденсатора, что повышает надежность работы ключа.
Предлагаемое устройство показано на фиг. 1. Устройство содержит управляющий трансформатор Т1, вспомогательный МОП-транзистор Q1, диод D2, резистор R1, двусторонний стабилитрон D1. Контакт Х1 подсоединяется к выходу схемы управления, обеспечивающему втекающий и вытекающий токи, достаточные для управления силовым ключом, контакт Х2 - к общему проводу схемы управления, контакт Х3 - к затвору силового ключа через резистор R1, контакт Х4 - к истоку силового ключа. Контакт Х5 подсоединяется к «плюсу» питания схемы управления.
Устройство работает следующим образом. Импульс положительного напряжения, сформированный на выходе схемы управления, открывает Q1, вследствие чего вывод 2 трансформатора Т1 коммутируется на общий провод схемы управления и к первичной обмотке 1-2 трансформатора Т1 прикладывается напряжение, близкое к выходному напряжению схемы управления. Это напряжение трансформируется во вторичную обмотку 3-4 и прикладывается к затвору силового ключа, обеспечивая его открывание. Резистор R1 определяет ток перезаряда входной емкости силового ключа, a D1 защищает затвор силового ключа от выброса напряжения, возникающего при коммутации из-за наличия паразитной индуктивности рассеяния трансформатора Т1. По окончании действия управляющего импульса напряжение на выходе схемы управления становится близким к нулю, и Q1 закрывается. Соответственно, напряжение на выводе 1 Т1 близко к нулю, а напряжение на выводе 2 Т1 может принимать значение от нуля до напряжения питания схемы управления, благодаря двум фиксирующим диодам: «верхнему» диоду D2 и «нижнему» диоду, в качестве которого используется внутренний паразитный диод Db транзистора Q1. На этапе выключения силового ключа ток разряда его входной емкости проходит через резистор R1 и обмотку 3-4 от вывода 3 к выводу 4 Т1, трансформируется в обмотку 1-2 от вывода 2 к выводу 1, и замыкается через паразитный диод Db на общий провод, при этом напряжение на обмотках Т1 близко к нулю. На этом этапе величина тока перезаряда входной емкости ключа определяется только сопротивлением R1, при допущении идеальности элементов схемы. По окончании этапа перезаряда входной емкости силового ключа ток намагничивания трансформатора замыкается через диод D2 на «плюс» питания схемы управления, и на обмотке 1-2 возникает обратное напряжение, близкое к напряжению питания схемы управления, которое является восстанавливающим для трансформатора. По окончании восстановления трансформатора токи и напряжения на его обмотках уменьшаются до нуля. При коэффициенте заполнения от 0% до 50% автоматически обеспечивается равенство вольт-секундных площадей на обмотках Т1 в прямом и обратном направлениях, что исключает насыщение сердечника трансформатора.
Таким образом, достигается заявленный технический результат. Кроме того, благодаря достигнутому техническому результату, предлагаемая полезная модель имеет следующие преимущества по отношению к прототипу:
1) используется трансформатор с равным числом витков в обмотках, что минимизирует индуктивность рассеяния трансформатора и снижает себестоимость намотки;
2) напряжение питания схемы управления может иметь более широкий рабочий диапазон, что упрощает разработку схемы;
3) не требуется дополнительный запас по нагрузочной способности выхода схемы управления, что в ряде случаев удешевляет схему;
4) отсутствуют возможные проблемы при работе в переходных режимах, что упрощает разработку и повышает надежность работы схемы.
Литература:
[1] "UC3842/3/4/5 Provides Low-Cost Current-Mode Control" 1999, Texas Instruments Incorporated, стр. 8;
[2] "Микросхемы для импульсных источников питания и их применение" Москва, Издательский дом «Додэка-XXI», 2001, стр. 110;
[3] "Gate Drive Design Tips" 2006, Dr. Ray Ridley, Ridley Engineering;
[4] "Советы по управлению затвором мощного полевого транзистора" КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 8 2008.