Vasilisk; s blog

Введение

Семейство p-канальных MOSFET-транзисторов компании IXYS обладает всеми основными преимуществами сопоставимых n-канальных MOSFET, такими как очень быстрое переключение, управление с помощью уровня напряжения затвора, простота параллельного соединения и высокая температурная стабильность. Оптимизация паразитного p-n-p-транзистора позволила получить приборы с отличной стабильностью к лавинному пробою . По сравнению с n-канальными силовыми MOSFET со схожей топологией, p-канальные транзисторы имеют лучшую FB-SOA (область безопасной работы при прямом токе) и практически имеют иммунитет к феномену одиночного эффекта выгорания (Single Event Burnout — открытие паразитного биполярного транзистора под воздействием космического излучения: приводит к разрушению прибора) . Но главным преимуществом p-канальных силовых MOSFET является простота управления в схемах верхнего ключа .

Источник питания для управления p-канальным транзистором в схеме верхнего ключа может быть однополярным, в то время как управление n-канальным MOSFET в схеме верхнего ключа требует наличия либо изолированного драйвера, либо импульсного трансформатора, который во многих случаях может работать некорректно. Более того, во многих случаях драйвер нижнего ключа может успешно управлять p-канальным MOSFET в верхнем включении. Такое решение часто позволяет упростить драйвер и снизить общую итоговую стоимость изделия. Главный же недостаток p-канальных MOSFET — более высокое сопротивление в открытом состоянии (R_ds(on)) по сравнению с n-канальными транзисторами. Это означает, что стоимостная эффективность решения на p-канальных MOSFET напрямую связана с оптимизацией по параметру R_ds(on) .

Рис. 1. MOSFET
а) p-канальный;
б) n-канальный

Компания IXYS разработала два семейства p-канальных MOSFET, перекрывающих диапазон напряжений от –50 до –600 В и диапазон токов I_D25 от –10 до –170 А. Таблица для выбора находится на сайте www.ixyspower.com. p-канальные Trench MOSFET в диапазоне от –50 до –150 В предлагают очень низкое сопротивление канала в открытом состоянии, низкий заряд затвора, быстрое переключение и быстрый встроенный диод. Планарные p-канальные MOSFET семейства Polar имеют превосходные динамические и статические характеристики в области напряжений от –100 до –600 В. Оба семейства доступны в лучших в отрасли изолированных корпусах семейства ISOPLUS.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока
превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и
сопротивление сток — исток мало. Однако, напряжение при включении не
может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор
работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится
включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно
быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и
обратно.

Относительная медленность переключения транзистора связана опять же с
паразитной ёмкостью затвора. Чтобы паразитный конденсатор зарядился
как можно быстрее, нужно направить в него как можно больший ток. А так
как у микроконтроллера есть ограничение на максимальный ток выходов,
то направить этот ток можно с помощью вспомогательного биполярного
транзистора.

Кроме заряда, паразитный конденсатор нужно ещё и разряжать. Поэтому
оптимальной представляется двухтактная схема на комплементарных
биполярных транзисторах (можно взять, например, КТ3102 и КТ3107).

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального
транзистора — она расположена «сверху». Если расположить её между
транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение
затвор — исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется
не полностью и может перегреться и выйти из строя

Драйверы SKHI IGBT и MOSFET

Плата SKHI 26W	Плата SKHI 10/12	Драйвер SKHI 22 AH4 R

Основные особенности драйверов семейства SKHI SEMIKRON:
• высокая стойкость к переходным перенапряжениям dV/dt (до 75 кВ/мкс);
• низкий уровень помех, наводимых на схему управления;
• высокое напряжение изоляции (до 4 кВ);
• высокий выходной ток (до 30 А);
• возможность регулирования времени задержки переключения tdt, уровня напряжения срабатывания защиты DESAT, сопротивлений цепи затвора R_Gon/off;
• встроенные изолированные источники питания;
• возможность подключения волоконно-оптической линии связи (SKHI26F, SKHI27F);
• уровень входных сигналов TTL/CMOS.

