Одно дело, когда для скоростного управления мощным полевым транзистором с тяжелым затвором есть готовый драйвер в виде специализированной микросхемы наподобие UCC37322, и совсем другое, когда такого драйвера нет, а схему управления силовым ключом необходимо реализовать здесь и сейчас.
В таких случаях нередко приходится прибегать к помощи дискретных электронных компонентов, которые есть в наличии, и уже из них собирать драйвер затвора. Дело, казалось бы, не хитрое, однако для получения адекватных временных параметров переключения полевого транзистора, все должно быть сделано качественно и работать правильно.
Весьма стоящая, лаконичная и качественная идея с целью решения аналогичной задачи была предложена еще в 2009 году Сергеем BSVi в его блоге «Страничка эмбеддера» (смотрите — Драйвер полевых транзисторов из хлама).
Схема была успешно протестирована автором в полумосте на частотах до 300 кГц. В частности, на частоте 200 кГц, при нагрузочной емкости в 10 нФ, удалось получить фронты длительностью не более 100 нс. Давайте же рассмотрим теоретическую сторону данного решения, и попробуем подробно разобраться, как эта схема работает.
Основные токи заряда и разряда затвора при отпирании и запирании главного ключа текут через биполярные транзисторы выходного каскада драйвера. Данные транзисторы должны выдержать пиковый ток управления затвором, а их максимальное напряжение коллектор-эмиттер (по datasheet) обязано быть больше чем напряжение питания драйвера. Обычно для управления затвором полевика достаточно 12 вольт. Что касается пикового тока, то предположим, что он не превысит 3А.
Если для управления ключом необходим ток более высокий, то и транзисторы выходного каскада должны быть более мощными (разумеется, с подходящей граничной частотой передачи тока).
Для нашего примера в качестве транзисторов выходного каскада подойдет комплиментарная пара — BD139 (NPN) и BD140 (PNP). У них предельное напряжение коллектор-эмиттер составляет 80 вольт, пиковый ток коллектора 3А, граничная частота передачи тока 250 МГц (важно!), а минимальный статический коэффициент передачи тока 40.
Для повышения коэффициента усиления по току в схему выходного каскада добавлена дополнительная комплиментарная пара слаботочных транзисторов КТ315 и КТ361 с максимальным обратным напряжением 20 вольт, минимальным статическим коэффициентом передачи тока 50, и граничной частотой 250 МГц — такой же высокой, как у выходных транзисторов BD139 и BD140.
В итоге на выходе получаем две пары транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона с общим минимальным коэффициентом передачи по току 50*40 = 2000 и с граничной частотой равной 250 МГц, то есть теоретически в пределе скорость переключения может достигать единиц наносекунд. Но поскольку здесь речь идет об относительно продолжительных процессах заряда и разряда емкости затвора, то это время будет на порядок выше.
Управляющий сигнал необходимо подавать на объединенные базы транзисторов КТ315 и КТ361. Токи открывания баз NPN (верхних) и PNP (нижних) транзисторов должны быть разделены.
Для этого в схему можно было бы установить разделительные резисторы, но гораздо более эффективным для данной конкретной схемы оказалось решение с установкой вспомогательного блока на КТ315, резисторе и диоде 1n4148.
Функция этого блока — быстро активировать базы верхних транзисторов слаботочного каскада при подаче высшего напряжения на базу данного блока, и так же быстро через диод подтянуть базы к минусу, когда на базе блока появится сигнал низшего уровня.
Чтобы иметь возможность управлять данный драйвером от слаботочного источника сигнала с выходным током порядка 10 мА, в схему установлены слаботочный полевой транзистор КП501 и высокоскоростная оптопара 6n137.
При подаче управляющего тока через цепь 2-3 оптопары, выходной биполярный транзистор внутри нее переходит в проводящее состояние, причем на выводе 6 находится открытый коллектор, к которому и присоединен резистор, подтягивающий затвор слаботочного полевого транзистора КП501 к плюсовой шине питания оптопары.
Таким образом, когда на вход оптопары подается сигнал высокого уровня, на затворе полевика КП501 будет сигнал низкого уровня, и он закроется, тем самым обеспечив возможность для протекания тока через базу верхнего по схеме КТ315 — драйвер станет заряжать затвор главного полевика.
