Apa prinsip rangkaian penggerak MOSFET daya tinggi?

MOSFET berdaya tinggi yang sama, penggunaan rangkaian penggerak yang berbeda akan mendapatkan karakteristik peralihan yang berbeda. Penggunaan rangkaian penggerak yang berkinerja baik dapat membuat perangkat peralihan daya bekerja dalam keadaan peralihan yang relatif ideal, sekaligus memperpendek waktu peralihan, mengurangi kerugian peralihan, pemasangan efisiensi pengoperasian, keandalan, dan keamanan sangat penting. Oleh karena itu, kelebihan dan kekurangan rangkaian penggerak secara langsung mempengaruhi kinerja rangkaian utama, rasionalisasi desain rangkaian penggerak menjadi semakin penting. Thyristor berukuran kecil, ringan, efisiensi tinggi, umur panjang, mudah digunakan, dapat dengan mudah menghentikan penyearah dan inverter, dan tidak dapat mengubah struktur sirkuit dengan alasan mengubah ukuran penyearah atau arus inverter. IGBT adalah komposit perangkat dariMOSFETdan GTR, yang memiliki karakteristik kecepatan peralihan yang cepat, stabilitas termal yang baik, daya penggerak yang kecil dan rangkaian penggerak yang sederhana, serta memiliki keunggulan penurunan tegangan dalam keadaan yang kecil, tegangan tahan yang tinggi, dan arus penerimaan yang tinggi. IGBT sebagai perangkat keluaran daya arus utama, terutama di tempat-tempat berkekuatan tinggi, telah umum digunakan dalam berbagai kategori.

Sirkuit penggerak yang ideal untuk perangkat switching MOSFET berdaya tinggi harus memenuhi persyaratan berikut:

(1) Ketika tabung pengalih daya dihidupkan, rangkaian penggerak dapat memberikan arus basis yang meningkat dengan cepat, sehingga terdapat daya penggerak yang cukup saat dihidupkan, sehingga mengurangi kerugian penyalaan.

(2) Selama konduksi tabung switching, arus basis yang disediakan oleh rangkaian driver MOSFET dapat memastikan bahwa tabung daya berada dalam kondisi konduksi jenuh dalam kondisi beban apa pun, sehingga memastikan kehilangan konduksi yang relatif rendah. Untuk mengurangi waktu penyimpanan, perangkat harus berada dalam kondisi saturasi kritis sebelum dimatikan.

(3) shutdown, sirkuit penggerak harus menyediakan penggerak basis balik yang cukup untuk dengan cepat menarik keluar pembawa yang tersisa di wilayah basis untuk mengurangi waktu penyimpanan; dan tambahkan tegangan cutoff bias balik, sehingga arus kolektor turun dengan cepat untuk mengurangi waktu pendaratan. Tentu saja, pematian thyristor sebagian besar masih dilakukan oleh penurunan tegangan anoda terbalik untuk mematikan sepenuhnya.

Saat ini, penggerak thyristor dengan jumlah yang sebanding hanya melalui isolasi transformator atau optocoupler untuk memisahkan ujung tegangan rendah dan ujung tegangan tinggi, dan kemudian melalui rangkaian konversi untuk menggerakkan konduksi thyristor. Pada IGBT untuk penggunaan saat ini lebih banyak modul penggerak IGBT, tetapi juga IGBT terintegrasi, pemeliharaan sistem mandiri, diagnosis mandiri dan modul fungsional lainnya dari IPM.

Dalam tulisan ini, untuk thyristor yang kami gunakan, merancang rangkaian penggerak eksperimental, dan menghentikan pengujian sebenarnya untuk membuktikan bahwa rangkaian tersebut dapat menggerakkan thyristor. Sedangkan untuk penggerak IGBT, makalah ini terutama memperkenalkan jenis penggerak IGBT utama saat ini, serta rangkaian penggerak yang sesuai, dan penggerak isolasi optocoupler yang paling umum digunakan untuk menghentikan eksperimen simulasi.

2. Studi rangkaian penggerak thyristor secara umum kondisi operasi thyristor adalah :

(1) thyristor menerima tegangan anoda terbalik, terlepas dari gerbang yang menerima tegangan apa, thyristor dalam keadaan mati.

(2) Thyristor menerima tegangan anoda maju, hanya jika gerbang menerima tegangan positif maka thyristor aktif.

