Материал: Разработка и применение высокоскоростных схем управления силовыми полевыми транзисторами

Ускоряющие схемы

Когда говорят об ускоряющих схемах, обычно имеют в виду повышение скорости выключения транзистора. Это связано с тем, что скорость включения силового ключа в источниках питания обычно ограничена скоростью выключения, или временем обратного восстановления выпрямительных компонентов. Например, как мы уже видели на примере схемы с демпфированной диодом индуктивностью (см. рис. 3), время включения транзистора связано со

11

временем выключения выпрямительного диода. Поэтому высокая скорость включения полевого транзистора сдерживается временем восстановления диода, а не свойствами схемы управления, и при оптимальном проектировании скорость включения транзистора согласовано со скоростью восстановления диода. Заметим также, что уровень плато Миллера ближе к уровню земли, чем к напряжению VDRV, поэтому к выходному сопротивлению драйвера (плюс сопротивление затворного резистора) в процессе открывания ключа прикладывается большее напряжение. В итоге, для получения нужной скорости включения полевого транзистора обычно вполне хватает и драйвера.

При выключении же ситуация совершенно иная. Теоретически, скорость выключения полевого транзистора определяется только схемой управления. Высокий ток выключения может очень быстро разрядить входную емкость транзистора, пропуская короткие броски тока, и в результате обеспечить низкие динамические потери. Высокий разряжающий ток может быть получен от драйвера на полевых транзисторах с низкоимпедансным выходом и/или с отрицательным выходным напряжением. Хотя высокие скорости переключения потенциально способны снизить динамические потери, они в то же время приводит и к возникновению высокочастотного звона из-за высоких скоростей изменения токов и напряжений, что иногда заставляет задуматься о допустимых перегрузках устройств по напряжению, а так же о соблюдении норм электромагнитных помех.

Соответственно, для обычного диода (например, 1N4148), этот минимальный ток будет в районе 150mA, а для диода Шоттки, такого как BAS40 - порядка 300mA. Соответственно, по мере приближения к нулю напряжения затвор-исток этот диод будет помогать все меньше и меньше. В результате значительно увеличивается время задержки выключения, а скорость нарастания напряжения на стоке уменьшится незначительно. Другой минус этого способа - по-прежнему большое расстояние между драйвером и полевым транзистором, которое приходится преодолевать току выключения.

2.Схема выключения на основе p-n-p транзистора

12

замыкает ток непосредственно между затвором и истоком полевого транзистора - вне выходного сопротивления драйвера, вне индуктивности монтажа и, возможно, вне резистора датчика тока. В этой схеме дополнительный транзистор никогда не насыщается, что важно для быстрого его включения/выключения.

На самом деле эта схема очень похожа на двухтактный драйвер на биполярных транзисторах (см. рис. 10), только верхний n-p-n транзистор заменен диодом. Поэтому и здесь управляющее напряжение ограничено напряжением GND-0.7V снизу и VDRV+0.7V сверху, что значительно снижает риск повреждения драйвера обратным током.

Из недостатков можно сказать только об одном - напряжения на затворе силового транзистора не может опускаться до нуля - оно всегда будет больше на величину падения напряжения на эмиттерном переходе.

Защита от высоких dv/dt

Есть две ситуации, когда мы должны защищать полевой транзистор от триггерного включения при высоких скоростях изменения напряжения на нем. Первая ситуация возникает при подаче питающего напряжения, в этом случае обычно бывает достаточно включить резистор между истоком и затвором. Этот резистор может быть рассчитан для худшего случая по следующей формуле:

13

В этой формуле наибольшие сомнения может вызвать правильная оценка величины dt/dv при подаче напряжения питания - при неудачном стечении обстоятельств заниженная ее величина может привести к ложным открываниям силового ключа.

Вторая ситуация может возникнуть при стационарном режиме работы, когда к закрытому силовому ключу прикладывается резко изменяющееся напряжение. Эта ситуация встречается гораздо чаще, чем хотелось бы. Все синхронные выпрямители работают в этом режиме, но этот случай мы обсудим позднее. Многие резонансные схемы и схемы с "мягким" включением могут генерировать резко изменяющиеся напряжения на закрытом ключе - в этом случае энергия берется из резонансных компонентов. Поскольку скорость изменения этих напряжений значительно выше, чем при включении питания, и пороговое напряжение ниже из-за высокой температуры перехода, защищать полевой транзистор следует очень низким выходным сопротивлением драйвера.