* -устаревшие модели, снятые с производства -рекомендуемая замена -SKYPER 42 R
Описания на стыковочные платы Board Xs for SKYPER -если нужны файлы ГЕРБЕР для станков с ЧПУ, чтобы выпускать платы адаптеров самостоятельно -обращайтесь за технической поддержкой.

Кроме управления переключением силового модуля второй по значимости функцией драйвера является защита от аварийных режимов. Драйверы SKHI осуществляют следующие защитные и сервисные функции:
• защиту от сквозного тока и формирование времени задержки переключения транзисторов полумоста tdt;
• фильтрацию коротких импульсов;
• нормирование фронтов входных сигналов;
• защиту от падения напряжения источников питания (UVLO);
• защиту от перегрузки по току и короткого замыкания;
• защиту от перегрева (SKAI 100).Драйверы интеллектуальных модулей SEMIKRON выполняют все функции, необходимые для безопасной работы модуля, производя постоянный мониторинг выходного тока, напряжения силовой шины питания и температуры модуля. Они имеют аналоговые выходы, сигналы на которых пропорциональны току, температуре модуля и напряжению силовой шины питания. Эти сигналы поступают на управляющий процессор и могут быть использованы для анализа состояния системы.
Для гальванической развязки входных цепей в драйверах SEMIKRON используются импульсные трансформаторы. Изоляция выполняется в соответствии с требованиями стандарта EN50178. Напряжение изоляции конкретного модуля зависит от предельного рабочего напряжения.
В драйверах модулей SKiiP реализована идеология защиты, названная OCP (Over Current Protection), при которой анализируются два сигнала: сигнал датчика тока фазы и напряжение насыщения VCEsat. Устройства защиты SKiiP различают два пороговых значения тока — ток перегрузки (100% Ic), начиная с которого производится анализ неисправности, и ток КЗ (?120% Ic), при котором происходит отключение. После возникновения состояния перегрузки напряжение на затворе снижается, что приводит к ограничению тока коллектора. Затем, если состояние перегрузки не прекращается в течение 3–5 мкс, напряжение на затворе снижается до нуля.
При этом снижение напряжения на затворе производится по определенному закону для уменьшения значения di/dt и снижения переходного перенапряжения при выключении. Траектория выключения выбирается так, чтобы напряжение на коллекторе силового транзистора никогда не превышало предельного значения VCES.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении. 

Функции для защиты и оптимального переключения IGBT-транзисторов

Как уже было сказано, одна из главных задач для драйвера заключается в повышении эффективности работы силовых ключей. Хорошо известно, что потери мощности транзисторов складываются из двух составляющих — статической и динамической, и чем выше частота переключений, тем значительнее вклад динамических потерь. Если статическая составляющая практически полностью определяется параметром самого ключа, то динамическая составляющая во многом зависит от качества работы драйвера.

Еще одна обязанность драйвера состоит в обеспечении безопасных переключений транзисторов. В драйверах AgileSwitch реализовано сразу несколько механизмов, призванных снизить потери на переключения и обеспечить дополнительную защиту силовых модулей.

Мягкое двухшаговое выключение (2-Level Turn-Off или Soft Turn Off)

При выключении IGBT-транзисторов возникают выбросы напряжения. Они связаны с наличием индуктивной составляющей нагрузки. В случаях, когда индуктивность нагрузки велика, или при наличии КЗ и значительной паразитной индуктивности напряжение помехи может оказаться достаточным для того, чтобы пробить силовые ключи. Применение двухшагового выключения позволяет избежать подобной ситуации.

Вместо того чтобы скачком выключать транзистор, в первый момент времени драйвер лишь уменьшает напряжение на затворе до определенного уровня. И только в конце периода транзистор выключается окончательно. Таким образом удается значительно уменьшить выброс напряжения (рис. 5).

Рис. 5. При двухступенчатом выключении удается избежать высоковольтных выбросов напряжения на силовом ключе

Контроль напряжения насыщения (Desaturation Detection)

Система мониторинга постоянно измеряет напряжение коллектор-эмиттер силового IGBT-транзистора. При увеличении токовой нагрузки это напряжение увеличивается. В случае возникновения КЗ оно превышает некоторое пороговое значение, что определяется системой как авария. Далее формируется аварийный сигнал и происходит выключение транзистора.

