Драйвери для керування потужними польовими транзисторами. Драйвери польових транзисторів

Можливо, після прочитання цієї статті вам не доведеться ставити такі ж за розмірами радіатори на транзистори.
Переклад цієї статті.

Невелике звернення від перекладача:

По-перше, у цьому перекладі можуть бути серйозні проблемиз перекладом термінів, я не займався електротехнікою і схемотехнікою достатньо, але все ж таки щось знаю; також я намагався перекласти все максимально зрозуміло, тому не використовував такі поняття як бутсрепний, МОП-транзистор і т.п. По-друге, якщо орфографічно зараз вже складно зробити помилку (хвала текстовим процесораміз зазначенням помилок), то помилку в пунктуації зробити досить просто.
І ось за цими двома пунктами прошу штовхати мене в коментарях якнайсильніше.

Тепер поговоримо вже більше про тему статті - при всьому різноманітті статей про побудову різних транспортних засобівназемного виду (машинок) на МК, на Arduino, на<вставить название>, саме проектування схеми, тим більше схеми підключення двигуна не описується досить докладно. Зазвичай це виглядає так:
- беремо двигун
- беремо компоненти
- приєднуємо компоненти та двигун
- …
- PROFIT!1!

Але для побудови більше складних схем, ніж для простого кручення моторчика з ШИМ в один бік через L239x, зазвичай потрібне знання про повні мости (або H-мості), про польові транзистори (або MOSFET), ну і про драйвери для них. Якщо ніщо не обмежує, то можна використовувати для повного мосту p-канальні та n-канальні транзистори, але якщо двигун досить потужний, то p-канальні транзистори доведеться спочатку обвішувати. великою кількістюрадіаторів, потім додавати кулери, а якщо зовсім їх шкода викидати, то можна спробувати й інші види охолодження, або просто використовувати в схемі лише n-канальні транзистори. Але з n-канальними транзисторами є невелика проблема – відкрити їх «по-хорошому» часом буває досить складно.

Тому я шукав щось, що мені допоможе зі складанням правильної схеми, і я знайшов статтю в блозі одного парубка, якого звуть Syed Tahmid Mahbub. Цією статтею я вирішив поділитися.

У багатьох ситуаціях ми маємо використовувати польові транзистори як ключі верхнього рівня. Також у багатьох ситуаціях ми повинні використовувати польові транзистори як ключі як верхнього, так і нижнього рівнів. Наприклад, у мостових схемах. У неповних мостових схемах ми маємо 1 MOSFET верхнього рівня і 1 MOSFET нижнього рівня. У повних мостових схемах ми маємо 2 MOSFET верхнього рівня та 2 MOSFET нижнього рівня. У таких ситуаціях нам доведеться використовувати драйвера як високого, так і низького рівнів разом. Найбільш поширеним способом управління польовими транзисторами у таких випадках є використання драйвера ключів нижнього та верхнього рівнівдля MOSFET. Безперечно, найпопулярнішим мікросхемою-драйвером є IR2110. І в цій статті/підручнику я говоритиму про саме про нього.

Ви можете завантажити документацію для IR2110 із сайту IR. Ось посилання для завантаження: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf

Давайте спершу поглянемо на блок-схему, а також опис та розташування контактів:

Малюнок 1 - Функціональна блок-схема IR2110

Малюнок 2 - Розпинування IR2110

Малюнок 3 - Опис пінів IR2110

Також варто згадати, що IR2110 випускається у двох корпусах – у вигляді 14-контактного PDIP для вивідного монтажу та 16-контактного SOIC для поверхового монтажу.

Тепер поговоримо про різні контакти.

VCC - це живлення нижнього рівня, що має бути між 10В і 20В. VDD - це логічне харчування для IR2110, воно має бути між +3В і +20В (стосовно VSS). Фактичне напруження, яке ви оберете для використання, залежить від рівня напруги вхідних сигналів. Ось графік:

Рисунок 4 – Залежність логічної 1 від живлення

Зазвичай використовується VDD, що дорівнює +5В. При VDD = +5В вхідний поріг логічної 1 трохи вище, ніж 3В. Таким чином, коли напруга VDD = +5В, IR2110 може бути використаний для управління навантаженням, коли вхід «1» вище, ніж 3 (кілька-то) вольт. Це означає, що IR2110 може бути використаний майже для всіх схем, так як більшість схем зазвичай мають харчування приблизно 5В. Коли ви використовуєте мікроконтролери, вихідна напругабуде вище, ніж 4В (адже мікроконтролер часто має VDD = +5В). Коли використовується SG3525 або TL494 або інший ШІМ-контролер, то, ймовірно, доведеться їх запитувати напругою більшою, ніж 10В, отже, на виходах буде більше, ніж 8В, при логічній одиниці. Таким чином, IR2110 може бути використаний практично скрізь.

