СТАТЬЯ НЕ ЗАВЕРШЕНА: Она не рекомендуется к чтению во всех случаях кроме того, в котором открыший ее, является моим начным руководитем
Автор: Бендик Владимир, группа: 041-об
Научный руководитель: Владислав Леонидович Русинов, СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация".
В настоящее время все большее распространение находит преобразовательная техника. Она используется для выпрямления переменного тока, преобразования постоянного тока в переменный, изменения величины напряжения постоянного тока и преобразования частоты переменного тока. Основным элементов преобразовательной техники являются транзисторы, а именно MOSFET'ы или же МОП(Металл-оксид-полупроводник) и IGBT или же БТИЗ (Биполярный транзистор с изолированным затвором). Причем первые получили распространение в области малых и средних мощностей, а вторные в области больших мощностей. В современной преобразовательной технике транзисторы не используются без драйверов, специальных устройств чья задача максимально ускорить открытие и закрытие транзистора. Что бы более точно обсудить важность драйверов необходимо сперва изучить физические процессы происходящие при работе транзистора.
Соберем схему транзисторного ключа управляемого ШИП сигналов в среде моделирования Multisim с транзистором МОП типа IRF-540. Отмечу, что для удобства частота ШИМ выбрана крайне малой, реальный ШИМ, обычно, работает на частоте измеряемой в КГц.
На изображенных схемах все переходные процессы завершены и представлены результаты работы транзистора в открытом и закрытом состоянии. Рассмотрим сперва открытое: при токе цепи в 2.056А напряжение на транзисторе составляет 0.155, нехитрый рассчет позволяет понять, что мощность потребляемая транзистором составляет 0.319 Вт, при мощности работы лампы в 23.61 Вт. КПД работы транзистора можно оценить в 98,67%. Теперь о закрытом состоянии: потери мощности на транзисторе в нем составляют 28,73 мВт. Делаем вывод: энергоэффективность транзистора в обоих рассмотренных режимах работы высока. Однако транзистор не способен работать только в этих двух состояниях, смене состояний способствует переходный процесс при котором транзистор находится в промежуточном состоянии. Чтобы смоделировать работу транзистора в этом состоянии подадим на его затвор напряжение меньшее, чем пороговое напряжение открытия, кое согласно даташиту, составляет ровно 4 В.
Это состояние куда менее радужное. Мощность на транзисторе почти совпадает с мощностью нагрузки, кроме неэфективного растрачивания электроэнергии это приводит к перегреву транзистора и выходу его из строя. Рассмотрим как это происходит в реальной схеме при смене состояний транзистора. Установим для виртуального транзистора значения открытия и закрытия как в даташите. Время открытия состоит из 2 параметров: Turn-On Delay Time и Rise Time. Первый показывает задержку времени между ростом сигнала на источнике и на затворе транзистора, второй непосредсредственное время нахождения транзистора в активном состоянии(переходном процессе между закрытым и открытом состоянием). Аналогично для закрытия Turn-Off Delay Time и Fall Time.
Для IRF 540 эти значения таковы: Turn-On Delay Time = 11 нс, Rise Time = 35 нс, Turn-Off Delay Time = 39 нс, Fall Time = 35 нс. Поскольку сейчс важно увидеть лишь переходные процессы, то установим параметры Rise Time и Fall Time для схемы в Мультисим.
На осциллограмме видим переходный процесс открытия и закрытия транзистора. Примечательно, что при закрытии транзистора multisim также смоделировал, так называемый, токовый хвост, который больше свойственен IGBT транзисторам(напомню, что IRF540 это мосфет).
Делаем вывод: реальные транзисторы, при работе в режиме ключа, всегда обладают переходными процессами при которых устройство подвержено нагреву из-за большой рассеиваемой на нем мощности. Длительность переходных процессов влияет на КПД системы и ограничевает максимульную частоту ШИП. С целью повышения качества управления открытием/закрытием транзисторов и применяют драйверы.
Другая причина обязательного использования драйверов заключается в работе верхнего плеча транзисторного моста. Итак, проблема в том, что полевые транзисторы управляются напряжением затвор-исток.
Для P-MOSFETа это значит, что если подключить затвор к линии питания, то напряжение затвор-исток будет равно нулю и транзистор будет закрыт, а если затвор подключить к земле, то транзистор будет открыт (если, конечно, напряжения питания достаточно для открытия транзистора), поскольку напряжение затвор-исток будет равно напряжению питания.
Для N-канального полевого транзистора ситуация гораздо сложнее. Если вы подключите затвор к земле либо к истоку, то транзистор будет закрыт (напряжение затвор-исток меньше либо равно нулю). Куда же в таком случае подключать затвор? Напряжения питания недостаточно, поскольку, когда транзистор откроется, его исток окажется практически под тем же напряжением, что и затвор. Однако напряжение на затворе должно быть больше для того, чтобы транзистор остался открытым! Как минимум на 5В больше для транзисторов, управляемых логическим уровнем, и на 10-15В больше для обычных MOSFETов. То, что это напряжение должно быть каким-то образом сгенерировано, - очень важная проблема. В большинстве подобных случаев применяются различные типы зарядных помп (charge-pump), как в виде самостоятельных устройств, так и в виде само-накачки (bootstrapping). Последний вариант, как правило, возможен только в случае, если мост работает в режиме «заблокированной противофазы» . В любом случае, эти драйверы верхних ключей моста не могут обеспечить такой же ток, как драйверы нижних ключей, что означает большее время открытия и закрытия верхних ключей (меньший ток дольше заряжает и разряжает емкость затвора). В случае высокочастотных цепей, когда потери времени на переключение становятся ключевым моментом, полевые транзисторы с P-каналом могут быть лучшим решением. В случае низкочастотных цепей с сильноточной нагрузкой, когда потери на переключение не являются проблемой, а сопротивление канала чрезвычайно важно, N-канальные транзисторы являются лучшим компромиссом.
В итоге с использованием драйверов верхнего и нижнего плеча схема принимает следующий вид
Подобная схема уже способна вращать двигатель, однако она обладает существенным недостатком. Дело в том, что быстрая смена фаз при старте двигателя будет приводить к тому, что полюса ротора не будут успевать за вращающимся магнитным поле и ротор не сдвинется. Это похоже на попытку запуска синхронного двигателя при возбуженной обмотке. Если вы еще не изучали синхронные машины, то ознакомиться с этим явлением можно в видео:
https://youtu.be/xGMwGiPy2aI?t=127Для запуска BLDC машин применяется система слежения за положеним ротора, не позволяющая контроллеру чередовать фазы слишком быстро. Для этого используются датчики Холла и схема начинает принимать следующий вид: