Материал: Разработка и применение высокоскоростных схем управления силовыми полевыми транзисторами
Полученные результаты демонстрируют ничтожные потери в обмотках трансформатора управления. Тем не менее, низкое сопротивление обмоток и высокая индуктивность намагничивания чрезвычайно критичны для минимальных искажений передаваемого сигнала. Также заметим, что рассматриваются потери в меди исключительно для переменного тока – в установившемся режиме работы через обмотки не течет никакого постоянного тока.
Наконец, рассмотрим расположение обмоток в окне магнитопровода. Первичная обмотка располагается внутри, ближе всего к керну, на ней – выходная обмотка нижнего ключа, и снаружи – входная обмотка верхнего ключа. Все обмотки мотаются в один слой. Выходная обмотка нижнего ключа образует естественный экран против паразитных емкостных токов между сигнальной землей и «летающей» частью схемы.
|
G |
|
|
выходная обмотка |
|
|
верхнего ключа |
выходная обмотка |
A |
S |
верхнего ключа |
|
выходная обмотка |
|
первичная обмотка |
|
|
|
нижнего ключа |
|
|
G |
|
|
|
|
B |
выходная обмотка |
первичная обмотка |
|
|
|
|
нижнего ключа |
|
|
S |
|
8
Приложение F
Пошаговый пример разработки схем управления от уровня земли и высокой стороны на примере обратноходового конвертора с активным демпфером.
Разработка схем управления начинается после того, как полностью разработана силовая часть и выбраны все силовые элементы. Ниже представлена упрощенная схема силовой части обратноходового преобразователя с активным демпфированием.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
IN |
= 156VDC |
Cclamp |
|
|
||||||
|
- |
0.1uF |
|
|
|||||||
|
|
D2 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
Vclamp = 129VDC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
MUR860 |
Vo =130VDC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
ID2 |
Q2 |
|
|
|
|
|
Rload |
|
|
|
|
|
IRF740 |
|
|
OUT2 |
|
|
|
85 Ohms |
|
6 |
|
Lr |
|
|
|
|
драйвер |
|
||
|
|
14uH |
|
||
|
|
|
верхнего |
|
|
|
|
|
|
|
|
-4 |
|
|
уровня |
|
|
UCC3580 |
|
|
ID1 |
A |
|
|
|
|
|
||
|
OUT1 |
4 |
драйвер |
|
D1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
MUR860 |
|
|
|
|
нижнего |
|
|
|
PGND |
5 |
уровня |
Q1 |
|
|
|
|
IRFP350 |
|
|
|
|
|
|
|
Интересующие нас параметры схемы:
VDS1,off = VDS2,off = 285V |
напряжение сток-исток ключей Q1 и Q2 в выключенном состоянии. Оба |
|
транзистора переключаются между уровнем земли (0V) и напряжением |
|
VIN+VCLAMP |
ID1 = 2.7A |
пиковый ток стока ключа Q1 при его выключении |
TJ = 100°С |
рабочая температура блока |
LR = 14uH |
резонансная индуктивность активного демпфера силовой части |
Характеристика выходных драйверов микросхемы UCC3580-4: |
|
OUT1 |
OUT2 |
VDRV = 15V |
VDRV = 15V |
DMAX1 = 0.7 |
DMAX2 = 0.95 |
fDRV = 250kHz |
fDRV = 250kHz |
RHI1 = 20Ω |
RHI2 = 33Ω |
RLO1= 10Ω |
RLO2= 33Ω |
9
Расчетные параметры полевых транзисторов основаны на методологии, описанной в предыдущих приложениях и приведены для заданной рабочей температуры.