Активное выключение силовых ключей (Active Clamping)

Как известно, при выключении IGBT-транзистора возникают выбросы напряжения. Длительность их напрямую зависит от энергии, запасенной в индуктивной нагрузке. Для борьбы с мощными импульсами большой длительности используют активное выключение, при котором транзистор остается полуоткрытым до тех пор, пока не произойдет рассеивание индуктивной энергии. Для этого предусмотрена дополнительная цепочка с защитными TVS-диодами (рис. 6).

Рис. 6. Дополнительный стабилитрон включает транзистор при возникновении значительных перенапряжений

Если за время включенного состояния в нагрузке накопилась значительная энергия, она вызовет перенапряжение на ключе. При этом TVS-диоды открываются и обеспечивают напряжение затвор-эмиттер, необходимое для поддержания IGBT-транзистора в линейном режиме. Когда энергия будет рассеяна, защитные диоды закрываются и транзистор выключается окончательно.

Благодаря открытому транзистору удается избавиться от колебаний тока в цепи коллектора (рис. 7).

Рис. 7. При активном выключении удается избежать выбросов тока

Контроль температуры IGBT-модуля и напряжения силовой шины

Драйверы EDEM2 и PPEM имеют возможность контролировать напряжение силовой высоковольтной шины и температуры силового IGBT-модуля. Для передачи этой информации на специальных выходах драйверов формируется ШИМ-сигнал частотой 25 кГц и амплитудой 3,3 В. Импеданс выходов составляет 1 кОм.

Рис. 8. Встроенная схема мониторинга EDEM2 и PPEM позволяет контролировать температуру силового модуля

Для измерения коэффициента заполнения ШИМ-сигнала задействуется цифровой таймер, а в качестве альтернативного варианта — аналоговая фильтрация, предусматривающая наличие внешнего фильтра. В таком случае дальнейшая работа ведется с аналоговым сигналом. На рис. 8 приведен пример зависимости выходного напряжения от сопротивления термистора для EDEM2 при использовании аналоговой фильтрации. На рис. 9 изображена зависимость выходного контрольного напряжения EDEM2 от напряжения шины питания с применением аналоговой фильтрации.

Рис. 9. Встроенная схема мониторинга EDEM2 и PPEM позволяет контролировать напряжение высоковольтной силовой шины

Защитные и контрольные функции драйверов

Защита силовых ключей от разного рода аварийных ситуаций является одной из важнейших функций схемы управления. Для ее реализации драйверы снабжаются блоками оперативного мониторинга перегрузки по току и КЗ, перенапряжения на коллекторе и затворе, перегрева, а также падения напряжения управления V_GG+/V_GG-.

Защита от перегрузки по току

Измерение тока коллектора/стока производится с помощью резистивных шунтов, токовых трансформаторов, индукционных сенсоров и т. д. Одним из самых распространенных методов мониторинга состояния токовой перегрузки является измерение напряжения насыщения транзистора. Выход из насыщения (Desaturation), при котором величина V_CEsat достигает определенного порога, рассматривается как аварийная ситуация. При этом драйвер блокирует силовые транзисторы и формирует сигнал неисправности ERROR, который через изолирующий барьер передается на входной каскад и далее на контроллер. Интеллектуальные модули высокой степени интеграции (например, SKiiP компании SEMIKRON) имеют в своем составе датчики тока, информация с которых используется схемой защиты вместе с напряжением насыщения, что позволяет сократить время реакции и отключить IGBT при меньшем уровне перегрузки.

Защита от перенапряжения на затворе

Функцию ограничения напряжения на затворе рекомендуется реализовывать в любом драйвере, независимо от наличия аварийной ситуации. Кроме защиты затвора от пробоя, это позволяет ограничить ток КЗ. Подробнее данный вопрос будет рассмотрен далее.

Защита от перенапряжения на коллекторе (стоке)

Ограничение напряжения на силовых терминалах может осуществляться самим модулем (большинство MOSFET обладает стойкостью к лавинному пробою), внешними пассивными снабберами, а также активными цепями, переводящими транзистор в линейный режим при возникновении опасного перенапряжения.