Сначала следует выяснить максимальное значение dv/dt для наихудшего случая. После чего можно решить, подходит ли выбранный ключ для этих условий, исходя из сопротивления его внутреннего затворного резистора и емкости сток-затвор. Приняв выходное сопротивление драйвера за нуль, т.е. рассматривая идеальный драйвер, можно найти максимально допустимую скорость нарастания напряжения:

Здесь VTH - пороговое напряжение при 25°С, -0,007 - температурный коэффициент порогового напряжения, RG,I - внутреннее сопротивление затвора и CGD - емкость сток-затвор транзистора. Если предельно допустимая скорость нарастания для транзистора меньше, чем генерируемая схемой, то можно или выбрать другой транзистор, или создать отрицательное напряжение на затворе. Если же транзистор проходит по этому параметру, то можно выяснить максимально допустимое выходное сопротивление драйвера, решая предыдущую формулу относительно сопротивления:

где RMAX=RLO+RGATE+RG,I.

Как только вычислена максимальная величина суммарного выходного сопротивления драйвера, разработку схемы управления можно считать законченной. Только необходимо принимать в расчет, что выходное сопротивление драйвера тоже зависит от температуры. Повышенная температура кристалла драйвера увеличивает его выходное сопротивление по сравнению с 25°С, где оно обычно специфицируется.

Схемы, ускоряющие выключение транзистора, так же могут быть использованы для повышения устойчивости полевого транзистора к высоким скоростям изменения напряжения, поскольку они шунтируют RGATE и притягивают затвор к земле во время выключенного состояния силового ключа. Например, простая ускоряющая схема на p-n-p транзисторе (см. рис. 13) способна весьма эффективно повысить устойчивость к резким изменениям напряжения. Если учесть коэффициент усиления p-n-p транзистора, то можно получить следующую формулу для максимального значения dv/dt:

Во всех расчетах на устойчивость к воздействию dv/dt фигурирует сопротивление внутреннего затворного резистора, но оно никогда не специфицируется в документации. Как мы уже рассматривали выше, это сопротивление зависит от материала подводящего вывода и конструкции корпуса, и в Приложении А мы попробуем найти способ оценивать его величину.

14

Заряд затвора

Пока ток течет через открытый паразитный диод, напряжение на синхронном ключе равно падению напряжения на этом диоде. В этом режиме величина заряда, необходимая для переключения транзистора, принципиально другая, чем при традиционной работе в первом квадранте. Когда на затвор подается включающее напряжение, конденсаторы CGD и CDS разряжены; также отсутствует эффект Миллера из-за отсутствия отрицательной обратной связи между напряжениями на стоке и на затворе. Соответственно, входной ток необходим только для перезаряда конденсаторов CGD и CDS от нуля до VDRV. Для точной оценки необходимого заряда в этом режиме необходимо вычислить эффективную входную емкость:

Соответственно, для управления синхронным ключом необходим заряд:

QQ,SR = (CGS + CGD,SR ) ∙ VDRV

Такая величина заряда существенно меньше, чем специфицируемая производителем. Один и тот же транзистор, управляемый одним и тем же драйвером, в качестве синхронного ключа будет переключаться значительно быстрее, чем при обычной работе в первом квадранте. К сожалению, это преимущество в скорости обычно не реализуется. В

качестве синхронных ключей стараются использовать транзисторы с очень низким сопротивлением открытого канала, а такие транзисторы обладают очень большими паразитными емкостями из-за больших размеров их кристаллов.

Следующий весьма важный момент связан с рассеиваемой мощностью в драйвере. Хотя энергия переключения синхронного ключа значительно ниже специфицируемой, появляется дополнительный ток, текущий через выходное сопротивление драйвера. Перед включением транзистора напряжение на его стоке резко идет вниз, и разрядный конденсатора CGD протекает через выходной каскад драйвера, вызывая дополнительные потери в нем. Этот эффект виден на рис. 17 из последующего раздела о влиянии высоких скоростей изменения напряжения.

Для анализа процесса выключения синхронного ключа можно пользоваться описанными выше правилами, и расчет энергии переключения будет аналогичным.

15