(3) Thyristor dalam kondisi konduksi, hanya tegangan anoda positif tertentu, berapapun tegangan gerbangnya, thyristor tetap melakukan konduksi, yaitu setelah konduksi thyristor, gerbangnya hilang. (4) thyristor dalam kondisi konduksi, ketika tegangan (atau arus) rangkaian utama berkurang mendekati nol, thyristor dimatikan. Kami memilih thyristor adalah TYN1025, tegangan penahannya adalah 600V hingga 1000V, arus hingga 25A. itu membutuhkan tegangan penggerak gerbang 10V hingga 20V, arus penggerak 4mA hingga 40mA. dan arus perawatannya 50mA, arus mesin 90mA. baik DSP atau CPLD memicu amplitudo sinyal selama 5V. Pertama-tama, selama amplitudo 5V menjadi 24V, dan kemudian melalui transformator isolasi 2:1 untuk mengubah sinyal pemicu 24V menjadi sinyal pemicu 12V, sekaligus menyelesaikan fungsi isolasi tegangan atas dan bawah.

Desain dan analisis sirkuit eksperimental

Pertama-tama, rangkaian boost, karena adanya rangkaian trafo isolasi di tahap belakangMOSFETPerangkat membutuhkan sinyal pemicu 15V, sehingga perlu terlebih dahulu amplitudo sinyal pemicu 5V menjadi sinyal pemicu 15V, melalui sinyal MC14504 5V, diubah menjadi sinyal 15V, dan kemudian melalui CD4050 pada keluaran pembentukan sinyal penggerak 15V, saluran 2 terhubung ke sinyal input 5V, saluran 1 terhubung ke output. Saluran 2 terhubung ke sinyal input 5V, saluran 1 terhubung ke keluaran sinyal pemicu 15V.

Bagian kedua adalah rangkaian trafo isolasi, fungsi utama rangkaian adalah: sinyal pemicu 15V, diubah menjadi sinyal pemicu 12V untuk memicu bagian belakang konduksi thyristor, dan untuk melakukan sinyal pemicu 15V dan jarak antara bagian belakang. panggung.

Prinsip kerja rangkaian adalah: karenaMOSFETIRF640 menggerakkan tegangan 15V, jadi, pertama-tama, di J1 akses ke sinyal gelombang persegi 15V, melalui resistor R4 dihubungkan ke regulator 1N4746, sehingga tegangan pemicu stabil, tetapi juga untuk membuat tegangan pemicu tidak terlalu tinggi , membakar MOSFET, dan kemudian ke MOSFET IRF640 (sebenarnya, ini adalah tabung switching, kontrol ujung belakang pembukaan dan penutupan. Kontrol ujung belakang turn-on dan turn-off), setelah mengontrol siklus kerja sinyal penggerak, untuk dapat mengontrol waktu turn-on dan turn-off MOSFET. Ketika MOSFET terbuka, setara dengan ground kutub D-nya, mati ketika terbuka, setelah rangkaian back-end setara dengan 24 V. Dan trafo melalui perubahan tegangan untuk membuat ujung kanan sinyal keluaran 12 V . Ujung kanan trafo dihubungkan ke jembatan penyearah, dan kemudian sinyal 12V dikeluarkan dari konektor X1.

Masalah yang ditemui selama percobaan

Pertama-tama, saat listrik dihidupkan, tiba-tiba sekring putus, kemudian saat dilakukan pengecekan rangkaian, ditemukan adanya masalah pada desain awal rangkaian. Awalnya, untuk mendapatkan efek yang lebih baik dari keluaran tabung switching, pemisahan ground 24V dan ground 15V, yang membuat tiang G gerbang MOSFET setara dengan bagian belakang tiang S, ditangguhkan, sehingga menghasilkan pemicu yang salah. Perawatannya adalah dengan menyambungkan ground 24V dan 15V, dan sekali lagi untuk menghentikan percobaan, rangkaian bekerja normal. Koneksi sirkuit normal, tetapi ketika berpartisipasi dalam sinyal penggerak, MOSFET panas, ditambah sinyal penggerak untuk jangka waktu tertentu, sekring putus, dan kemudian menambahkan sinyal penggerak, sekring langsung putus. Periksa rangkaian untuk menemukan bahwa siklus kerja tingkat tinggi dari sinyal penggerak terlalu besar, mengakibatkan waktu penyalaan MOSFET terlalu lama. Perancangan rangkaian ini membuat ketika MOSFET terbuka, 24V ditambahkan langsung ke ujung MOSFET, dan tidak menambahkan resistor pembatas arus, jika on-time terlalu lama membuat arus terlalu besar, MOSFET rusak, kebutuhan untuk mengatur siklus kerja sinyal tidak boleh terlalu besar, umumnya sekitar 10% hingga 20%.

2.3 Verifikasi sirkuit penggerak

Untuk memverifikasi kelayakan rangkaian penggerak, kami menggunakannya untuk menggerakkan rangkaian thyristor yang dihubungkan secara seri satu sama lain, thyristor secara seri satu sama lain dan kemudian anti-paralel, akses ke rangkaian dengan reaktansi induktif, catu daya adalah sumber tegangan AC 380V.

MOSFET pada rangkaian ini, thyristor Q2, Q8 memicu sinyal melalui akses G11 dan G12, sedangkan Q5, Q11 memicu sinyal melalui akses G21, G22. Sebelum sinyal penggerak diterima ke level gerbang thyristor, untuk meningkatkan kemampuan anti-interferensi thyristor, gerbang thyristor dihubungkan ke resistor dan kapasitor. Rangkaian ini dihubungkan ke induktor kemudian dimasukkan ke rangkaian utama. Setelah mengendalikan sudut konduksi thyristor untuk mengontrol induktor besar ke dalam waktu rangkaian utama, sirkuit atas dan bawah dari sudut fasa dari perbedaan sinyal pemicu setengah siklus, G11 dan G12 atas adalah sinyal pemicu sepanjang jalan melalui rangkaian penggerak tahap depan transformator isolasi diisolasi satu sama lain, G21 dan G22 yang lebih rendah juga diisolasi dari sinyal yang sama. Kedua sinyal pemicu memicu rangkaian thyristor anti-paralel konduksi positif dan negatif, di atas saluran 1 dihubungkan ke seluruh tegangan rangkaian thyristor, pada konduksi thyristor menjadi 0, dan saluran 2, 3 dihubungkan ke rangkaian thyristor atas dan bawah sinyal pemicu jalan, 4 saluran diukur dengan aliran seluruh arus thyristor.

2 saluran mengukur sinyal pemicu positif, dipicu di atas konduksi thyristor, arusnya positif; 3 saluran mengukur sinyal pemicu terbalik, memicu rangkaian konduksi thyristor yang lebih rendah, arusnya negatif.

3. Rangkaian penggerak IGBT dari seminar Rangkaian penggerak IGBT memiliki banyak permintaan khusus, dirangkum:

(1) laju naik turunnya pulsa tegangan harus cukup besar. igbt nyalakan, ujung depan tegangan gerbang curam ditambahkan ke gerbang G dan emitor E di antara gerbang, sehingga cepat dihidupkan untuk mencapai waktu nyala terpendek untuk mengurangi kerugian nyalakan. Dalam penutupan IGBT, rangkaian penggerak gerbang harus menyediakan tegangan bias balik yang sangat curam pada tepi pendaratan IGBT, dan ke gerbang IGBT G dan emitor E antara tegangan bias balik yang sesuai, sehingga penutupan cepat IGBT, mempersingkat waktu penutupan, mengurangi kerugian penutupan.

(2) Setelah konduksi IGBT, tegangan dan arus penggerak yang disediakan oleh rangkaian penggerak gerbang harus memiliki amplitudo yang cukup untuk tegangan dan arus penggerak IGBT, sehingga keluaran daya IGBT selalu dalam keadaan jenuh. Kelebihan beban sementara, daya penggerak yang disediakan oleh rangkaian penggerak gerbang harus cukup untuk memastikan bahwa IGBT tidak keluar dari daerah saturasi dan kerusakan.

(3) Rangkaian penggerak gerbang IGBT harus memberikan tegangan penggerak positif IGBT untuk mengambil nilai yang sesuai, terutama dalam proses pengoperasian hubung singkat peralatan yang digunakan dalam IGBT, tegangan penggerak positif harus dipilih ke nilai minimum yang diperlukan. Penerapan tegangan gerbang IGBT harus 10V ~ 15V untuk yang terbaik.