Ви також можете знизити VDD приблизно до +4В, якщо використовуєте мікроконтролер чи будь-який чіп, який дає на виході 3.3В (наприклад, dsPIC33). При проектуванні схем з IR2110 я помітив, що іноді схема не працює належним чином, коли VDD у IR2110 був обраний менше + 4В. Тому я не рекомендую використовувати VDD нижче +4В. У більшості моїх схем рівні сигналу не мають напруги менше, ніж 4В як «1», і тому я використовую VDD = +5V.

Якщо з будь-яких причин у схемі рівень сигналу логічної «1» має напругу менше, ніж 3В, то вам потрібно використовувати перетворювач рівнів/транслятор рівнів, він підніматиме напругу до прийнятних меж. У таких ситуаціях я рекомендую підвищення до 4В або 5В та використання у IR2110 VDD = +5В.

Тепер поговоримо про VSS і COM. VSS це земля для логіки. COM це «повернення низького рівня» - переважно заземлення низького рівня драйвера. Це може виглядати так, що вони є незалежними, і можна подумати, що, мабуть, можна було б ізолювати виходи драйвера і сигнальну логіку драйвера. Проте це було б неправильно. Незважаючи на те, що внутрішньо вони не пов'язані, IR2110 є неізольованим драйвером, і це означає, що VSS і COM повинні бути обидва підключені до землі.

HIN та LIN це логічні входи. Високий сигнална HIN означає, що хочемо керувати верхнім ключем, тобто на HO здійснюється висновок високого рівня. Низький сигнал HIN означає, що ми хочемо відключити MOSFET верхнього рівня, тобто на HO здійснюється висновок низького рівня. Вихід в HO, високий або низький, вважається не по відношенню до землі, а по відношенню до VS. Ми скоро побачимо, як підсилювальні схеми (діод + конденсатор), використовуючи VCC, VB та VS, забезпечують плаваюче харчування для управління MOSFET. VS це плаваюче повернення харчування. При високому рівні рівень на HO дорівнює рівню на VB по відношенню до VS. При низькому рівні, рівень HO дорівнює VS, стосовно VS, фактично нулю.

Високий сигнал LIN означає, що хочемо керувати нижнім ключем, тобто на LO здійснюється висновок високого рівня. Низький сигнал LIN означає, що ми хочемо відключити MOSFET нижнього рівня, тобто LO здійснюється виведення низького рівня. Вихід у LO вважається щодо землі. Коли сигнал високий, рівень LO такий самий як і VCC, щодо VSS, фактично земля. Коли сигнал низький, рівень LO такий же як і VSS, відносно VSS, фактично нуль.

SD використовується як контроль зупинки. Коли рівень низький, IR2110 увімкнено - функція зупинки вимкнена. Коли висновок є високим, виходи вимкнені, відключаючи управління IR2110.
Тепер давайте поглянемо на часті конфігурації з IR2110 для управління MOSFET як верхніх і нижніх ключів - на напівмостові схеми.

Малюнок 5 - Базова схема на IR2110 для керування напівмістом

D1, C1 та C2 спільно з IR2110 формують підсилювальну ланцюг. Коли LIN = 1 і Q2 включений, то C1 і С2 заряджаються рівня VB, оскільки один діод розташований нижче +VCC. Коли LIN = 0 і HIN = 1, заряд C1 і С2 використовується для додавання додаткової напруги, VB в даному випадкувище рівня джерела Q1 для керування Q1 у конфігурації верхнього ключа. Достатньо велика ємність повинна бути обрана у C1 для того, щоб її вистачило для забезпечення необхідного зарядудля Q1, щоб Q1 був увімкнений весь цей час. C1 також не повинен мати занадто велику ємність, так як процес заряду буде проходити довго і рівень напруги не буде збільшуватися достатньою мірою щоб зберегти MOSFET включеним. Чим більший часпотрібно у включеному стані, тим більша потрібна ємність. Таким чином, менша частота вимагає більшої ємності C1. Більший коефіцієнт заповнення потребує більшої ємності C1. Звичайно є формули для розрахунку ємності, але для цього потрібно знати безліч параметрів, а деякі з них ми не можемо знати, наприклад струм витоку конденсатора. Тому я просто оцінив зразкову ємність. Для низьких частот, таких як 50Гц, я використовую ємність від 47мкФ до 68мкФ. Для високих частот, таких як 30-50кГц, використовую ємність від 4.7мкФ до 22мкФ. Тому що ми використовуємо електролітичний конденсаторкерамічний конденсатор повинен бути використаний паралельно з цим конденсатором. Керамічний конденсатор не є обов'язковим, якщо підсилювальний конденсатор - танталовий.

