Влияние высоких скоростей изменения напряжения

На рис. 17 показаны наиболее важные компоненты и протекающие токи при включении и выключении синхронного ключа. Важно отметить, что сигналы управления прямым и синхронным ключами вырабатываются взаимно независимыми драйверами.

Процесс включения синхронного ключа QSR начинается с момента выключения прямого ключа QFW. Когда управляющее напряжение на затворе QFW становится низким, напряжение на стоке QFW стремится от уровня входного напряжения к нулю. Ток продолжает протекать через прямой ключ пока не разрядится конденсатор CRSS и паразитный диод не получит прямое смещение. В этот момент синхронный ключ принимает на себя весь ток и QFW окончательно выключается. Через некоторое время, определяемое задержкой контроллера, прикладывается напряжение к затвору QSR и его открывшийся канал перемыкает паразитный диод.

Процесс выключения синхронного ключа начинается с переключения выхода драйвера в низкое состояние. Но ток все равно продолжает протекать через паразитный диод в том же направлении. И только когда прямой ключ получает управляющий сигнал, ток начинает переключаться на QFW. Как только весь ток начнет протекать через QFW и паразитный диод полностью восстановится, напряжение на стоке QSR повышается от уровня земли до напряжения питания. В это время конденсатор CRSS синхронного выпрямителя быстро заряжается и напряжение на синхронном ключе так же быстро нарастает.

Анализируя столь необычный режим работы синхронного ключа и схемы его управления, можно отметить одну очень важную особенность. И во время включения, и во время выключения синхронный ключ испытывает очень большие скачки напряжения на его стоке, зависящие от скорости переключения прямого ключа (и, соответственно, от схемы его управления). Поэтому схемы управления обоими ключами должны быть согласованы между собой, что бы обеспечить корректные переключения и ограничение скорости dv/dt во всех режимах. Такой расчет можно провести по следующим формулам:

Рис. 17 Процессы выпрямителе

переключения в синхронном

dt TURN-ON(FW)

VDRV - VGS,PLATEAU(FW)

(RHI(FW) + RGATE(FW) + RG,I(FW)) * CRSS(FW)

dt MAX(SR)

VTH(SR)

(RLO(SR) + RGATE(SR) + RG,I(SR)) * CRSS(SR)

dt TURN-ON(FW) dt MAX(SR)

В случае, если используем одинаковые транзисторы в качестве обоих ключей и без затворных резисторов, и считая, что внутренним сопротивлением затворов можно пренебречь, максимальное выходное сопротивление драйверов будет:

VTH(SR)

VDRV - VGS,PLATEAU(FW)

Например, для обычного низкоуровневого транзистора, управляемого от 10V, это соотношение должно быть не больше чем 0,417, то есть выходное сопротивление драйвера синхронного выпрямителя в выключенном состоянии должно быть более чем в два раза меньше чем выходное сопротивление драйвера прямого ключа в выключенном состоянии. При использовании этих формул необходимо помнить, что все параметры, за исключением VDRV, изменяются от температуры, и все расчеты необходимо производить для наихудшего случая.

6. Неизолированные драйверы верхнего уровня

Неизолированные драйверы высокого уровня можно разделить по типу полевого транзистора, которым они управляют (n- или p-канальные), и по типу собственно драйвера - прямого управления, со сдвигом уровня или бутстрепные схемы (bootstrap). В любом случае, надо очень внимательно относиться к проектированию таких схем, и убедиться, что учтены следующие аспекты:

*Достаточное питание

*Ограничение по скорости

*Ограничение максимального рабочего цикла

*Устойчивость к высоким dv/dt

*Корректный запуск

*Устойчивость к работе в переходных режимах

*Шунтирующий конденсатор необходимой величины

*Правильная разводка

Драйверы высокого уровня для управления p-канальными транзисторами

В этой группе схем вывод истока p-канального полевого транзистора подключен к плюсу входного напряжения. Драйвер должен обеспечивать отрицательное напряжение на затворе, то есть выходной сигнал контроллера должен быть инверсным и привязанным к входному плюсу. Поскольку вход источника питания можно рассматривать как источник напряжения, драйвер высокого уровня p-канального транзистора не должен создавать чрезмерно большого размаха управляющего сигнала, но при этом должен работать во всем диапазоне входных напряжений. Более того, по переменному току драйвер связан с потенциалом земли.

1. Прямое управление p-канальным транзистором

Простейший способ управления p-канальным ключом верхнего уровня - прямое управление, пример которого показан на рис. 18 - может быть организовано только в случае, если напряжение питания не превышает предельно допустимого напряжения затвор-исток полевого транзистора. Наиболее типичное применение такого решения - понижающие DC-DC конверторы с входным напряжением 12В. Заметим, что инверсный выход ШИМ - контроллера, необходимый в этом случае, обычно уже входит в состав микросхем, специально предназначенных для управления p-канальным транзистором.