(4) Proses pematian IGBT, tegangan bias negatif yang diterapkan antara gerbang - emitor kondusif untuk pematian IGBT dengan cepat, namun tidak boleh diambil terlalu besar, pengambilan biasa -2V hingga -10V.

(5) dalam kasus beban induktif yang besar, peralihan yang terlalu cepat berbahaya, beban induktif yang besar pada IGBT menyalakan dan mematikan dengan cepat, akan menghasilkan frekuensi tinggi dan amplitudo tinggi serta lebar lonjakan tegangan yang sempit Ldi / dt , lonjakan tidak mudah diserap, mudah menyebabkan kerusakan perangkat.

(6) Karena IGBT digunakan di tempat bertegangan tinggi, maka rangkaian penggerak harus dengan seluruh rangkaian kontrol dalam potensi isolasi yang parah, penggunaan isolasi kopling optik berkecepatan tinggi atau isolasi kopling transformator biasa.

Status sirkuit penggerak

Dengan berkembangnya teknologi terintegrasi, rangkaian penggerak gerbang IGBT saat ini sebagian besar dikendalikan oleh chip terintegrasi. Mode kontrol utamanya masih terdiri dari tiga jenis:

(1) tipe pemicu langsung tidak ada isolasi listrik antara sinyal masukan dan keluaran.

(2) penggerak isolasi transformator antara sinyal masukan dan keluaran menggunakan isolasi transformator pulsa, tingkat tegangan isolasi hingga 4000V.

Ada 3 pendekatan sebagai berikut

Pendekatan pasif: keluaran trafo sekunder digunakan untuk menggerakkan IGBT secara langsung, karena keterbatasan pemerataan volt-detik, hanya berlaku di tempat yang siklus kerjanya tidak banyak berubah.

Metode aktif: trafo hanya menyediakan sinyal terisolasi, pada rangkaian penguat plastik sekunder untuk menggerakkan IGBT, bentuk gelombang penggerak lebih baik, namun kebutuhan untuk menyediakan daya tambahan terpisah.

Metode swasembada: transformator pulsa digunakan untuk mengirimkan energi penggerak dan teknologi modulasi dan demodulasi frekuensi tinggi untuk transmisi sinyal logika, dibagi menjadi pendekatan swasembada tipe modulasi dan swasembada teknologi pembagian waktu, di mana modulasi -tipe daya suplai mandiri ke jembatan penyearah untuk menghasilkan catu daya yang diperlukan, teknologi modulasi dan demodulasi frekuensi tinggi untuk mengirimkan sinyal logika.

3. Kontak dan perbedaan antara thyristor dan drive IGBT

Rangkaian penggerak Thyristor dan IGBT mempunyai perbedaan pusat yang serupa. Pertama-tama, kedua rangkaian penggerak diperlukan untuk mengisolasi perangkat switching dan rangkaian kendali satu sama lain, untuk menghindari rangkaian tegangan tinggi berdampak pada rangkaian kendali. Kemudian, keduanya diterapkan pada sinyal penggerak gerbang untuk memicu perangkat pengaktifan. Bedanya, penggerak thyristor memerlukan sinyal arus, sedangkan IGBT memerlukan sinyal tegangan. Setelah konduksi perangkat switching, gerbang thyristor telah kehilangan kendali atas penggunaan thyristor, jika ingin mematikan thyristor, terminal thyristor harus ditambahkan ke tegangan balik; dan penutupan IGBT hanya perlu ditambahkan ke gerbang tegangan penggerak negatif, untuk mematikan IGBT.

4. Kesimpulan

Makalah ini terutama dibagi menjadi dua bagian narasi, bagian pertama dari permintaan rangkaian penggerak thyristor untuk menghentikan narasi, desain rangkaian penggerak yang sesuai, dan desain rangkaian diterapkan pada rangkaian thyristor praktis, melalui simulasi dan eksperimen untuk membuktikan kelayakan rangkaian penggerak, proses eksperimen yang ditemui dalam analisis masalah dihentikan dan ditangani. Bagian kedua dari pembahasan utama IGBT atas permintaan rangkaian penggerak, dan atas dasar ini untuk lebih memperkenalkan rangkaian penggerak IGBT yang umum digunakan saat ini, dan rangkaian penggerak isolasi optocoupler utama untuk menghentikan simulasi dan eksperimen, untuk membuktikan kelayakan sirkuit penggerak.