D2 і D3 розряджають затвор MOSFET швидко, минаючи затворні резистори і зменшуючи час відключення. R1 і R2 це струмообмежуючі резистори затвора.

MOSV може бути максимум 500В.

VCC повинен йти з джерела без перешкод. Ви повинні встановити фільтруючі та розв'язувальні конденсатори від +VCC до землі для фільтрації.

Давайте розглянемо кілька прикладів схем з IR2110.

Малюнок 6 - Схема з IR2110 для високовольтного напівмоста

Малюнок 7 - Схема з IR2110 для високовольтного повного мосту з незалежним управліннямключами (клікабельно)

На малюнку 7 бачимо IR2110, використаний керувати повним мостом. У ній немає нічого складного і, я гадаю, вже зараз ви це розумієте. Також тут можна застосувати досить популярне спрощення: HIN1 ми з'єднуємо з LIN2, а HIN2 ми з'єднуємо з LIN1, тим самим ми отримуємо керування всіма 4 ключами, використовуючи всього 2 вхідних сигналузамість 4, це показано на малюнку 8.

Малюнок 8 - Схема з IR2110 для високовольтного повного моста з керуванням ключами двома входами (клікабельно)

Малюнок 9 - Схема з IR2110 як високовольтного драйвера верхнього рівня

На малюнку 9 бачимо IR2110 використаний як драйвер верхнього рівня. Схема досить проста і має таку ж функціональність, як було описано вище. Є річ, яку потрібно врахувати - оскільки ми більше не маємо ключа нижнього рівня, то має бути навантаження, підключене з OUT на землю. Інакше підсилювальний конденсатор не зможе зарядитись.

Малюнок 10 - Схема з IR2110 як драйвера нижнього рівня

Малюнок 11 - Схема з IR2110 як подвійний драйвер нижнього рівня

Якщо у вас проблеми з IR2110 і все постійно виходить з ладу, горить або вибухає, то я впевнений, що це через те, що ви не використовуєте резистори на затвор-витік, за умови, що ви все спроектували ретельно. НІКОЛИ НЕ ЗАБУДЬТЕ ПРО РЕЗИСТОРІВ НА ЗАТВОР-ВИТОК. Якщо вам цікаво, ви можете прочитати про мій досвід з ними тут (я також поясню причину, через яку резистори запобігають пошкодженню).

Невелике звернення від перекладача:

По-перше, у цьому перекладі можуть бути серйозні проблеми з перекладом термінів, я не займався електротехнікою і схемотехнікою достатньо, але все ж таки щось знаю; також я намагався перекласти все максимально зрозуміло, тому не використовував такі поняття як бутсрепний, МОП-транзистор і т.п. По-друге, якщо орфографічно зараз вже складно зробити помилку (хвала текстовим процесорам із зазначенням помилок), то помилку в пунктуації зробити досить просто.
І ось за цими двома пунктами прошу штовхати мене в коментарях якнайсильніше.

Тепер поговоримо вже більше про тему статті - при всьому різноманітті статей про побудову різних транспортних засобів наземного виду (машинок) на МК, Arduino, на<вставить название>, саме проектування схеми, тим більше схеми підключення двигуна не описується досить докладно. Зазвичай це виглядає так:
- беремо двигун
- беремо компоненти
- приєднуємо компоненти та двигун
- …
- PROFIT!1!

Але для побудови більш складних схем, ніж для простого кручення моторчика з ШИМ в один бік через L239x, зазвичай потрібно знання про повні мости (або H-мості), про польові транзистори (або MOSFET), ну і про драйвери для них. Якщо ніщо не обмежує, то можна використовувати для повного мосту p-канальні і n-канальні транзистори, але якщо двигун досить потужний, то p-канальні транзистори доведеться спочатку обвішувати великою кількістю радіаторів, потім додавати кулери, а якщо зовсім їх шкода викидати, то можна спробувати й інші види охолодження, або просто використовувати у схемі лише n-канальні транзистори. Але з n-канальними транзисторами є невелика проблема – відкрити їх «по-хорошому» часом буває досить складно.