Если же на входе оптопары сигнал низкого уровня или сигнал отсутствует, то на выходе из оптопары будет сигнал высокого уровня, затвор КП501 зарядится, его стоковая цепь замкнется, а база верхнего по схеме КТ315 подтянется к нулю.
Выходной каскад драйвера начнет разряжать затвор управляемого им ключа. Важно учесть, что в данном примере напряжение питания оптопары ограничено 5 вольтами, а главный каскад драйвера питается напряжением 12 вольт.
Одно дело, когда для скоростного управления мощным полевым транзистором с тяжелым затвором есть готовый драйвер в виде специализированной микросхемы наподобие UCC37322, и совсем другое, когда такого драйвера нет, а схему управления силовым ключом необходимо реализовать здесь и сейчас.
В таких случаях нередко приходится прибегать к помощи дискретных электронных компонентов, которые есть в наличии, и уже из них собирать драйвер затвора. Дело, казалось бы, не хитрое, однако для получения адекватных временных параметров переключения полевого транзистора, все должно быть сделано качественно и работать правильно.
Весьма стоящая, лаконичная и качественная идея с целью решения аналогичной задачи была предложена еще в 2009 году Сергеем BSVi в его блоге «Страничка эмбеддера» (смотрите — Драйвер полевых транзисторов из хлама).
Схема была успешно протестирована автором в полумосте на частотах до 300 кГц. В частности, на частоте 200 кГц, при нагрузочной емкости в 10 нФ, удалось получить фронты длительностью не более 100 нс. Давайте же рассмотрим теоретическую сторону данного решения, и попробуем подробно разобраться, как эта схема работает.
Основные токи заряда и разряда затвора при отпирании и запирании главного ключа текут через биполярные транзисторы выходного каскада драйвера. Данные транзисторы должны выдержать пиковый ток управления затвором, а их максимальное напряжение коллектор-эмиттер (по datasheet) обязано быть больше чем напряжение питания драйвера. Обычно для управления затвором полевика достаточно 12 вольт. Что касается пикового тока, то предположим, что он не превысит 3А.
Если для управления ключом необходим ток более высокий, то и транзисторы выходного каскада должны быть более мощными (разумеется, с подходящей граничной частотой передачи тока).
Для нашего примера в качестве транзисторов выходного каскада подойдет комплиментарная пара — BD139 (NPN) и BD140 (PNP). У них предельное напряжение коллектор-эмиттер составляет 80 вольт, пиковый ток коллектора 3А, граничная частота передачи тока 250 МГц (важно!), а минимальный статический коэффициент передачи тока 40.
Для повышения коэффициента усиления по току в схему выходного каскада добавлена дополнительная комплиментарная пара слаботочных транзисторов КТ315 и КТ361 с максимальным обратным напряжением 20 вольт, минимальным статическим коэффициентом передачи тока 50, и граничной частотой 250 МГц — такой же высокой, как у выходных транзисторов BD139 и BD140.
В итоге на выходе получаем две пары транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона с общим минимальным коэффициентом передачи по току 50*40 = 2000 и с граничной частотой равной 250 МГц, то есть теоретически в пределе скорость переключения может достигать единиц наносекунд. Но поскольку здесь речь идет об относительно продолжительных процессах заряда и разряда емкости затвора, то это время будет на порядок выше.
Управляющий сигнал необходимо подавать на объединенные базы транзисторов КТ315 и КТ361. Токи открывания баз NPN (верхних) и PNP (нижних) транзисторов должны быть разделены.
Для этого в схему можно было бы установить разделительные резисторы, но гораздо более эффективным для данной конкретной схемы оказалось решение с установкой вспомогательного блока на КТ315, резисторе и диоде 1n4148.
Функция этого блока — быстро активировать базы верхних транзисторов слаботочного каскада при подаче высшего напряжения на базу данного блока, и так же быстро через диод подтянуть базы к минусу, когда на базе блока появится сигнал низшего уровня.
Чтобы иметь возможность управлять данный драйвером от слаботочного источника сигнала с выходным током порядка 10 мА, в схему установлены слаботочный полевой транзистор КП501 и высокоскоростная оптопара 6n137.
При подаче управляющего тока через цепь 2-3 оптопары, выходной биполярный транзистор внутри нее переходит в проводящее состояние, причем на выводе 6 находится открытый коллектор, к которому и присоединен резистор, подтягивающий затвор слаботочного полевого транзистора КП501 к плюсовой шине питания оптопары.
