мента и пр. Из ключевых приборов, а, именно, транзисторов, тиристоров и диодов) наиболее близким к идеальному ключу оказывается ПТ. Это определяет мощность управления и быстродействие полевого транзистора.

Мощность управления полевым транзистором определяется мощностью, затраченной на перезаряд входной емкости при известных частоте переключения и напряжения управления: PaCtiUtz mf.

О величине этой мощности можно судить по результатам расчета мощности перезаряда емкости Сзн при [/вхт=20 В для диапазона частот 50... 500 кГц для различных по мощности транзисторов (табл. 3.5).

Таблица 3.5. Мощность Рвх, Вт, при разных частотах

Как следует нз таблицы, мощность управления очень мала и дает широкий простор прн выборе схемных решений систем управления. В то же время значительными являются статическая мощность потерь во включенном состоянии

(к -время включенного состояния, Г - период частоты преобразования, Яся вкл - сопротивление ПТ во включенном состоянии) и мощность дииа-мически.х потерь

пер О

где <пер - Время переключения прибора. Уменьшение этой мощности связано с уменьшением времени inep. Мощности Рвых ст и Рдвн определяют ие

Цепи

!,прабле ш, s,g% Форпиробатгли /% яриЛ/ры

Рис. 3.30. Относительное распределение объемов элементов перобразова-теля напряжения

только коэффициент полезного действия, но и температуру нагрева транзистора, от которой зависит надежность работы прибора и устройства в целом.

На важность получения минимальных времен переключения, а следовательно, и Рп = Рвь.1> ст-Ь --Рдии-1-Рвх показывает анализ относительного распределения объ. емов элементов преобразователя (рис. 3.30) [95]. Самый большой сектор теплоотвод определяется мощностью Рп. При тенденции увеличения частот перобразования и уменьшения времен переключения большое вилманле следует уделять схемам управления.

Выбор схемы управлеяия по-

левым транзистором определяется в первую очередь его передаточной характеристикой. Выходное напряжение схемы управления может быть одно-полярным, если пороговое напряжение полевого транзистора [/о>0 (например, МДП-транзисторы с вертикальной структурой), и должно быть двухполярным, если f/o<0 (ПТ на основе GaAs; СИТ-транзисторы, МДП-транзнсторы с горизонтальной стр> ктурой), так как пря [/ЗИ =0 через транзистор протекает ток стока /с иач (табл. 3.6).

Таблица 3.6. Параметры передаточных характеристик полевых

транзисторов

Напряжение управления [/вхт зависит от максимального тока нагрузки /яиавс, порогового напряжсмня [/о и крутизны So полевого транзистора, [ai [/о+н макс/5о И не ДОЛЖНО превышать максимально допустимого напряжения [/зИт.

Особенность управления ПТ заключается в работе выходных каскадов схем управления иа емкостную нагрузку - входной импеданс ПТ. Так как времена переключения ПТ определяются временем перезаряда входной емкости, то схема управления для получения минимальных времен переключения должна обеспечивать достаточно большие импульсные входные токи. Например, для транзистора КП904 емкостью Сзн 200 пФ при [/вх т=20 В и временем включения вкл 2 не среднее значение тока перезаряда емкости

200-10- -20 Ф-В

вх зар

СзиВ

2-10-

s<2A.

Среднее же значение тока управления полевым транзистором пренебрежимо мало так -.тк определяется большим входным статическим сопротивлением ПТ,

Таблица 3,7. Время переключения МДП-транзнсторов в схеме с общим истоком при управлении интегральными микросхемами

Л1алые входные мощности ПТ позволяют управлять ими непосредственно аналоговыми н цифровыми микросхемами (табл. 3.7). Интегральные

5-4462

операционные усилители (ОУ) в основном применяются для управления полевым транзистором в линейном режиме или для ключевого режима прн низких частотах переключения. Это связано с малыми выходными токами ОУ, определяющими время перезаряда входной емкости и, следовательно, и время переключения транзистора. Применение ТТЛ-микросхем для управления МДП-траизисторамн с п-каиалом ограничено низким уровнем выходного напряжения и малыми выходными токами. Кроме того, уровень логического нуля t/° должен быть меньше порогового напряжения Uo.

Практически для большинства мощных ПТ напряжения Ув1т== = 10... 15 В вполне достаточно для их полного открывания. Это позволяет широко применять для управления КМДП-схемы, например, серии К561, К176, К564 и др. (рис. 3.31).

ill Рис. 3.31. Схемы управ- ления МДП-транзисто-рами иа КМДП-микро-схемах (а), параллельно соединенными КМДП-микросхемами (б) с дополнительными эмиттернымн повторителями (в) и форсирующей RC-цепью (г)

Для увеличения выходного тока схемы управления включают несколько элементов микросхемы параллельно (рис. 3.31,6) или используют истоко-вые или эмиттерные повторители (рис. 3.31,в). Если U im<Ui, в схему управления вводят форсирующую /?С-цепь, которая способствует уменьшению времен переключения и задержек (рис. 3.31,г).

Применение для управления полевыми транзисторами интегральных компараторов с открытым коллектором обеспечивает ие только заданные уровни выходного управляющего напряжения, ио и необходимую полярность выходного напряжения. Следует помнить, что скорость переключения ПТ будет определяться постоянной времени ЛС-цепи, образованной внешним резистором R3 и входной емкостью Свх (рис. 3.32, а). Для увеличения скорости заряда емкости С ! на выходе интегрального компаратора ставят эмиттерный повторитель (рис. 3.32,6).