Тому я шукав щось, що мені допоможе зі складанням правильної схеми, і я знайшов статтю в блозі однієї молодої людини, яку звуть Syed Tahmid Mahbub. Цією статтею я вирішив поділитися.

У багатьох ситуаціях ми маємо використовувати польові транзистори як ключі верхнього рівня. Також у багатьох ситуаціях ми повинні використовувати польові транзистори як ключі як верхнього, так і нижнього рівнів. Наприклад, у мостових схемах. У неповних мостових схемах ми маємо 1 MOSFET верхнього рівня і 1 MOSFET нижнього рівня. У повних мостових схемах ми маємо 2 MOSFET верхнього рівня та 2 MOSFET нижнього рівня. У таких ситуаціях нам доведеться використовувати драйвера як високого, так і низького рівнів разом. Найбільш поширеним способом керування польовими транзисторами у таких випадках є використання драйвера ключів нижнього та верхнього рівнів для MOSFET. Безперечно, найпопулярнішим мікросхемою-драйвером є IR2110. І в цій статті/підручнику я говоритиму про саме про нього.

Давайте спершу поглянемо на блок-схему, а також опис та розташування контактів:

Малюнок 1 - Функціональна блок-схема IR2110

Малюнок 2 - Розпинування IR2110

Малюнок 3 - Опис пінів IR2110

Тепер поговоримо про різні контакти.

Рисунок 4 – Залежність логічної 1 від живлення

Зазвичай використовується VDD, що дорівнює +5В. При VDD = +5В вхідний поріг логічної 1 трохи вище, ніж 3В. Таким чином, коли напруга VDD = +5В, IR2110 може бути використаний для управління навантаженням, коли вхід «1» вище, ніж 3 (кілька-то) вольт. Це означає, що IR2110 може бути використаний майже для всіх схем, так як більшість схем зазвичай мають харчування приблизно 5В. Коли ви використовуєте мікроконтролери, вихідна напруга буде вищою, ніж 4В (адже мікроконтролер часто має VDD = +5В). Коли використовується SG3525 або TL494 або інший ШІМ-контролер, то, ймовірно, доведеться їх запитувати напругою більшою, ніж 10В, отже, на виходах буде більше, ніж 8В, при логічній одиниці. Таким чином, IR2110 може бути використаний практично скрізь.

HIN та LIN це логічні входи. Високий сигнал на HIN означає, що хочемо керувати верхнім ключем, тобто на HO здійснюється висновок високого рівня. Низький сигнал HIN означає, що ми хочемо відключити MOSFET верхнього рівня, тобто на HO здійснюється виведення низького рівня. Вихід в HO, високий або низький, вважається не по відношенню до землі, а по відношенню до VS. Ми скоро побачимо, як підсилювальні схеми (діод + конденсатор), використовуючи VCC, VB та VS, забезпечують плаваюче харчування для управління MOSFET. VS це плаваюче повернення харчування. При високому рівні рівень на HO дорівнює рівню на VB по відношенню до VS. При низькому рівні, рівень HO дорівнює VS, стосовно VS, фактично нулю.

Малюнок 5 - Базова схема на IR2110 для керування напівмістом

D1, C1 та C2 спільно з IR2110 формують підсилювальну ланцюг. Коли LIN = 1 і Q2 включений, то C1 і С2 заряджаються рівня VB, оскільки один діод розташований нижче +VCC. Коли LIN = 0 і HIN = 1, заряд C1 і С2 використовується для додавання додаткової напруги, VB в даному випадку, вище рівня джерела Q1 для управління Q1 в конфігурації верхнього ключа. Достатньо велика ємність повинна бути обрана у C1 для того, щоб її вистачило для забезпечення необхідного заряду для Q1, щоб Q1 був включений весь цей час. C1 також не повинен мати занадто велику ємність, так як процес заряду буде проходити довго і рівень напруги не буде збільшуватися достатньою мірою щоб зберегти MOSFET включеним. Чим більше часу потрібно у включеному стані, тим більша потрібна ємність. Таким чином, менша частота вимагає більшої ємності C1. Більший коефіцієнт заповнення потребує більшої ємності C1. Звичайно є формули для розрахунку ємності, але для цього потрібно знати безліч параметрів, а деякі з них ми не можемо знати, наприклад струм витоку конденсатора. Тому я просто оцінив зразкову ємність. Для низьких частот, таких як 50Гц, я використовую ємність від 47мкФ до 68мкФ. Для високих частот, таких як 30-50кГц, використовую ємність від 4.7мкФ до 22мкФ. Оскільки ми використовуємо електролітичний конденсатор, то керамічний конденсатор має бути використаний паралельно з цим конденсатором. Керамічний конденсатор не є обов'язковим, якщо підсилювальний конденсатор - танталовий.

