С ростом мощности силового оборудования повышаются требования к электронике управления высоковольтной и сильноточной нагрузкой. В мощных импульсных преобразователях, где элементы работают одновременно с высокими уровнями напряжений и токов, зачастую требуется параллельное соединение силовых ключей, таких, например, как IGBT транзисторы, хорошо работающие в подобных схемах.
Существует множество нюансов, которые необходимо учитывать при параллельном включении двух и более IGBT. Один из них - соединение затворов транзисторов. Затворы параллельных IGBT могут подключаться к драйверу через общий резистор, отдельные резисторы или комбинацию общего и отдельных сопротивлений (Рисунок 1). Большинство специалистов сходится во мнении, что обязательно нужно использовать отдельные резисторы. Однако существуют веские доводы в пользу схемы с общим резистором.
 |
|
| а) Индивидуальные резисторы | |
 |
|
| б) Общий резистор | |
 |
|
| в) Комбинированное включение резисторов | |
| Рисунок 1. | Различные конфигурации схем управления затворами IGBT. |
В первую очередь при расчете схемы с параллельными IGBT нужно определить максимальный ток управления транзисторами. Если выбранный драйвер не может обеспечить суммарный базовый ток нескольких IGBT, придется ставить отдельный драйвер на каждый транзистор. В этом случае индивидуальный резистор будет у каждого IGBT. Быстродействия большинства драйверов достаточно, чтобы обеспечить интервал между импульсами включения и выключения в несколько десятков наносекунд. Это время вполне соразмерно с временем переключения IGBT, составляющим сотни наносекунд.
Для тестирования различных конфигураций резисторов из 22 выпускаемых ON Semiconductor IGBT типа NGTB40N60IHL были выбраны два транзистора с наибольшим взаимным разбросом параметров. Их потери при включении составляли 1.65 мДж и 1.85 мДж, а потери при выключении 0.366 мДж и 0.390 мДж, соответственно. Транзисторы рассчитаны на рабочее напряжение 600 В и ток 40 А.
При использовании одного общего драйвера с отдельными 22-омными резисторами, наблюдалось ярко выраженное несовпадение кривых тока в момент выключения из-за несоответствия скоростей переключения, неравенства порогов, крутизны и зарядов затворов двух приборов. Замена двух резисторов одним общим с сопротивлением 11 Ом в любой момент времени уравнивает потенциалы на затворах обоих IGBT. В такой конфигурации существенно уменьшается перекос токов в момент выключения. С точки зрения рассогласования по постоянному току конфигурация резисторов значения не имеет.
Оптимизация параметров мощных схем с параллельным включением силовых ключей позволяет повысить надежность устройства и улучшить его рабочие характеристики. Рассмотренные в статье схемы управления затворами IGBT - один из факторов повышения эффективности мощных коммутационных узлов преобразовательной техники.
МОП (по буржуйски MOSFET ) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.
Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.
Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной
, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.
Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.
МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.
 |
У меня самыми ходовыми МОП
транзисторами являются IRF630
(n канальный) и IRF9630
(p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92
этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314
, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.
Одной из проблем состыковки MOSFET
транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.
Тут вариантов три:
Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.
Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I Drain или I D выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это V GS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость I D от V DS при разных значениях V GS . И прикидыываешь какой у тебя будет режим.
Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:
Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или t on ,t off , в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора C iss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.
При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО . Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги:).
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Вопросы на тему использования силовых транзисторов в параллельном включении появляются все чаще и чаще. Причем вопросы относятся как и к автомобильным преобразователям, так и к сетевым.
Лень меня одолела и я решил ответить сразу на все вопросы в один заход, чтобы больше на эту тему не отвлекаться.
Для примера возьмем последний вопрос на эту тему:
Прошу помощи или совета с подбором MOSFET и рекомендации по ремонту. Ремонтирую преобразователь 12/220 1800 Ватт. Там в каждом плече выхода 220 Вольт стоят 6 транзисторов. В общем их всего 12шт. родные BLV740. Часть накрыльсь. До меня туда влепили IRF740 3 шт. Проверил нашёл пару ещё неисправных. Докупил ещё 3 IRF740 (чтобы все транзисторы в одном плече были одинаковые). Схема не заработала то включалась то уходила в защиту.
В конце концов умерли ещё часть полевиков. Поставил все IRF740, заменив сгоревшие - снова не работает. Часть транзисторов греется и в конце концов опять часть сгорела. Предположил, что параметры транзисторов "разбежались", выпаял все, оставил по 1 транзистору на полупериод т.е 2 вверху и 2 внизу. Подключил-всё работает, нагрузку 100 Ватт держит. Теперь вопрос. Прав ли я что транзисторы нужно менять все одновременно. И можно ли заменить BLV740 на IRF740?
Я конечно мог бы не разводить балобольню и ответить коротко, но я не люблю клонеров (бездумно клонирующих чущие схемы), поэтому данный ответ построю на ряде вопросов таким образом, что думающий человек поймет о чем речь, а бестолковый будет и дальше тратить свою бюджет на взрывающиеся полевики. (Ехидно хихикаю...)
Итак, потихоньку поехали:
Изначально стояло несколько штук BLV740, открываем даташник и смотрим всего одну единственную строчку - количество энергии, запасенной затвором, которая обозначается Q
g
.
Почему именно эту строчку?
Потому что от этого значения на прямую зависит время открытия и закрытия полевого транзистора технологии MOSFET. Чем больше это значение, тем больше требуется энергии, чтобы открыть или закрыть полевой транзистор. Сразу оговорюсь - есть такое понятние в полевых транзисторах, как емкость затвора. Этот параметр тоже важный, но уже когда преобразование происходит на частотах сотни кГц. Лезть туда настоятельно не рекомендую - нужно съесть не одну собаку в этой области, чтобы успешно перешагнуть хотя бы сотню килогерц, причем есть собаку вместе с будкой.