IRFP350 |
IRF740 |
QG1 = 135nC |
QG2 = 60nC |
CGD1 = 148pF |
CGD2 = 71pF |
COSS1 = 391pF |
COSS2 = 195pF |
RG1,I = 1.2Ω |
RG2,I = 1.63Ω |
VTH1= 3.2V |
VTH2= 3.5V |
VGS1,Miller = 4.2V |
VGS2,Miller = 4.8V |
Следующим шагом определим скорость нарастания напряжения во внешней резонансной цепи и предельно допустимые скорости для нашего устройства. В точке А резонансная индуктивность LR разряжается и заряжается через эквивалентную емкость схемы. Ток индуктора практически не изменяется в течении короткого времени переходного процесса, и может рассматриваться как постоянный ток. Эквивалентная емкость схемы в точке А и результирующая скорость изменения напряжения будет:
CR = COSS1+COSS2 |
CR = 391pF+195pF = 586pF |
||||||||||
|
dv |
≈ |
ID1 |
|
|
dv |
≈ |
2.7A |
= 4.6 |
kV |
|
|
dtRES |
CR |
|
dtRES |
586pF |
μs |
|||||
|
|
|
|
|
|||||||
Для предотвращения ложного включения полевого транзистора из-за большой скорости нарастания напряжения на нем должно выполняться условие (при RGATE = 0Ω):
dv |
= |
|
VDRV − VGS,Miller |
|
dv |
= |
|
|
|
15V − 4.2V |
|
= 3.4 |
kV |
|
|||||||||||
dtON |
(RG,I + RHI ) ∙ CGD |
dtQ1,ON |
|
|
(1.2Ω + 20Ω) ∙148pF |
μs |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dv |
= |
|
|
15V − 4.8V |
|
= 4.15 |
kV |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.63Ω + 33Ω) ∙ |
71pF |
μs |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dtQ2,ON |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
dv |
|
|
= |
|
VTH |
dv |
|
|
|
= |
3.2V |
|
|
|
= 1.93 |
kV |
|||||||||
dtLIMIT |
|
|
(RG,I + R LO ) ∙ CGD |
|
dtQ1,LIMIT |
|
(1.2Ω +10Ω) ∙148pF |
|
|
μs |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dv |
|
|
|
= |
3.5V |
|
|
|
= 1.42 |
kV |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dtQ2,LIMIT |
|
|
(1.63Ω + 33Ω) ∙ 71pF |
|
|
|
|
|
μs |
||||||||
Поскольку скорость нарастания напряжения на резонансных элементах больше чем рассчитанная величина
dv/dtLIMIT для обеих транзисторов, необходимо использовать ускоряющие выключение схемы и там, и там. Ниже приведены раздельные схемы управления для нижнего и верхнего ключей соответственно.
OUT2 |
6 |
|
|
UCC3580-4 |
|
OUT1 |
4 |
|
|
PGND |
5 |
|
|
A |
|
|
|
|
-4 |
|
D |
|
UCC3580 |
|
|
|
|
RGATE1 |
|
|
|
1N5819 |
QOFF |
10K |
Q1 |
IRFP350 |
|
|
|
|
Q2 |
|
|
|
|
IRF740 |
OUT2 |
|
1:1 |
D |
|
|
|
|
||
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1 |
|
C2 |
|
|
|
|
RB |
|
|
|
|
150 |
10K |
|
1N5819 |
|
|
|
|
|
QOFF |
A |
|
OUT1 |
|
|
||
4 |
|
D |
|
|
|
|
|
||
PGND |
|
|
RGATE2 |
|
5 |
|
|
|
10
Теперь величина dv/dtLIMIT должна быть пересчитана с учетом выходного импеданса шунтирующей схемы. Так же не забудем о падении напряжения в 0.7V на p-n переходах транзисторов QOFF.
dv |
= |
|
3.2V − 0.7V |
= 14 |
kV |
|
dv |
= |
|
3.5V − 0.7V |
= 24 |
kV |
dtQ1,LIMIT |
1.2Ω ∙148pF |
μs |
|
dtQ2,LIMIT |
1.63Ω ∙ 71pF |
μs |
||||||
|
|
|
|
|
||||||||
Следующим шагом будет расчет затворного резистора RGATE. Его величина определяет скорость открывания ключа, которая в свою очередь должна быть меньше dv/dtLIMIT. Уменьшение скорости открывания силового ключа
должна благотворно сказываться на уменьшении электромагнитных помех и уменьшать проблемы с восстановлением выпрямительных диодов. В данном случае скорость спада напряжения при открывании обоих ключей ограничена 2.3kV/μs. Эта величина выбрана из расчета половины скорости изменения напряжения резонансной цепи во всех режимах работы. Соответственно:
|
dv |
= |
|
|
VDRV − VGS,Miller |
, откуда |
RGATE = |
|
DRV |
|
|
GS,Miller |
− (RHI + RG,I ) |
|||||
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
− V |
|
||||||||
|
dtON |
|
(RG,I + RGATE + R HI ) ∙ CGD |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
dv |
|
∙ CGD |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
dtON |
|
|||||||||||
и: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
RGATE 1 = |
15V − 4.2V |
− (20Ω + 1.2Ω) = 10.5Ω |
RGATE 1 = |
|
15V − 4.8V |
− (33Ω + 1.6Ω) = 27Ω |
|||||||||||
|
|
|
|
|
kV |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
2.3 |
kV |
∙148pF |
|
|
2.3 |
∙ 71pF |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
μs |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
μs |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