MOSV може бути максимум 500В.

Давайте розглянемо кілька прикладів схем з IR2110.

Малюнок 6 - Схема з IR2110 для високовольтного напівмоста

Малюнок 7 - Схема з IR2110 для високовольтного повного мосту з незалежним керуванням ключами (клікабельно)

На малюнку 7 бачимо IR2110, використаний керувати повним мостом. У ній немає нічого складного і, я гадаю, вже зараз ви це розумієте. Також тут можна застосувати досить популярне спрощення: HIN1 ми з'єднуємо з LIN2, а HIN2 ми з'єднуємо з LIN1, тим самим ми отримуємо керування всіма 4 ключами використовуючи всього 2 вхідні сигнали, замість 4 це показано на малюнку 8.

Малюнок 8 - Схема з IR2110 для високовольтного повного моста з керуванням ключами двома входами (клікабельно)

Малюнок 9 - Схема з IR2110 як високовольтного драйвера верхнього рівня

Малюнок 10 - Схема з IR2110 як драйвера нижнього рівня

Малюнок 11 - Схема з IR2110 як подвійний драйвер нижнього рівня

Драйвери польових транзисторів

Драйвери MOSFET- та IGBT-транзисторів - пристрої для управління потужними напівпровідниковими приладамиу вихідних каскадах перетворювачів електричної енергії. Вони використовуються як проміжна ланка між схемою управління (контролером або цифровим сигнальним процесором) та потужними виконавчими елементами.

Етапи розвитку енергетичної (силової) електроніки визначаються досягненнями у технологіях силових ключів та їх схем управління. Домінуючим напрямом в енергетичній електроніці є підвищення робочих частот конверторів, що входять до складу імпульсних джерел живлення. Перетворення електроенергії на більш високих частотахдозволяє покращити питомі масогабаритні характеристики імпульсних трансформаторів, конденсаторів та дроселів фільтрів. Динамічні та статичні параметри силових приладів постійно покращуються, але потужними ключами треба ще й ефективно керувати. Для збалансованої взаємодії між схемою, що управляє, і вихідними каскадами і призначені потужні високошвидкісні драйвери MOSFET- і IGBT-транзисторів. Драйвери мають високі вихідні струми (до 9 А), малі тривалості фронту, спаду, затримки та інші цікаві відмінні особливості. Класифікація драйверів наведено малюнку 2.15.

Малюнок 2.15 -Класифікація драйверів

Драйвер повинен мати, Крайній мірі, один зовнішній висновок(у двотактних схемахдва), що відноситься до обов'язкових. Він може бути як попереднім імпульсним підсилювачем, так безпосередньо ключовим елементомв складі імпульсного джерелаживлення.

Як керований прилад в силових схемах різного призначенняможуть застосовуватися біполярні транзистори, МОП – транзистори та прилади тригерного типу (тиристори, симістори). Вимоги до драйвера, що здійснює оптимальне керуванняу кожному з цих випадків різні. Драйвер біполярного транзистораповинен керувати струмом бази при включенні та забезпечувати розсмоктування неосновних носіїв у базі на етапі вимкнення. Максимальні значенняструму керування при цьому мало відрізняються від усереднених на відповідному інтервалі. МОП – транзистор керується напругою, однак на початку інтервалів увімкнення та вимкнення драйвер повинен пропускати великі імпульсні струмизаряду та розряду ємностей приладу. Прилади тригерного типу вимагають формування короткого імпульсу струму тільки на початку інтервалу включення, оскільки вимикання (комутація) у найбільш поширених приладів відбувається по основним, а не керуючим електродам. Всім цим вимогам у тому чи іншою мірою повинні задовольняти відповідні драйвери.