Таким образом, когда на вход оптопары подается сигнал высокого уровня, на затворе полевика КП501 будет сигнал низкого уровня, и он закроется, тем самым обеспечив возможность для протекания тока через базу верхнего по схеме КТ315 — драйвер станет заряжать затвор главного полевика.
Если же на входе оптопары сигнал низкого уровня или сигнал отсутствует, то на выходе из оптопары будет сигнал высокого уровня, затвор КП501 зарядится, его стоковая цепь замкнется, а база верхнего по схеме КТ315 подтянется к нулю.
Выходной каскад драйвера начнет разряжать затвор управляемого им ключа. Важно учесть, что в данном примере напряжение питания оптопары ограничено 5 вольтами, а главный каскад драйвера питается напряжением 12 вольт.
Быть может, после прочтения этой статьи вам не придётся ставить такие же по размерам радиаторы на транзисторы.
Перевод этой статьи.
Во-первых, в данном переводе могут быть серьёзные проблемы с переводом терминов, я не занимался электротехникой и схемотехникой достаточно, но всё же что-то знаю; также я пытался перевести всё максимально понятно, поэтому не использовал такие понятия, как бутсрепный, МОП-транзистор и т.п. Во-вторых, если орфографически сейчас уже сложно сделать ошибку (хвала текстовым процессорам с указанием ошибок), то ошибку в пунктуации сделать довольно-таки просто.
И вот по этим двум пунктам прошу пинать меня в комментариях как можно сильнее.
Теперь поговорим уже больше о теме статьи — при всём многообразии статей о построении различных транспортных средств наземного вида (машинок) на МК, на Arduino, на , само проектирование схемы, а тем более схемы подключения двигателя не описывается достаточно подробно. Обычно это выглядит так:
— берём двигатель
— берём компоненты
— подсоединяем компоненты и двигатель
— …
— PROFIT!1!
Но для построения более сложных схем, чем для простого кручения моторчика с ШИМ в одну сторону через L239x, обычно требуется знание о полных мостах (или H-мостах), о полевых транзисторах (или MOSFET), ну и о драйверах для них. Если ничто не ограничивает, то можно использовать для полного моста p-канальные и n-канальные транзисторы, но если двигатель достаточно мощный, то p-канальные транзисторы придётся сначала обвешивать большим количеством радиаторов, потом добавлять кулеры, ну а если совсем их жалко выкидывать, то можно попробовать и другие виды охлаждения, либо просто использовать в схеме лишь n-канальные транзисторы. Но с n-канальными транзисторами есть небольшая проблема — открыть их «по-хорошему» подчас бывает довольно сложно.
Поэтому я искал что-нибудь, что мне поможет с составлением правильной схемы, и я нашёл статью в блоге одного молодого человека, которого зовут Syed Tahmid Mahbub. Этой статьёй я и решил поделится.
Во многих ситуациях мы должны использовать полевые транзисторы как ключи верхнего уровня. Также во многих ситуациях мы должны использовать полевые транзисторы как ключи как и верхнего, так и нижнего уровней. Например, в мостовых схемах. В неполных мостовых схемах у нас есть 1 MOSFET верхнего уровня и 1 MOSFET нижнего уровня. В полных мостовых схемах мы имеем 2 MOSFETа верхнего уровня и 2 MOSFETа нижнего уровня. В таких ситуациях нам понадобится использовать драйвера как высокого, так и низкого уровней вместе. Наиболее распространённым способом управления полевыми транзисторами в таких случаях является использование драйвера ключей нижнего и верхнего уровней для MOSFET. Несомненно, самым популярным микросхемой-драйвером является IR2110. И в этой статье/учебнике я буду говорить о именно о нём.
Вы можете загрузить документацию для IR2110 с сайта IR. Вот ссылка для загрузки: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf
Давайте для начала взглянем на блок-схему, а также описание и расположение контактов:
Рисунок 1 — Функциональная блок-схема IR2110
Рисунок 2 — Распиновка IR2110
Рисунок 3 — Описание пинов IR2110
Также стоит упомянуть, что IR2110 выпускается в двух корпусах — в виде 14-контактного PDIP для выводного монтажа и 16-контактного SOIC для поверхностного монтажа.