Н55ШЗ

b-U2 VD К55ШЗ

Рис. 3.32. Схемы управления полевыми транзисторами на интегральном компараторе [а] и эмиттерном повторителе (б)

Получение предельного быстродействия ключей иа ПТ связано с построением схем управления по двухтактным схемам или по схемам с обратными связями. Представленная на рис. 3.33, а схема обладает большим

КП901 Т

Рис. 3.33. Схема управления с обратной связью (а) и осциллограмма напряжений иа выходе (б)

входным и малым выходным сопротивлениями за счет введения отрицательных обратных связей. Выходное сопротивление схемы составляет /?вы1 5 Ом, что позволяет переключать емкостную нагрузку Сн=1000 пФ (значение емкости характерно для большинства мощных МДП-траизисторов с токами стока до десятков ампер) за время /пер 10 ис (рис. 3.33,6). Запуск схемы осуществляется от генератора, выполиеииого иа микросхемах ТТЛШ серии 531.

Для управления ключами, выполиеииыми по схеме с общим стоком, используют либо дополнительный источник питания Uy>U2 (рис. 3.34, а), либо схему с положительной обратной связью по напряжению (рис. 3.34,6). Напряжение £/в = £/с+£н, а так как UcUa, UataU, то f/a 2t/a. Следует

Рис. 3.34. Управление ключами, выполненными по схеме с ОС эмиттернымн повторителями (а) и с обратной связью по напряжению (6)

помнить, что для работы транзистора VT2 в ключевом режиме постоянная времени т=СЯк должна быть больше длительности входного сигнала.

В мостовых и полумостовых схемах преобразователей для переключения мощных транзисторов требуется гальваническая развязка цепей управлення. Эта задача решается применением оптопар нлн трансформаторов управления.

Схема управления ключом на МДП-транзисторе может быть построена иа базе однотактного преобразователя или полумостовой схемы (рнс. 3.35). К достоинству схем следует отнести возможность согласования питающего напряжения U и напряжения f/зи . При управленни двухтактным ключом используется размагничивающая обмотка Wp (рис. 3.36) [98]. К недостаткам трансформаторных схем управления следует отнести невозможность работы трансформатора при большом диапазоне изменения относительной длительности импульса /отя=/ж/Г.

Рис. 3.35. Однотактиая (а) н полумостовая (б) схемы управления полевыми транзнсторамн

Управление полевым транзстором в широком диапазоне изменения /отн, вплоть до единицы, удобно ВЫПОЛНЯТЬ с помощью оптроииых схем.

В силовом ключе (рнс. 3.37) напряжение t/вх подается на элемент D1.1, выход которого через оптрон связан с управляющей цепью (микросхема D1.2) выходного составного транзистора (транзисторы КП901 и КТ908). Питание управляющей цепи создается преобразователем напряжения, состоящим из генератора импульсов (элементы D1.2- DIA, R3 и Cl) и усилителя напряжения VTI с трансформаторным выходом. Параметры ключа: время задержки включения (з вкл 0,5 мкс, время включения вкл~0,15 мкс, время задержки выключения <звыкл~0,7 мкс и время выключения выкл = 0 300 мкс прн коммутировании тока 8 А. Ток потребления системы управления /п~10мА.

Очевидный недостаток такого подхода связан с необходимостью применения преобразователя напряжения для управляющей цепи. Простой и недорогой прием, позволяющий отказаться от подобного источника, состоит в том, чтобы воспользоваться выходным напряжением для управления (ри:. 3 3£) [73]. Соединив коллектор транзистора VTI со стоком МДП-транзистора, можно получить достаточное для управления его затвором напряжение в те моменты, когда оно больше всего необходимо - при высоких напряжениях сток-исток. Подключенный к стоку эмиттерный повторитель увеличивает ток в цепи управления затвором и сокращает время включения МДП-транзистора Управление эмиттерным повторителем выполнено с помощью матриц фотодиодов, формирующих изолированное напряжение 5 ..10 В. При включении напряжение Оси быстро уменьшается до тех пор, пока не достигнет уровня, равного сумме прямого 0,7 В падения напряжения на диоде VDI, напряжения насыщения транзистора V7 ! и иапрягкелия затвор-исток, необходимого для поддержания тока в нагрузке. С этого момента диодная матрица завершает процесс включения ПТ уже без помощи буфера. В результате скорость спада напряжения (/си существенно замедляется после достижения им уровня 5.. .7 В Для высоковольтных низкочастотных систем такое увеличение фронта доп>стичо, поскольку остаточное напряжение со-

Рис. 3.36. Схема трансформаторного управления двухтактным ключом иа МДП-транзисторах

Г Л:

1.0

в2. г

а 6

В1,лг Н561ЛЕ5

вг.1

в2.3

В2.<>

- &

КП901

Ш.б I-

Рис. 3.37. Силовой ключ с общей гальванической развязкой входной и выходной цепей

Матрица фо/повиоШ

т-12-о8-т фирмы вшш inm

Рис. 3.38. Схема управления МДП-транзистором на фотодиодиой матрице

ставляет лишь малую долю коммутируемого напряжения. В предлагаемой схе.ме с транзистором MTP10N25 время переключения составляет 200 мкс при токе нагрузки 10 А и напряжении питания 250 В. Для минимизации эффекта затягивания фронтов напряжения 6СИ следует выбирать транзисторы с низким пороговым напряжением и большой крутизной.