На рисунках 2.16…2.18 представлені типові схемивключення біполярного та польового МОП – транзисторів з використанням одного транзистора у драйвері. Це звані схеми з пасивним виключенням силового транзистора. Як видно з малюнка, структурою драйвера схеми ці цілком ідентичні, що дозволяє використовувати одні й ті ж схеми для управління транзисторами обох типів. І тут розсмоктування носіїв, накопичених у структурі транзистора, відбувається через пасивний елемент – зовнішній резистор. Опір його, що шунтує керуючий перехід не тільки при вимкненні, але і на інтервалі включення, не може бути вибрано занадто малим, що обмежує швидкість розсмоктування заряду.

Для збільшення швидкодії транзистора та створення високочастотних ключів необхідно зменшити опір ланцюга скидання заряду. Це здійснюється за допомогою транзистора скидання, що включається лише на інтервалі паузи. Відповідні схеми управління біполярним та МОП – транзисторами представлені малюнку 2.17.

В даний час як силові ключі великої і середньої потужності застосовуються в основному MOSFET і IGBT транзистори. Якщо розглядати ці транзистори як навантаження для схеми їх управління, то вони є конденсаторами з ємністю в тисячі пікофарад. Для відкриття транзистора, цю ємність необхідно зарядити, а при закриванні - розрядити, і якнайшвидше. Зробити це потрібно не лише для того, щоб ваш транзистор встигав працювати на високих частотах. Чим вище напруга на затворі транзистора, тим менше опору каналу у MOSFET або менше напруга насичення колектор-емітер у транзисторів IGBT. Порогове значення напруги відкриття транзисторів зазвичай становить 2 - 4 вольти, а максимальне при якому транзистор повністю відкритий 10-15 вольт. Тому слід подавати напругу 10-15 вольт. Але навіть у такому разі ємність затвора заряджається не відразу і якийсь час транзистор працює на нелінійній ділянці своєї характеристики з великим опором каналу, що призводить до великого падіння напруги на транзисторі та його надмірного нагрівання. Це так званий вияв ефекту Міллера.

Для того щоб ємність затвора швидко зарядилася і транзистор відкрився, необхідно, щоб ваша схема управління могла забезпечити якомога більший струм заряду транзистора. Місткість затвора транзистора можна дізнатися з паспортних даних на виріб і при розрахунку слід прийняти Свх = Сiss.

Наприклад візьмемо MOSFET – транзистор IRF740. Він має наступні характеристики, що нас цікавлять:

Час відкриття (Rise Time - Tr) = 27 (нс)

Час закриття (Fall Time - Tf) = 24 (нс)

Вхідна ємність (Input Capacitance - Сiss) = 1400 (пФ)

Максимальний струм відкриття транзистора розрахуємо як:

Максимальний струм закриття транзистора визначимо за тим самим принципом:

Оскільки зазвичай ми використовуємо для живлення схеми управління 12 вольт, то струмообмежуючий резистор визначимо використовуючи закон Ома.

Тобто, резистор Rg=20 Ом, згідно зі стандартним рядом Е24.

Зауважте, що керувати таким транзистором безпосередньо від контролера не вийде, введу те, що максимальна напруга, яка може забезпечити контролер, буде в межах 5 вольт, а максимальний струмне більше 50 мА. Вихід контролера буде перевантажений, а на транзисторі буде проявлятися ефект Міллера, і ваша схема дуже швидко вийде з ладу, тому що хтось або контролер або транзистор перегріються раніше.
Тому потрібно правильно підібрати драйвер.
Драйвер є підсилювачем потужності імпульсів і призначений для управління силовими ключами. Драйвери бувають верхнього і нижнього ключів окремо, або об'єднані в один корпус драйвер верхнього і нижнього ключа, наприклад, такі як IR2110 або IR2113.
Виходячи з інформації, викладеної вище, нам необхідно підібрати драйвер, здатний підтримувати струм затвора транзистора Ig = 622 мА.
Таким чином, нам підійде драйвер IR2011, здатний підтримувати струм затвора Ig = 1000 мА.

Також необхідно врахувати максимальну напругу навантаження, яке комутуватимуть ключі. В даному випадку воно дорівнює 200 вольт.
Наступним, дуже важливим параметромє швидкість замикання. Це дозволяє усунути протікання наскрізних струмів у двотактних схемах, зображеної на малюнку нижче, що викликають втрати та перегрів.

