~} vdrv

° OUT

Рис. 21 Прямое управление n-канальным транзистором

Типовое решение с ускоряющим p-n-p транзистором показано на рис. 21. Если временно пренебречь ускоряющим транзистором, то можно отметить два основных отличия от классической схемы прямого управления. Поскольку вывод стока подсоединен к входному источнику постоянного напряжения, пульсирующее напряжение появляется на истоке, и с точкизрениядемпфирования

индуктивной энергии схемы идентичны. Но с точки зрения работы схемы управления здесь все по-другому. Заметим, что ток управления уже не может возвращаться в землю через вывод истока, а вынужден протекать через нагрузку. При включении транзистора в

режиме разрывных токов он должен протекать через индуктор и внешнюю нагрузку, а в режиме неразрывных токов - через p-n переход возвратного диода. При выключении ток разряда входной емкости затвора всегда течет через возвратный диод. А ток перезаряда конденсатора CGD протекает через высокочастотный конденсатор фильтра питания во всех режимах.

Все эти эффекты увеличивают паразитную индуктивность цепи истока из-за большего количества компонентов протекания тока и, соответственно, большей площади петли протекания импульсного тока. Как было показано выше, паразитная индуктивность в цепи истока создает отрицательную обратную связь, ухудшающую скорость переключения транзистора.

Другая особенность использования прямого управления n-канальным транзистором на высокой стороне заключается в поведении его истока - при выключении транзистора на нем может наблюдаться большое отрицательное напряжение. Рис. 22 иллюстрирует этот весьма сложный процесс переключения.

Процесс выключения начинается с опускания потенциала вывода затвора к уровню земли - входная емкость транзистора быстро разряжается до уровня плато Миллера. Ключ все еще полностью открыт, весь ток нагрузки протекает от стока к истоку, и падение напряжение на транзисторе мало. Затем, на уровне плато Миллера, полевой транзистор начинает работать как истоковый повторитель.

Напряжение на истоке падает вместе с напряжением на затворе, и пока напряжение сток - исток возрастает, напряжение затвор - исток остается постоянным на уровне плато Миллера. Скорость изменение ограничено выходным сопротивлением драйвера и конденсатором CGD транзистора. Как только напряжение на истоке опустится ниже уровня земли примерно на 0,7В, открывается возвратный диод и фиксирует потенциал истока.

На самом деле, напряжение на истоке может опуститься ниже уровня земли на короткое время, определяемое временем включения возвратного диода и паразитными индуктивностями в его цепи, после этого весь ток переключается на возвратный диод, и потенциал истока фиксируется ниже уровня земли на величину прямого падения напряжения на диоде.

Этот короткий выброс напряжения на истоке ниже уровня земли из-за медленного диода и больших паразитных индуктивностей в его цепи может создать большие проблемы для драйвера, а именно опустить его выход в область отрицательных напряжений. Поэтому для его защиты необходимо устанавливать диоды Шоттки с низким прямым падением между выходом драйвера и его землей, как показано на рис. 21. Стоит отметить еще один момент: когда напряжение на затворе становится равным нулю, ток разряда входной емкости ключа так же прекращается, и дальнейшее опускание уровня истока ниже земли может привести к открыванию

Время восстановления диода плюс время спада тока

Рис. 22

Процесс выключения n-канального транзистора верхнего уровня

силового транзистора. В конце концов, система приходит в весьма шаткое равновесие, когда ток разряда входной емкости ключа и падение напряжения на паразитных индуктивностях приходят в соответствие со скоростью изменения тока в ключе.

В этом случае может не помочь даже ускоряющая выключение схема, показанная на рис. 21. Дополнительный p-n-p транзистор будет выключен, когда напряжение на затворе упадет ниже земли на величину VBE, а исток будет находиться в большом отрицательном смещении в результате переходного процесса. Также необходимо обратить внимание, что такая схема в выключенном состоянии будет очень восприимчива к наводкам, поскольку напряжение истока будет ниже уровня земли на величину падения на возвратном диоде, а уровень затвора будет выше земли примерно на 0,7В. Соответственно, напряжение между истоком и затвором будет находиться в опасной близости к VTH, особенно при использовании низковольтового силового транзистора и при повышенной температуре.

Бутстрепная схема

Если прямое управление полевым транзистором становится невозможным из-за слишком большого входного напряжения, применяется бутстрепная схема. В ней и драйвер, и его питание имеют общий минус на истоке силового n-канального транзистора. Но все напряжения на драйвере не связаны с величиной входного напряжения, и имеют относительно низкий уровень. Между привязанной к земле схемой управления и собственно драйвером применяется сдвигающая уровень схема, аналогичная вышеописанной. Она должна выдерживать все входное напряжение и передавать сигнал с относительно низким уровнем тока, а импульсный ток перезаряда входной емкости силового ключа циркулирует через шунтирующий конденсатор драйвера, потенциал которого привязан к истоку полевого транзистора.

