В работе [12] предложены возможные схемные решения управления затвором «-канального MOSFET транзистора верхнего плеча, такие как:
- драйвер с «плавающим» источником питания;
- импульсный трансформатор;
- зарядовый насос;
- драйвер с бутстрепным питанием (bootstrap).
При схемотехническом моделировании предпочтение было отдано простому и дешевому решению драйвера с бутстрепным питанием (рис. 9.6), широко используемого в интегральных драйверах ряда фирм, таких как International Rectifier, Agilent Technologies (Hewlett Packard), EUPEC, SEMIKRON. Бутстрепная цепочка VD1 и Cl позволяет создать достаточное большое положительное напряжение затвор - исток для полного отпирания канала мощного МДП или IGBT транзистора.
Функциональная схема силового ключа с бутстрепным питанием
Рис. 9.6. Функциональная схема силового ключа с бутстрепным питанием
Устройство работает следующим образом. Когда транзистор VT1 закрыт, напряжение на нагрузке близко к потенциалу земли, а конденсатор С1 заряжается при этом почти до напряжения ЕП источника питания (за вычетом прямого падения напряжения на VD1). Когда на транзистор VT1 приходит отпирающий сигнал напряжение на конденсаторе С1 обеспечивает дополнительное питание драйвера.
Каскад сдвига уровня позволяет преобразовать логический сигнал управления, привязанного к общей шине, в управляющее напряжение затвора относительно истока. При этом напряжение на затворе транзистора VT1 остается все время выше напряжения на его истоке (до установления на истоке напряжения, равного напряжению источника питания) на величину, равную начальному напряжению на конденсаторе С1. Периодическое переключение транзистора VT1 подзаряжает конденсатор С1 прежде чем напряжение на затворе заметно упадет из-за разрядки конденсатора токами утечки обратно смещенного диода VD1.
Схема для исследования драйвера с бутстрепным питанием показана на рис. 9.7.
Схема для моделирования драйвера с бутстрепным питанием
Рис. 9.7. Схема для моделирования драйвера с бутстрепным питанием
305
Ключ на MOSFET транзисторе Q1 включен последовательно с нагрузкой R4 и переключает напряжение питания источника V2. Источник VI управляющих сигналов с логическими уровнями формирует импульсы заданной частоты (100 кГц) на вход каскада сдвига уровней, выполненный на транзисторе Q4. На комплементарных транзисторах Q2 и Q3 выполнен усилитель тока, обеспечивающего быструю зарядку емкости затвора MOSFET ключа. Резистор R3 ограничивает выходной ток драйвера. Питание драйвера осуществляется от бутстрепной цепочки Dl, С1.
При высоком логическом сигнале генератора VI транзистор Q4 открыт, затвор транзистора Q1 находится под потенциалом, близким к потенциалу земли: транзистор Q1 закрыт, конденсатор С1 заряжается при этом почти до напряжения источника питания. С приходом низкого логического сигнала транзистор Q4 запирается, что приводит к нарастанию напряжения на затворе Ш транзистора Q1 до напряжения источника питания минус падение напряжения на диоде D1 и плюс напряжение на бут- стрепном конденсаторе С1, которое обусловлено зарядом емкости в предыдущем цикле и практически равно напряжению питания U3=En- Ufl+Ucl. Повторное переключение транзистора Q1 произойдет раньше, чем напряжение на затворе заметно уменьшится вследствие разрядки конденсатора С1 малыми токами утечки обратно смещенного диода D1 и запертого транзистора Q2.
Транзистор силового ключа Q1 был выбран из библиотеки INTRNTNL (мощные транзисторы), а маломощные MOSFET транзисторы из библиотеки ZETEX (средней мощности).
В [58] представлена методика для расчета величины бутстрепной емкости. Результаты выполненного моделирования подтвердили, что для выбранного транзистора irflOlOn в диапазоне частот F от 20 кГц до 100 кГц величина бутстрепной емкости составила 10 нФ. Результаты моделирования приведены на рис. 9.8. Осциллограф контролировал напряжения на нагрузке и на затворе ключа.
Осциллограммы - (верхняя) напряжение на затворе, (нижняя) - на нагрузке
Рис. 9.8. Осциллограммы - (верхняя) напряжение на затворе, (нижняя) - на нагрузке: a) F=10 кГц; б) F=20 кГц; в) F=100 кГц
В нижней границе частотного диапазона отчетливо виден спад вершины импульса на затворе (верхняя осциллограмма). На частотах 10 кГц и ниже этот спад приводит к неустойчивой работе силового ключа (нижняя осциллограмма) (рис. 9.8, а). На частоте Г=20кГц спад присутствует, но уже не влияет на работу ключа.
Драйвер верхнего ключа с бутстрепным питанием
Рис. 9.9. Драйвер верхнего ключа с бутстрепным питанием: а) условно-графическое изображение (УГО); б) схема драйвера; в) схема включения драйвера
В программе EWB имеется возможность создания многоуровневых схем - Create Subcirquit, когда выделенную часть схемы можно свернуть в подсхему - Subcirquit, и использовать как обычный библиотечный элемент (заказная интегральная схема) в библиотеке Favorites (рис. 9.9).
Схема включения драйвера с использованием компонента Driver_H приведена на рис. 9.9, в.