Якщо ви уважно читали початок статті, то за паспортними даними транзистора видно, що час закриття має бути меншим від часу відкриття і відповідно струм замикання вище струму відкриття If>Ir. Забезпечити більший струм закриття можна зменшивши опір Rg, але тоді також збільшиться і струм відкриття, це вплине на величину комутаційного сплеску напруги при виключенні, що залежить від швидкості спаду струму di/dt. З цього погляду підвищення швидкості комутації є більшою мірою негативним фактором, що знижує надійність роботи пристрою.

В такому випадку скористаємося чудовою властивістю напівпровідників, пропускати струм в одному напрямку, і встановимо в ланцюзі затвора діод, який пропускатиме струм замикання транзистора If.

Таким чином, струм, що відпирає Ir буде протікати через резистор R1, а замикаючий струм If - через діод VD1, а так як опір p - n переходу діода набагато менше, ніж опір резистора R1, то і If>Ir. Для того, щоб струм замикання не перевищував свого значення, послідовно з діодом включимо резистор, опір якого визначимо нехтуючи опором діода у відкритому стані.

Візьмемо найближчий менший із стандартного ряду Е24 R2=16 Ом.

Тепер розглянемо, що означає назва драйвера верхнього і драйвера нижнього ключа.
Відомо, що MOSFET і IGBT транзистори управляються напругою, а саме напругою затвор-витік (Gate-Source) Ugs.
Що ж таке верхній та нижній ключ? На малюнку нижче наведено схему напівмосту. Ця схемамістить верхній та нижній ключі, VT1 та VT2 відповідно. Верхній ключ VT1 підключений стоком до плюсу живлення Vcc, а початком до навантаження і повинен відкриватися напругою доданою щодо витоку. Нижній ключ, стоком підключається до навантаження, а витоком до мінусу живлення (землі), і повинен відкриватися напругою, прикладеним щодо землі.

І якщо з нижнім ключем все гранично ясно, подав на нього 12 вольт – він відкрився, подав на нього 0 вольт – він закрився, то для верхнього ключа потрібна спеціальна схема, яка відкриватиме його щодо напруги на початку транзистора. Таку схему вже реалізовано всередині драйвера. Все що нам потрібно, це додати до драйвера бустрептну ємність С2, яка заряджатиметься напругою живлення драйвера, але щодо початку транзистора, як це зображено на малюнку нижче. Саме цією напругою і відпиратиметься верхній ключ.

Ця схема цілком працездатна, але використання бустрептної ємності дозволяє їй працювати у вузьких діапазонах. Ця ємність заряджається, коли відкрито нижній транзисторі не може бути занадто великою, якщо схема повинна працювати на високих частотах, і так само не може бути надто маленькою при роботі на низьких частотах. Тобто при такому виконанні ми не можемо тримати верхній ключ нескінченно відкритим, він закриється відразу після того, як розрядиться конденсатор С2, якщо ж використовувати більшу ємність, то вона може не встигнути перезарядитися до наступного періоду роботи транзистора.
Ми неодноразово стикалися з цією проблемою і дуже часто доводилося експериментувати з підбором бустрептної ємності при зміні частоти комутації або алгоритму роботи схеми. Проблему вирішили згодом і дуже просто, найнадійнішим і «майже» дешевим способом. Вивчаючи Technical Reference до DMC1500, нас зацікавило призначення роз'єму Р8.

Почитавши уважно мануал і добре розібравшись у схемі приводу, виявилося, що це роз'єм для підключення окремого, гальванічно розв'язаного живлення. Мінус джерела живлення ми підключаємо до початку верхнього ключа, а плюс до входу драйвера Vb і плюсової ніжки бустрептної ємності. Таким чином, конденсатор постійно заряджається, за рахунок чого з'являється можливість тримати верхній ключ відкритим на стільки довго, скільки це необхідно, незалежно від стану нижнього ключа. Дане доповнення схеми дозволяє реалізувати будь-який алгоритм комутації ключів.
Як джерело живлення для заряду бустрептної ємності можна використовувати як звичайний трансформаторз випрямлячем та фільтром, так і DC-DC конвертер.

Всім хороші потужні польові транзистори MOSFET, крім одного маленького нюансу, підключити їх безпосередньо до висновків мікроконтролера найчастіше виявляється неможливо.

Це, по-перше, пов'язано з тим, що допустимі струмидля мікроконтролерних висновків рідко перевищують 20 мА, а дуже швидких перемикань MOSFET-ів (з хорошими фронтами), коли потрібно дуже швидко заряджати або розряджати затвор (який завжди має деяку ємність), потрібні струми на порядок більше.