В ряде интеллектуальных модулей (например, SKiiP) реализована функция запрета коммутации при достижении напряжением DC-шины порогового уровня. Эта опция не способна защитить от внешних перенапряжений, однако она позволяет исключить влияние коммутационных выбросов в критических режимах, что существенно повышает надежность работы преобразовательного устройства. Мониторинг напряжения питания производится «квази-изолированным» датчиком на основе высокоомного дифференциального усилителя, передающего аналоговый сигнал, пропорциональный V_DC, на схему управления. Если величина V_DC превышает заданный уровень, силовые транзисторы отключаются, и схема защиты формирует сигнал неисправности. В ряде случаев параллельно цепи питания инвертора устанавливается тормозной чоппер, активно разряжающий конденсаторы звена постоянного тока при опасном увеличении напряжения. Такая схема чаще всего применяется в приводах, где используется режим динамического торможения (электротранспорт, лифты и т. д.).

Защита от перегрева

Температура силовых кристаллов, а также изолирующей подложки рядом с чипами, корпуса модуля и радиатора может быть определена расчетным методом или с помощью сенсоров. Если термодатчик гальванически изолирован, то его выходной сигнал передается на схему управления и используется для отключения силового каскада и формирования сигнала неисправности.

Защита от падения напряжения управления V_GG+, V_GG- (Under Voltage LockOut, UVLO)

Падение напряжения питания выходного каскада драйвера и, соответственно, уровня V_GE нежелательно по многим причинам. В первую очередь при этом возрастает опасность перехода ключа в линейный режим работы и резкого увеличения рассеиваемой мощности. Кроме того, в этом случае теряется управляемость: транзистор не может быть полностью открыт или заблокирован. Мониторинг критического состояния производится путем измерения величин V_GG+, V_GG- с последующим отключением силового каскада при их снижении до опасного уровня.

Возможно, вам также будет интересно

Виталий Червенков Алексей Клоков Вячеслав Мускатиньев Драйвер управления IGBT является промежуточным согласующим устройством между процессором (схемой управления) и силовыми ключами. Драйвер предназначен для выполнения двух основных функций: Формирование сигнала управления на затворе IGBT в соответствии с командами процессора. Диагностика состояния (наличие или отсутствие тока перегрузки), своевременное выключение силового транзистора и передача сигнала об аварии IGBT

Управление изолированным затвором: основные положения В общем случае процесс перезаряда емкостей затвора может контролироваться сопротивлением, напряжением и током (рис. 1) . На практике чаще всего используется самый простой вариант (рис. 1а) с двумя раздельными резисторами для режимов включения и выключения, при этом одним из наиболее важных параметров является уровень «Плато Миллера», соответствующий плоской части характеристики затвора (рис. 2). Скорость и время коммутации

Современный рынок силовой электроники предъявляет все более жесткие требования к компонентам, предназначенным для применения в энергетике и на транспорте. Поиск новых конструктивных решений привел к разработке метода низкотемпературного спекания (Sinter technology), позволившего отказаться от паяных соединений, являющихся основной причиной отказов модулей, работающих в режиме циклической нагрузки. Созданная на основе этого производственного процесса технология SKiN устраняет последнее слабое место классических силовых ключей — сварное соединение алюминиевых выводов чипов.

Кратко о MOSFET

MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком. 

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Интерфейсные разъемы Х1, Х2, Х3

Как уже упоминалось выше, для связи с внешним элементами преобразователя на базовой плате предусмотрены 3 разъема. В двух 6-контактных Х1 и Х2 задействованы только 3 контакта для соединения с коллектором, эмиттером и затвором силового транзистора каждого из каналов, причем незадействованные контактные штыри разъема не установлены для обеспечения требуемого безопасного зазора по поверхности (creepage distance = 12,9 мм), что определяется максимальным рабочим напряжением силового транзистора. В документации приведен рекомендуемый тип разъемов Х1 и Х2. Третий, X3, является стандартным 20-контактным разъемом DIC20 и имеет следующие группы контактов (рис. 5):

• 10 контактов GND (ОБЩ) — все нечетные контакты соединителя со стороны базовой платы электрически соединены.
• Два контакта У_c для подключения источника питания +15 В.
• 2 контакта INA и INB входных сигналов драйвера каждого канала (PWM1 и PWM2).
• Два контакта Fault1 и Fault2 сигналов статуса выходов каждого канала — сигналы ошибки (аварийного состояния выходов).
• Один контакт MOD выбора режима работы драйвера (режимы «полумост»/«прямой»).
• Один контакт TB регулировки времени блокирования драйвера после поступления сигнала ошибки (например, в случае короткого замыкания). По умолчанию это время составляет 90 мс. Подключением резистора R_b между контактами TB и GND это время можно уменьшить до 9 мс (R_h = 0) со всеми промежуточными значениями.

Рис. 5. Рекомендуемая схема интерфейса пользователя (подключения к разъему Х3) базовой платы 2BB0108T

Все входы интерфейса Х3 имеют защиту от статического электричества, более того, все они обладают характеристикой типа триггер Шмитта.

PNP mosfet arduino

Тут чутка сложнее

Если нам надо на нагрузку подать 5 вольт:

• R1 ограничивает ток на затворе чтобы ардуинка не сломалась
• R2 подтягивает порт на землю чтобы не было ложных срабатываний
• D1 диод шотки чтобы не спалить все – он нужен только если нагрузка имеет большую индуктивность – например реле или мотор или еще что-то, где есть много намотанной проволоки. Кстати для NPN мосфета он тоже нужен. А на переменном токе не нужен, а то задымится)

Если на мотор или лампочку надо 12 вольт то все немного сложнее. Чтобы открыть мосфет нам надо подать 12 вольт на gate, а при таком варианте наш ардуино задымится. Надо еще один транзистор так:

Тут Q1 – биполярный транзистор – он то и включает 12 вольт на gate Q2, а R1 нужен чтобы ограничить ток чтобы ардуино опять таки не задымилась. Работает все так:

• подаем с ардуино high – q1 начинает проводить ток с коллектора на эмиттер и 12 вольт утекает не в gate q2, а на землю. q2 включает мотор
• подаем с ардуино low – q1 закрыт и не пропускает ток, 12 вольт через резистор подаются на gate q2, моторчик не крутится. все просто. резистор r2 нужен чтобы ограничить ток q1 и q2 чтобы он не задымились

Управлять больше чем 12 вольт можно, например 24 вольтами, если q1 выдержит. Чтобы наверняка можно добавить диод D2:

Возможно, вам также будет интересно

Крапп Йохан Перевод: Колпаков Андрей Режимы короткого замыкания Для понимания принципов работы схем защиты от перегрузки по току необходимо проанализировать поведение силовых транзисторов в режиме короткого замыкания (КЗ). Причины возникновения токовых перегрузок разнообразны, чаще всего это аварийные случаи, такие как пробой на корпус или замыкание нагрузки. Перегрузка может быть вызвана и особенностями схемы, например переходным

Введение Устройства защитного отключения (УЗО) широко применяются во всех странах в электросетях жилых зданий и промышленных предприятий в качестве дополнительной меры защиты людей от поражения электрическим током (УЗО с дифференциальным током срабатывания до 30 мА ) и для защиты от пожара, к которому может привести возрастание температуры при протекании тока через место повреждения изоляции кабелей и других видов электрооборудования (УЗО с токами срабатывания

В полупроводниковых преобразователях электрической энергии, работающих на повышенных частотах, определяющими в балансе потерь являются коммутационные потери в силовых полупроводниковых вентилях. Резонансная и квазирезонансная коммутация (КРК) вентилей позволяет снизить потери и расширить диапазон рабочих частот устройств силовой электроники, повышает надежность и улучшает электромагнитную совместимость преобразователей с сетью и нагрузкой. Работа силовых МДП-транзисторов в инверторах напряжения с КРК и переключениями при нулевом напряжении (ППН) имеет особенности, которые требуют применения специальных способов управления, обеспечивающих эффективный вывод накопленных в структуре зарядов неравновесных носителей.

Похожие записи:

Маркировка диодов и схема обозначений Что такое дроссель Процессоры x86 и arm Распиновка pci e x16 видеокарты прозвонка Заряд конденсатора — формула для расчета емкости и тока Мп37