Рис. 23 Бутстрепный драйвер на дискретных компонентах

2. Бутстрепный драйвер на дискретных компонентах

Классическая схема реализации бутстрепного драйвера на дискретных"

компонентах представлена на рис. 23. Здесь ШИМ - контроллер, привязанный к уровню земли, зашунтирован своим собственным конденсатором. Сдвигающая уровень схема построена на диоде QBST, резисторах R1, R2 и полевом транзисторе QLS. Собственно драйвер привязан общим минусом к истоку силового транзистора, и включает в себя шунтирующийконденсаторCBST,

двухтактный драйвер на биполярных транзисторах и затворный резистор RGATE.

Такая схема особенно эффективна в диапазоне входных напряжений примерно от 12 до 24 вольт, когда используется дешевый

контроллер, без встроенного драйвера верхнего уровня. Особенно приятно, что напряжение питания контроллера напрямую не связано с входным напряжением. Кроме того, схема сдвига уровня построена на маленьком n-канальном полевом транзисторе с управлением по истоку, и при включенном силовом ключе ток через него не течет. Это очень важное свойство такой схемы сдвига уровня в плане повышения эффективности и увеличения предельно возможного времени включенного состояния силового ключа.

Работает схема следующим образом. Когда выход контроллера переходит в высокое состояние, транзистор QLS выключается, резистор R1 обеспечивает протекание базового тока верхнего транзистора двухтактного драйвера, и силовой ключ открывается. Ток заряда входной емкости силового транзистора забирается из шунтирующей емкости CBST. Когда силовой ключ открылся, потенциал его истока становится равным входному напряжению, и диод DBST с транзистором QLS отвязывают драйвер от входа устройства.

При выключении на выходе контроллера устанавливается низкий уровень, что приводит к открыванию транзистора QLS. Ток начинает протекать через резисторы R1 и R2, и включается нижний транзистор двухтактного драйвера. Как только силовой ключ закрылся, напряжение на его истоке стремится к нулю, и открывается возвратный диод. Поскольку нижний конец конденсатора CBST имеет теперь потенциал, на величину падения на диоде меньший уровня земли, а верхний его конец привязан к напряжению питания контроллера через диод DBST, за время выключенного состояния силового ключа конденсатор CBST заряжается до уровня VDRV.

3. Интегральный драйвер высокого уровня

При средних уровнях питающего напряжения, обычно для 24- или 48-вольтовых систем, драйвер высокого уровня может быть интегрирован в ШИМ - контроллер, как показано на рис. 24.

Для больших же напряжений, до 600В, выпускаются отдельные драйверы высокого уровня (иногда совмещенные с драйвером низкого уровня), как правило, построенные по различным, уникальным для разных компаний схемам сдвига уровня. Что бы обеспечить низкий уровень рассеиваемой мощности, такие драйверы должны иметь очень низкий уровень тока через схему сдвига уровня при включенном состоянии силового ключа - ведь каждый миллиампер утечки будет приводить примерно к 0,5Вт рассеиваемой на драйвере мощности.

В таких случаях чаще всего применяется схема сдвига уровня под названием "импульсная защелка" (pulsed latch), блок -схема которой приведена на рис. 25.

Как видно из схемы, входной сигнал от ШИМ - контроллера преобразуется в очень короткие импульсы, на короткое время открывающие транзисторы, ответственные за сдвиг уровня напряжения. Соответственно, плавающая часть драйвера тоже содержит в себе устройство, которое восстанавливает из этих коротких импульсов первоначальный сигнал, и обладает некими фильтрующими свойствами для исключения ложных воздействием внешних подобная схема имеет ток через схему сдвига,

Рис. 24 Интегрированный бутстрепный драйвер

>sq-

Рис. 25 Бутстрепный драйвер на основе Pulsed Latch

переключений под наводок. В итоге чрезвычайно низкий

поскольку сигнал передается очень короткое время. Плата за это - пониженная устойчивость к внешним наводкам. Типичная длительность управляющего импульса для 600-вольтовой схемы составляет порядка 120нс; это время прибавляется к обычной задержке внутри драйвера и обычно приводится в спецификации на драйвер. Из-за этой задержки рабочую частоту интегральных драйверов высокого уровня +приходится ограничивать на уровне порядка пары сотен килогерц.

Некоторые низковольтовые (до 100В) драйверы используют непрерывную схему сдвига уровня напряжения, и они могут работать на гораздо более высоких частотах.

4. Процессы переключения драйверов высокого уровня

Применение схемы высокого драйвера для управления n-канальным транзистором приведено на рис. 26. В плане процессов переключения она идентична схеме прямого управления n-канальным полевым транзистором верхнего уровня, рассмотренной ранее.

Наибольшие неприятности вызывает наличие отрицательного выброса на истоке силового ключа при его выключении. Как мы уже выяснили, амплитуда этого импульса пропорциональна паразитной индуктивности между выводом стока и землей, включая паразитную индуктивность возвратного диода, и скорости выключения силового транзистора, определяемой входной емкостью CISS и величиной затворного резистора Rgate. Отрицательный выброс создает особенно серьезные проблемы для выходного каскада драйвера еще и из-за того, что вывод истока силового ключа подсоединен непосредственно к "истоковому" выводу драйвера (обычно называемому SRC или VS), и способен опустить некоторые внутренние компоненты драйвера значительно ниже уровня земли.