Теперь поговорим о различных контактах.
VCC — это питание нижнего уровня, должно быть между 10В и 20В. VDD — это логическое питание для IR2110, оно должно быть между +3В и +20В (по отношению к VSS). Фактическое напряжение, которое вы выберете для использования, зависит от уровня напряжения входных сигналов. Вот график:
Рисунок 4 — Зависимость логической 1 от питания
Обычно используется VDD равное +5В. При VDD = +5В, входной порог логической 1 немного выше, чем 3В. Таким образом, когда напряжение VDD = +5В, IR2110 может быть использован для управления нагрузкой, когда вход «1» выше, чем 3 (сколько-то) вольт. Это означает, что IR2110 может быть использован почти для всех схем, так как большинство схем, как правило, имеют питание примерно 5В. Когда вы используете микроконтроллеры, выходное напряжение будет выше, чем 4В (ведь микроконтроллер довольно часто имеет VDD = +5В). Когда используется SG3525 или TL494 или другой ШИМ-контроллер, то, вероятно, придётся их запитывать напряжением большим, чем 10В, значит на выходах будет больше, чем 8В, при логической единице. Таким образом, IR2110 может быть использован практически везде.
Вы также можете снизить VDD примерно до +4В, если используете микроконтроллер или любой чип, который даёт на выходе 3.3В (например, dsPIC33). При проектировании схем с IR2110, я заметил, что иногда схема не работает должным образом, когда VDD у IR2110 был выбран менее + 4В. Поэтому я не рекомендую использовать VDD ниже +4В. В большинстве моих схем уровни сигнала не имеют напряжение меньше, чем 4В как «1», и поэтому я использую VDD = +5V.
Если по каким-либо причинам в схеме уровень сигнала логической «1» имеет напряжение меньшее, чем 3В, то вам нужно использовать преобразователь уровней/транслятор уровней, он будет поднимать напряжение до приемлемых пределов. В таких ситуациях я рекомендую повышение до 4В или 5В и использование у IR2110 VDD = +5В.
Теперь давайте поговорим о VSS и COM. VSS это земля для логики. COM это «возврат низкого уровня» — в основном, заземление низкого уровня драйвера. Это может выглядеть так, что они являются независимыми, и можно подумать что, пожалуй, было бы возможно изолировать выходы драйвера и сигнальную логику драйвера. Тем не менее, это было бы неправильно. Несмотря на то что внутренне они не связаны, IR2110 является неизолированным драйвером, и это означает, что VSS и COM должны быть оба подключены к земле.
HIN и LIN это логические входы. Высокий сигнал на HIN означает, что мы хотим управлять верхним ключом, то есть на HO осуществляется вывод высокого уровня. Низкий сигнал на HIN означает, что мы хотим отключить MOSFET верхнего уровня, то есть на HO осуществляется вывод низкого уровня. Выход в HO, высокий или низкий, считается не по отношению к земле, а по отношению к VS. Мы скоро увидим, как усилительные схемы (диод + конденсатор), используя VCC, VB и VS, обеспечивают плавающее питания для управления MOSFETом. VS это плавающий возврат питания. При высоком уровне, уровень на HO равен уровню на VB, по отношению к VS. При низком уровне, уровень на HO равнен VS, по отношению к VS, фактически нулю.
Высокий сигнал LIN означает, что мы хотим управлять нижним ключом, то есть на LO осуществляется вывод высокого уровня. Низкий сигнал LIN означает, что мы хотим отключить MOSFET нижнего уровня, то есть на LO осуществляется вывод низкого уровня. Выход в LO считается относительно земли. Когда сигнал высокий, уровень в LO такой же как и в VCC, относительно VSS, фактически земля. Когда сигнал низкий, уровень в LO такой же как и в VSS, относительно VSS, фактически нуль.
SD используется в качестве контроля останова. Когда уровень низкий, IR2110 включен — функция останова отключена. Когда этот вывод является высоким, выходы выключены, отключая управление IR2110.
Теперь давайте взглянем на частые конфигурации с IR2110 для управления MOSFETами как верхних и нижних ключей — на полумостовые схемы.
