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.
(https://sun9-80.userapi.com/impg/idLU05FJS8fjjA86HoQBWzmeNc9l6uUfCnbpEg/fuSLltHUkEg.jpg?size=1345x502&quality=96&sign=08b202bee5ec7803514b093203689fdd&type=album)
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.
(https://sun9-45.userapi.com/impg/9RlGLuArsVCpm5vge6X56wbi0v_bMYEEZl5cKg/diCWnRZi_Vo.jpg?size=829x602&quality=96&sign=53b3ff0af8b99e36fc0536d083b34f41&type=album)
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.
(https://sun9-36.userapi.com/impg/pompDDDey0WUNvby7FJalBfpcCt0ip7AomMKVQ/NlKNyuNzgMA.jpg?size=640x387&quality=96&sign=5b2279816e3fd859285d8c2ea69cdb64&type=album)
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.
(https://sun9-52.userapi.com/impg/DoDpdzJ5N7Hy4rmN9BikjkleeUa4H-ZUSYt8Ig/gk7db0fioYk.jpg?size=577x448&quality=96&sign=ddb71dc8ffda42521f9c60b6c9617d58&type=album)
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
(https://sun9-59.userapi.com/impg/YzLCsV_c6iPXXY4-KW838MrrAAZITjLv44qRqA/pkq7N4CDyxw.jpg?size=1000x568&quality=96&sign=577b70cd95592882db69eb5a1b2686f2&type=album)
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=127
Для 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: (https://sun9-33.userapi.com/impg/NFQE8AwyVXoRfLEPY6sxEZCJO-JxUwnVXHjQmQ/LXsWltAMxnQ.jpg?size=1000x605&quality=96&sign=9a2f343ea7570dc733ba0749e8adc764&type=album)
Очень кратко добавил первые практические результаты
Опубликуйте, кратко (допустим картинкой), основные параметры пришедших транзисторов.
Опубликуйте, кратко (допустим картинкой), основные параметры пришедших транзисторов.
Сделано
Так как делать сразу контроллер как то не неправильно, было решено начать с того, что попроще и, по классике работы с ардуино, было решено поморгать светодиодами, да и по хорошему управляя их яркостью. Итог: https://youtube.com/shorts/q3QtgRjqk2E
Не наглядный пример! Промоделируйте в мультисиме работу вашего транзистора при плавном регулировании мощности нагрузки. Мощность нагрузки выбрать 50 % от номинальной мощности транзистора.
Так как делать сразу контроллер как то не неправильно, было решено начать с того, что попроще и, по классике работы с ардуино, было решено поморгать светодиодами, да и по хорошему управляя их яркостью. Итог: https://youtube.com/shorts/q3QtgRjqk2E
Не наглядный пример! Промоделируйте в мультисиме работу вашего транзистора при плавном регулировании мощности нагрузки. Мощность нагрузки выбрать 50 % от номинальной мощности транзистора.
Видео с моделированием: https://youtu.be/PPPkgAecLT8
Транзисторы есть, а сам двигатель?
Схема управления?
Светодиодами поморгали, может стоит их заменить на биполярные светодиоды и управлять через мост.