Методика расчета цепи управления MOSFET посредством микропроцессорной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ MOSFET ПОСРЕДСТВОМ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

THE METHOD OF CALCULATION OF THE CONTROL CIRCUIT OF THE MOSFET BY MEANS OF MICROPROCESSOR TECHNOLOGY

Вернези М.А., Горянина К.И.

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет»

Аннотация

На сегодняшний день в качестве силовых переключательных приборов наиболее распространены полевые и IGBT транзисторы. Это связано с отсутствием механических контактов, высокой скоростью переключения и низким сопротивлением открытого канала, что обуславливает высокий кпд. Таким образом, сегодня вопрос синтеза выходных каскадов микропроцессорной вычислительной техники (как правило, построенных по принципу КМОП технологии) с силовыми коммутирующими транзисторами. В статье приводится методика расчета цепей управления силовых полупроводниковых приборов с изолированным затвором, обеспечивающие оптимальные значения времени переключения с целью снижения коммутационных потерь и повышении надежности схем управления различными исполнительными устройствами (например такими как электродвигатели, нагревательные элементы и т.д.). Учитываются наиболее влиятельные паразитные параметры транзистора, такие как входная емкость и индуктивность стока.

Ключевые слова: MOSFET, усилители, схемотехника, микропроцессоры.

В настоящее время MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) активно набирают популярность. Это обусловлено такими преимуществами над устаревшими биполярными транзисторами, как:

• быстрота переключения

• простота управления

• высокий кпд

Транзисторы с изолированным затвором преимущественно используются в оконечных силовых каскадах в целях управления таких устройств как: сварочные инверторы, электродвигатели, преобразователи напряжения, усилители звуковой частоты и т.д.

В виду активного внедрения микропроцессорной вычислительной техники в системы управления, актуален вопрос синтеза выходных каскадов устройств управления (как правило, построенных по принципу КМОП технологии) с силовыми коммутирующими транзисторами.

Принято считать, что транзистор с изолированным затвором управляется напряжением. Однако на деле, в виду особенностей технологического процесса производства транзисторов, реальные приборы обладают рядом паразитных параметров. На рис. 1 приведена модель полевого транзистора с индуцированным каналом [2].

Рис. 1 Модель полевого транзистора с индуцированным каналом

Наибольшее влияние на динамические характеристики полупроводником с изолированным затвором (в т.ч. IGBT), оказывает емкость затвор - исток С_GS.

Формируется она при наложении затворного электрода на области истока и канала, соответственно, его величина зависит от геометрических размеров перекрытия и остается постоянным при любых условиях работы. Таким образом, открытие MOSFET транзистора, непосредственно связано с напряжением на паразитном конденсаторе C_GS. Исходя из модели (рис. 1) - цепь Gate - Source представляет собой RC цепь, в которой напряжение на конденсаторе описывается следующим выражением:

управление полупроводниковый микропроцессорный

U =e^{t / RC,} (1)

где t - время, R - сопротивление затвора R_g, C_GS - емкость перехода затвор -

исток.

Значение паразитных емкостей явно не указывается в документации на транзистор. Но по методике, описанной в статье [2], значение C_GS быть вычислено из выражения:

СGS =CISS -CRSS, (2)

При этом произведение R_gC_GS называется постоянным времени T [1], отображающим время, за которое конденсатор заряжается на 63%. На рис. 2 представлен график зависимости напряжения от времени, при протекании постоянного тока через конденсатор.

Рис. 2 Время заряда (а) и разряда (б) конденсатора

Так же, на работу транзистора в режиме ключа наибольшее влияние оказывает индуктивность истока. Обуславливается он внутрикорпусной индуктивностью самого транзистора L_S, а так же индуктивностью печатного проводника на плате. Именно для снижения этой индуктивности шунтирующий конденсатор необходимо располагать как можно ближе к выводам транзистора. Таким образом, цепь из сопротивлений R_HI ?R_GATE ?R_G, входной емкостиC_ISS и паразитной индуктивности L_S образуют резонансный контур. Негативное влияние этого контура заключается в том, что при резком нарастании/спаде управляющего сигнала, в цепи затвора появляются колебательные процессы (рис.3). Но резонансный контур демпфируется рядом сопротивлений в цепи затвора. То есть, изменяя сопротивление R_GATE, мы влияем на этот контур:

R_GATE = 2*Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

-(R_DRV +R_G), (3)

где R_DRV - выходное сопротивление источника управляющего сигнала

Рис. 3 Колебательные процессы в цепи затвора

Рассмотрев факторы, оказывающие влияние на динамические характеристики транзистора, определим параметры управляющей цепи, схема которой изображена на рис.4. В момент подачи отпирающего напряжения, ток затворной цепи, в начальный момент времени, описывается следующим выражением [3]:

UDRV +UGS

IGATE = Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

, (4)

RHI + RGATE + RG

где U_DRV - напряжение цепи управления затвором, U_GS - напряжение на затворе, R_HI - выходное сопротивление схемы управления затвором, R_GATE - сопротивление резистора в цепи затвора, R_G - сопротивление затвора транзистора.

При закрытии транзистора необходимо брать во внимание выходное сопротивление на закрытие:

UDRV +UGS

IGATE = Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

, (5)

RLO + RGATE + RG

где R_LO выходное сопротивление драйвера на закрытие

По мере нарастания напряжение U_GS, ток будет спадать (по той же экспоненте), но при расчете схемы управления принимается во внимание максимальный ток цепи затвора MOSFET транзистора.

Рис. 4 схема управления изолированным затвором.

Заключение. Разработка схемы управления силовыми MOSFET и её схемотехническая реализация является основополагающим фактором, определяющим динамические характеристики всей схемы, что в свою очередь определяет максимальную частоту коммутации и потери при переключении. В работе описан расчет параметров цепей управления коммутирующих полупроводниковых приборов, основываясь на модель, представленную в работе [2].

Список использованной литературы

1. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. - М.: Мир; Издание 3-е, стер., 2016.30-32 с.

2. L. Balogh, Design And Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits, Материалы конференции SEM-1400 UNITRODE, 2001 г.

3. Саундбаррель [Электронный ресурс] http://soundbarrel.ru/pitanie/IR2153_01.html Доступ 28.11.2017.

Размещено на Allbest.ru