Рисунок 5 — Базовая схема на IR2110 для управления полумостом
D1, C1 и C2 совместно с IR2110 формируют усилительную цепь. Когда LIN = 1 и Q2 включен, то C1 и С2 заряжаются до уровня VB, так как один диод расположен ниже +VCC. Когда LIN = 0 и HIN = 1, заряд на C1 и С2 используется для добавления дополнительного напряжения, VB в данном случае, выше уровня источника Q1 для управления Q1 в конфигурации верхнего ключа. Достаточно большая ёмкость должна быть выбрана у C1 для того чтобы её хватило для обеспечения необходимого заряда для Q1, чтобы Q1 был включён всё это время. C1 также не должен иметь слишком большую ёмкость, так как процесс заряда будет проходить долго и уровень напряжения не будет увеличиваться в достаточной степени чтобы сохранить MOSFET включённым. Чем большее время требуется во включённом состоянии, тем большая требуется ёмкость. Таким образом меньшая частота требует большую ёмкость C1. Больший коэффициент заполнения требует большую ёмкость C1. Конечно есть формулы для расчёта ёмкости, но для этого нужно знать множество параметров, а некоторые из них мы может не знать, например ток утечки конденсатора. Поэтому я просто оценил примерную ёмкость. Для низких частот, таких как 50Гц, я использую ёмкость от 47мкФ до 68мкФ. Для высоких частот, таких как 30-50кГц, я использую ёмкость от 4.7мкФ до 22мкФ. Так как мы используем электролитический конденсатор, то керамический конденсатор должен быть использован параллельно с этим конденсатором. Керамический конденсатор не обязателен, если усилительный конденсатор — танталовый.
D2 и D3 разряжают затвор MOSFETов быстро, минуя затворные резисторы и уменьшая время отключения. R1 и R2 это токоограничивающие затворные резисторы.
+MOSV может быть максимум 500В.
+VCC должен идти с источника без помех. Вы должны установить фильтрующие и развязочные конденсаторы от +VCC к земле для фильтрации.
Давайте теперь рассмотрим несколько примеров схем с IR2110.
Рисунок 6 — Схема с IR2110 для высоковольтного полумоста
Рисунок 7 — Схема с IR2110 для высоковольтного полного моста с независимым управлением ключами (кликабельно)
На рисунке 7 мы видим IR2110, использованный для управления полным мостом. В ней нет ничего сложного и, я думаю, уже сейчас вы это понимаете. Также тут можно применить достаточно популярное упрощение: HIN1 мы соединяем с LIN2, а HIN2 мы соединяем с LIN1, тем самым мы получаем управление всеми 4 ключами используя всего 2 входных сигнала, вместо 4, это показано на рисунке 8.
Рисунок 8 — Схема с IR2110 для высоковольтного полного моста с управлением ключами двумя входами (кликабельно)
Рисунок 9 — Схема с IR2110 как высоковольтного драйвера верхнего уровня
На рисунке 9 мы видим IR2110 использованный как драйвер верхнего уровня. Схема достаточно проста и имеет такую же функциональность как было описано выше. Есть вещь которую нужно учесть — так как мы больше не имеем ключа нижнего уровня, то должна быть нагрузка подключённая с OUT на землю. Иначе усилительный конденсатор не сможет зарядится.
Рисунок 10 — Схема с IR2110 как драйвера нижнего уровня
Рисунок 11 — Схема с IR2110 как двойного драйвера нижнего уровня
Если у вас проблемы с IR2110 и всё постоянно выходит из строя, горит или взрывается, то я уверен, что это из-за того, что вы не используете резисторы на затвор-исток, при условии, конечно, что вы всё спроектировали тщательно. НИКОГДА НЕ ЗАБЫВАЙТЕ О РЕЗИСТОРАХ НА ЗАТВОР-ИСТОК. Если вам интересно, вы можете прочитать о моем опыте с ними здесь (я также объясняю причину, по которой резисторы предотвращают повреждения): http://tahmidmc.blogspot.com/2012/10/magic-of-knowledge.html
Я видел как на многих форумах, люди бьются с проектированием схем на IR2110. У меня тоже было много трудностей прежде чем я cмог уверенно и последовательно строить успешные схемы драйвера на IR2110. Я попытался объяснить применение и использование IR2110 довольно тщательно, попутно всё объясняя и используя большое количество примеров, и я надеюсь, что это поможет вам в ваших начинаниях с IR2110.
