Драйвер польового транзистора з дискретних компонентів

Одна справа, коли для швидкісного керування потужним польовим транзистором з важким затвором є готовий драйвер у вигляді спеціалізованої мікросхеми на зразок UCC37322, і зовсім інша, коли такого драйвера немає, а схему управління силовим ключем необхідно реалізувати тут і зараз.

У таких випадках нерідко доводиться вдаватися до допомоги дискретних електронних компонентів, які є в наявності, і вже з них збирати драйвер затвора. Справа, здавалося б, не хитра, проте для отримання адекватних часових параметрів перемикання польового транзистора, все повинно бути зроблено якісно і працювати правильно.

Вельми стоїть, лаконічна і якісна ідея з метою вирішення аналогічної задачі була запропонована ще в 2009 році Сергієм BSVi в його блозі «Сторінка ембеддера» (дивіться -).

Схема була успішно протестована автором в півмилі на частотах до 300 кГц. Зокрема, на частоті 200 кГц, при навантажувальної ємності в 10 нФ, вдалося отримати фронти тривалістю не більше 100 нс. Давайте ж розглянемо теоретичну сторону даного рішення, і спробуємо детально розібратися, як ця схема працює.

Основні струми заряду і розряду затвора при відмикання і замиканні головного ключа течуть через біполярні транзистори вихідного каскаду драйвера. Дані транзистори повинні витримати піковий струм управління затвором, а їх максимальна напруга колектор-емітер (по datasheet) має перевищувати ніж напруга живлення драйвера. Зазвичай для управління затвором польовика досить 12 вольт. Що стосується пікового струму, то припустимо, що він не перевищить 3А.

Якщо для управління ключем необхідний струм більш високий, то і транзистори вихідного каскаду повинні бути більш потужними (зрозуміло, з відповідною граничною частотою передачі струму).

Для нашого прикладу в якості транзисторів вихідного каскаду підійде компліментарна пара – BD139 (NPN) і BD140 (PNP). У них максимальне напруження колектор-емітер становить 80 вольт, піковий струм колектора 3А, гранична частота передачі струму 250 МГц (важливо!), А мінімальний статичний коефіцієнт передачі струму 40.

Для підвищення коефіцієнта посилення по току в схему вихідного каскаду додана додаткова компліментарна пара слабкострумових транзисторів КТ315 і КТ361 з максимальним зворотною напругою 20 вольт, мінімальним статичним коефіцієнтом передачі струму 50, і граничною частотою 250 МГц – такою ж високою, як у вихідних транзисторів BD139 і BD140 .

У підсумку на виході отримуємо дві пари транзисторів, включених по схемі Дарлінгтона із загальним мінімальним коефіцієнтом передачі по струму 50 * 40 = 2000 і з граничною частотою рівною 250 МГц, тобто теоретично в межі швидкість перемикання може досягати одиниць наносекунд. Але оскільки тут мова йде про відносно тривалих процесах заряду і розряду ємності затвора, то цей час буде на порядок вище.

Керуючий сигнал необхідно подавати на об’єднані бази транзисторів КТ315 і КТ361. Токи відкривання баз NPN (верхніх) і PNP (нижніх) транзисторів повинні бути розділені.

Для цього в схему можна було б встановити розділові резистори, але набагато більш ефективним для даної конкретної схеми виявилося рішення з установкою допоміжного блоку на КТ315, резистори і діод 1n4148.

Функція цього блоку – швидко активувати бази верхніх транзисторів слаботочного каскаду при подачі високої напруги на базу даного блоку, і так само швидко через діод підтягнути бази до мінуса, коли на базі блоку з’явиться сигнал нижчого рівня.

Щоб мати можливість керувати даний драйвером від слаботочного джерела сигналу з вихідним струмом близько 10 мА, в схему встановлені слабкострумовий польовий транзистор КП501 і високошвидкісна оптопара 6n137.

При подачі керуючого струму через ланцюг 2-3 оптопари, вихідний біполярний транзистор всередині неї переходить в провідний стан, причому на виведення 6 знаходиться відкритий колектор, до якого і приєднаний резистор, що підтягує затвор слаботочного польового транзистора КП501 до плюсової шині харчування оптопари.

Таким чином, коли на вхід оптопари подається сигнал високого рівня, на затворі польовика КП501 буде сигнал низького рівня, і він закриється, тим самим забезпечивши можливість для протікання струму через базу верхнього за схемою КТ315 – драйвер стане заряджати затвор головного польовика.

Якщо ж на вході оптопари сигнал низького рівня або сигнал відсутній, то на виході з оптопари буде сигнал високого рівня, затвор КП501 зарядиться, його стічна ланцюг замкнеться, а база верхнього за схемою КТ315 підтягнеться до нуля.

Вихідний каскад драйвера почне розряджати затвор керованого ним ключа. Важливо врахувати, що в даному прикладі напруга живлення оптопари обмежена 5 вольт, а головний каскад драйвера харчується напругою 12 вольт.

Ссылка на основную публикацию