І, по-друге, харчування контролера зазвичай становить 3 або 5 Вольт, що в принципі дозволяє керувати безпосередньо лише невеликим класом полевиків (які називають logic level - з логічним рівнемуправління). А враховуючи, що зазвичай живлення контролера та живлення решти схеми має загальний мінусовий провід, цей клас скорочується виключно до N-канальних logic level-польовиків.

Одним із виходів у цій ситуації є використання спеціальних мікросхем — драйверів, які якраз і призначені для того, щоб тягати через затвори полевиків великі струми. Однак і такий варіант не позбавлений недоліків. По-перше, драйвери далеко не завжди є в наявності в магазинах, а по-друге, вони досить дорогі.

У зв'язку з цим виникла думка зробити простий, бюджетний драйвер на розсипусі, який можна було б використовувати для управління як N-канальними, так і P-канальними польовиками в будь-яких низьковольтних схемах, скажімо вольт до 20. Ну, благо у мене, як у справжнього радіохламера, навалом будь-якого електронного мотлоху, тому після серії експериментів народилася ось така схема:

R 1 =2,2 кОм, R 2 =100 Ом, R 3 =1,5 кОм, R 4 =47 Ом
D 1 — діод 1N4148 (скляне барило)
T 1 , T 2 , T 3 - транзистори KST2222A (SOT-23, маркування 1P)
T 4 - транзистор BC807 (SOT-23, маркування 5C)

Місткість між Vcc і Out символізує підключення P-канального польовика, ємність між Out та Gnd символізує підключення N-канального польовика (ємності затворів цих польовиків).

Пунктиром схема розділена на два каскади (I та II). При цьому перший каскад працює як підсилювач потужності, а другий каскад як підсилювач струму. Докладно роботу схеми описано нижче.

Отже. Якщо на вході In з'являється високий рівеньсигналу, то транзистор T1 відкривається, транзистор T2 закривається (оскільки потенціал з його базі падає нижче потенціалу на емітері). В результаті транзистор T3 закривається, а транзистор T4 відкривається і через нього відбувається перезаряд ємності затвора підключеного польовика. (Струм бази транзистора T4 тече шляхом Е T4 ->Б T4 ->D1->T1->R2->Gnd).

Якщо на вході In з'являється низький рівеньсигналу, то все відбувається навпаки, транзистор T1 закривається, в результаті чого зростає потенціал бази транзистора T2 і він відкривається. Це, у свою чергу, призводить до відкриття транзистора T3 та закриття транзистора T4. Перезаряд ємності затвора підключеного польовика відбувається через відкритий транзистор T3. (Струм бази транзистора T3 тече шляхом Vcc->T2->R4->Б T3 ->Е T3).

Ось загалом і весь опис, але деякі моменти, напевно, потребують додаткового пояснення.

По-перше, навіщо потрібні транзистор T2 і діод D1 у першому каскаді? Тут все дуже просто. Я не дарма вище написав шляхи протікання струмів бази вихідних транзисторів для різних станівсхеми. Подивіться на них ще раз і уявіть, що було б, якби не було транзистора T2 з обв'язкою. Транзистор T4 відмикався б у цьому випадку великим струмом (мається на увазі струм бази транзистора), що протікає з виходу Out через відкритий T1 і R2, а транзистор T3 відмикався б маленьким струмом, що протікає через резистор R3. Це призвело б до сильно затягнутого переднього фронту вихідних імпульсів.

Ну і по-друге, напевно, багатьох зацікавить, навіщо потрібні резистори R2 і R4. Їх я встромив для того, щоб хоч трохи обмежити піковий струм через бази вихідних транзисторів, а також остаточно підрівняти передній та задній фронти імпульсів.

Зібраний пристрій має такий вигляд:

Розведення драйвера зроблено під smd-компоненти, причому таким чином, щоб його можна було легко підключати до основної плати пристрою (у вертикальному положенні). Тобто на основній платі у нас може бути розлучений напівміст, або ще щось, а вже в цю плату залишиться тільки вертикально встромити в потрібних місцяхплати драйверів.

Розведення має деякі особливості. Для радикального зменшення розмірів плати довелося злегка неправильно зробити розведення транзистора T4. Його перед припаювання на плату потрібно перевернути обличчям (маркуванням) вниз і вигнути ніжки в зворотний бік(До плати).

Як бачите, тривалості фронтів практично не залежать від рівня напруги живлення і складають трохи більше 100 нс. На мою думку, досить непогано для такої бюджетної конструкції.