На этом разработку схемы управления нижнего ключа можно считать законченной. Для верхнего драйвера еще необходимо произвести расчет трансформатора управления. Здесь мы опустим его детальный пошаговый анализ – он будет совершенно аналогичен приведенному в Приложении Е. Для дальнейшего расчета приведем нужные нам характеристики:
LM = 100μH |
|
|
|
индуктивность намагничивания трансформатора |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
IM,P = 75mA |
|
|
|
пиковый ток намагничивания при D=0.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
В схеме два развязывающих конденсатора, и их величину также необходимо рассчитать. Примем VC1=0.65V и |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
VC2=0.65V. Сумма этих пульсаций |
будет присутствовать на затворе транзистора Q2 ( VGATE=1.3V). |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CC2 = |
|
QG2 |
+ |
(VDRV − VD,FW ) ∙ DMAX |
|
|
|
|
CC2 = |
|
60nC |
+ |
|
(15 − 0.7V) ∙ 0.95 |
= 100nF |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.65∙10kΩ ∙ 250kHz |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
VC2 |
|
|
|
VC2 ∙ RGS ∙ fDRV |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.65V |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Q |
G2 |
|
(V − V ) ∙ D V ∙ (D2 − D3 ) |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
CC1 = |
|
|
|
|
|
+ |
DRV |
D,FW |
|
|
|
+ |
DRV |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
V |
V ∙ R |
GS |
∙ f |
DRV |
V ∙ 4 ∙ L |
M |
∙ f 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1 |
|
C1 |
|
|
|
|
|
C1 |
DRV |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где D=0.68, соответствующий максимальной величине СС1 в первой формуле. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
Проверим постоянную времени запуска цепи развязки по постоянному току: |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
τ = |
2 ∙ π ∙ fDRV ∙ LM ∙ RGS ∙ CC1 |
|
|
|
|
τ = |
2 ∙ π ∙ 250kHz ∙100μH ∙10kΩ ∙ 235nF |
= 36μs |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 ∙ π ∙ fDRV ∙ LM + RGS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 ∙ π ∙ |
250kHz ∙100μH +10kΩ |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
Теперь проверим потери и рассеиваемую мощность в выходных драйверах UCC3850: |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
PGATE = VDRV∙(QG1+QG2) ∙fDRV |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
PGATE = 15V∙(135nC+60nC) ∙250kHz = 731mW |
||||||||||||||||||||||||||||
POUT1 = |
1 |
|
∙ |
|
|
|
|
|
|
RHI1 |
|
|
∙ QG1 ∙ VDRV ∙ fDRV |
|
POUT1 = |
|
0.5 ∙ 20Ω ∙135nC ∙15V ∙ 250kHz |
= 162mW |
|||||||||||||||||||||
2 |
|
RHI1 |
+ RGATE1 + RG!,I |
|
|
|
|
|
20Ω + 10Ω +1.2Ω |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
POUT 2 = |
1 |
|
∙ |
|
|
|
|
|
|
RHI 2 |
|
|
|
|
∙ QG 2 ∙ VDRV ∙ fDRV |
+ |
IM2 ,P |
∙ R HI 2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
2 |
|
|
RHI 2 |
+ RGATE 2 + RG2,I |
3 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
11
P |
= 0.5∙ 33Ω ∙ 60nC ∙15V ∙ 250kHz |
+ |
(75mA)2 |
∙ 33Ω = 122mW |
|
||||
OUT 2 |
33Ω + 27Ω + 1.2Ω |
3 |
|
|
|
|
|||
В итоге имеем 731mW общих потерь в схеме управления, из них 284mW рассеивает UCC3580.
Наконец, рассчитаем необходимую величину шунтирующего конденсатора. Энергии этого конденсатора должно хватать на перезаряд входных емкостей обоих силовых ключей, на потери в резисторах RGS1 и RGS2, и на перемагничивание трансформатора. Емкость этого конденсатора может быть оценена как:
C |
|
≈ |
Q |
G1 |
+ Q |
G2 |
+ |
|
V ∙ D |
MAX1 |
+ |
(V − V |
|
) ∙ D |
MAX1 |
|
+ |
V ∙ (D2 |
− D3 |
|
) |
|
|
|||||||||||||||
DRV |
|
|
|
|
DRV |
|
|
DRV |
D,FW |
|
|
|
|
|
DRV |
MAX1 |
|
MAX1 |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
V |
|
|
|
V |
|
∙ R |
GS1 |
∙ f |
DRV |
|
|
V |
∙ R |
GS2 |
∙ f |
DRV |
|
|
|
|
V ∙ 4 ∙ L |
M |
∙ f |
2 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
DRV |
|
|
DRV |
|
|
|
|
|
DRV |
|
|
|
|
|
|
DRV |
DRV |
|
|
|
|||||||||||||
C |
DRV |
≈ |
135nC + 60nC |
+ |
|
15V ∙ 0.7 |
|
|
+ |
(15V − 0.7V) ∙ 0.7 |
|
+ |
|
|
15V ∙ (0.72 − 0.73 ) |
= 291nF |
||||||||||||||||||||||
|
|
1V |
|
|
1V |
∙10kΩ ∙ 250kHz |
|
|
1V ∙ 4 ∙100μH ∙ (250kHz)2 |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1V ∙10kΩ ∙ 250kHz |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
12