Работа этой схемы идентична схеме управления n-канальным ключом от уровня земли. Единственное отличие заключается в пути прохождения тока затвора -здесь ток никогда не течет через земляной вывод, а циркулирует в цепи положительного входного напряжения. Соответственно, при разводке необходимо минимизировать индуктивность проводников, связанных с входным напряжением, а не земляных цепей.

~]Qvdrv=v

Рис. 18 Прямое управление p-канальным транзистором

2. Управление p-канальным транзистором со сдвигом уровня

В тех случаях, когда входное напряжение превышает предельно допустимый уровень управляющего сигнала, необходимо применять схемы сдвига уровня. Простейшая такая схема, использующая драйвер с открытым коллектором, показана на рис. 19. К сожалению, подобное решение совершенно непригодно для схем с высокой скоростью переключения. Первая проблема связана с ограничением входного напряжения максимально допустимым для открытого коллектора выходного каскада драйвера. Но гораздо более существенные проблемы заключены в очень большом выходном сопротивлении такой схемы. Оба резистора ROFF и RGATE должны быть весьма высокоомными, что

Драйвер

Рис. 19 Включение драйвера с открытым коллектором

бы постоянный ток через них не был слишком большим. Кроме того, амплитуда сигнала на затворе силового транзистора будет зависеть от отношения этих резисторов (и, соответственно, от уровня входного сигнала). Поэтому низкая скорость переключения и плохая устойчивость против высоких dv/dt исключает применение этой схемы в импульсных устройствах. И только в некоторых случаях, когда скорость переключения не важна, применение этой схемы может быть оправдано ввиду ее простоты.

На рис. 20 показана сдвигающая уровень схема, пригодная для использования в схемах с высокими скоростями переключения, и без проблем работающая со стандартными ШИМ -контроллерами. Здесь транзистор QINV, нагруженный на двухтактный каскад, выполняет две функции - инвертирует входной сигнал и передает его на уровень входного напряжения.

Скорость включения силового транзистора определяется резисторами R2 и RGATE, и, как правило, весьма высока. Пока силовой ключ выключен, небольшой постоянный ток протекает через схему сдвига уровня, и не влияет на напряжение питания драйвера. И ток драйвера, и ток сдвигающей схемы забирается из напряжения питания, которое обычно очень хорошо задемпфировано.

Мощность, потребляемая схемой управления, зависит от частоты преобразования (из-за перезаряда входной емкости силового ключа) и от уровня входного напряжения (из-за протекания постоянного тока через схему сдвига):

Рис. 20 Схема сдвига уровня на дискретных компонентах

PDRIVE - QG * VDRV * fDRV +

VIN * DMAX R1 + R2

Один из недостатков такой схемы заключается в том, что VDRV все еще зависит от уровня входного напряжения из-за делителя R1R2, и в большинстве случаев может потребоваться дополнительная схема защиты от превышения напряжения на затворе силового транзистора. Другая потенциальная проблема связана с насыщением транзистора QINV, что может привести к увеличению времени выключения силового ключа. К счастью, обе эти неприятности можно починить, если резистор R2 перенести в эммитерную цепь QINV. В результате схема приобретет постоянную амплитуду управляющего сигнала и крутые, симметричные фронты переключения. Устойчивость схемы к резким изменениям напряжения в основном определяется сопротивлением резистора R1 - при его уменьшении увеличивается устойчивость, но увеличивается ток, потребляемый схемой управления. Еще можно заметить, что эта схема способна удерживать силовой ключ в выключенном состоянии при недостаточном уровне входного напряжения, например, при медленной подаче входного напряжения. Пока контроллер неактивен, транзистор QINV закрыт, и затвор силового ключа притянут к истоку резистором R1 и верхним транзистором двухтактного каскада. Особое внимание надо обратить на устойчивость схемы при резкой подаче входного напряжения - большое dv/dt может привести к открыванию силового ключа.

Как правило, такая схема сдвига обладает относительно небольшим КПД, и рассеиваемая на нем мощность может ограничить диапазон входного напряжения. Выгодность его применения, как компромисс между скоростью переключения и рассеиваемой мощностью, должна тщательно оцениваться в каждом конкретном случае исходя из необходимого диапазона входного напряжения.

Схемы прямого управления n-канальным транзистором верхнего уровня

В источниках питания в качестве силовых ключей всегда стараются использовать n-канальные полевые транзисторы - они более дешевые, более быстрые и обладают меньшим сопротивлением в открытом состоянии. Но такой транзистор должен управляться положительным напряжением относительно истока, поэтому драйвер должен выдерживать резкие перепады напряжения и в большинстве случаев создавать управляющее напряжение больше напряжения питания. Все эти трудности делают разработку драйверов верхнего уровня n-канального транзистора весьма увлекательной задачей.

1. Прямое управление n- канальным транзистором

В простейшем случае "верхний" силовой ключ управляется непосредственно с выхода контроллера (или драйвера), привязанного к уровню земли. В этом случае должны выполняться следующие два условия:

Vdrv < Vgs,max

VIN < VDRV - VGS,Miller