Поэтому для наших относительно низкочастотных целей наиболее важным является именно Q
g
. Открываем даташник на BLV740, при этом не забываем отметить у себя в голове, что эти транзисторы производит только SHANGHAI BELLING CO. Итак, что мы видим:
Нижнее значение Q
g
вообще не нормировано, впрочем как и типовое, указано только максимальное - 63 nC. Из этого напрашивается какой вывод?
Не понятно?
Ладно, подскажу чуточку - отбраковка производится только по максимальному значению, т.е. транзисторы выпущенные заводом SHANGHAI BELLING CO в январе и мае могут отличаться друг от друга, причем не только параметром Q
g
, а и всеми остальными.
Че делать?
Ну например можно вспомнить, что максимально одинаковые транзисторы могут получится только когда производится одна партия, т.е. когда "пилится" один кристалл кремния, в помещении одна и таже влажность и температура и обслуживает оборудование одна и таже смена обслюживающего персонала со своим идивидуальным запахом, влажностью рук и т.д.
Да, да, это все влияет на качество конечного кристалла и всего транзистора в целом и именно поэтому разброс параметров в одной партии не превышает 2%. Обратите внимание даже в одинаковых условиях нет одинаковых транзисторов, есть разброс не более 2-х %. Что уж говорить о транзисторах других партий.
Теперь включаем и прогреваем думатель...
Готово? Тогда вопрос - что произойдет, если у нас включены два транзистора в параллель, но у одного энергия затвора равна 30 nC, а у второго 60 nC?
Нет, первый не откроется в 2 раза быстрее - это зависит еще от резисторов в затворах, однако мысль потекла в нужном направлении - ПЕРВЫЙ ОТКРОЕТСЯ БЫСТРЕЕ ВТОРОГО. Другими словами первый транзистор возьме на себя не половину нагрузки а всю. Да, это будет длится какие то наносекунды, но даже это уже увеличит его температуру и в конечном итоге приведет через десяток-другой часов к перегреву и тепловому пробою. Про токовый пробой я не говорю - обычно технологический запас позволяет транзистору остаться живым, но работа на технологическом запасе это раскуривание кальяна на пороховой бочке.
Теперь случай чуток тяжелее - параллельно включено четыре транзистора. У первого Q
g
равно 50 nC, у второго - 55 nC, у третьего - 60 nC, у четвертого - 45 nC.
Вот тут уже говорить о тепловом пробое смысла не имеет -есть огромная вероятность того, что тот, кто открывается первым даже прогреться не успеет как слдеует - он принимает на себя нагрузку, предназначенную для четырех транзисторов.
Кто догадался какой транзистор кончится первым молодец, ну а кто не доехал, то возвращаемся на три абзаца вверх и чиатем второй раз.
Итак, надеюсь понятно, что транзисторы параллельно включать можно и нужно, только необходимо соблюдать определенные правила, чтобы не было лишних трат. Правило первое и самое простое:
ТРАНЗИСТОРЫ ДОЛЖНЫ БЫТЬ ОДНОЙ ПАРТИИ, о производителе я вообще молчу - это само собой разумеется, поскольку даже нормированные параметры у заводов могут отличаться:
Итак, в итоге видно, что транзисторы от STMicroelectronics и Fairchild имеют типовое значение Q
g
, которое может отличаться как сторону уменьшения, так и увеличения, а вот Vishay Siliconix решил не заморачиваться и обозначил только максимальное значение, а остальное как Бог на душу положит.
Для тех же, кто часто балуется ремонтом всяких преобразователей или собирает мощные усилители, где в оконечном каскаде несколько транзисторов настоятельно рекомендую собрать стенд для отбраковки именно силовых транзисторов. Денег съест этот стенд не много, а вот нервы и бюджет будет экономить регулярно. Подробнее об этом стенде здесь:
Кстати сказать - видео можно просмотреть и сначала - есть некоторые моменты, которые любят пропускать начинающие и не очень опытные паяльщики.
Данный стенд универсален - позволяет отбраковать как биполярные транзисторы, так и полевые, причем обоих структур. Принцип отбраковки основан на выборе транзисторов с одинаковым коф усиления, причем это происходит при токе кллектора порядка 0,5-1 А. Этот же параметр для полевых транзисторов на прямую связан со скоростью открытия-закрытия.
Разработанно это устройство было ОЧЕНЬ давно, когда собирались на продажу услители Холтона на 800 Вт и в оконечном каскаде стояло по 8 штук IRFP240-IRFP9240. В брак уходило ОЧЕНЬ мало транзисторов, но это было до тех пор, пока их выпускала International Rectifier. Как только на рынке появились IRFP240-IRFP9240 Vishay Siliconix с усилителями Холтона в оригинале было покончено - из 10 транзисторов даже одной партии одинаковых попадалось лишь 2 или 3. Холтон был переведен на 2SA1943-2SC5200. Пока еще есть из чего выбирать.
Ну если с параллельным включением все более-менее прояснилось, то как быть с плечами преобразователя? Можно использовать в одном плече транзисторы из одной пратии, а во втором из другой?
Ответ я был дал, да вот только злоупотреблю уже прогретым Вашим думателем - разная скорость открытия-закрытия, одно плечо открыто дольше другого, а сердечник должен полностью размагничиваться и для этого на него нужно подавать ПЕРЕМЕННОЕ напряжение с одинаковой длительностью как отрицательной, так и положительной полуволны. Если этого не будет происходить, то некоторый момент времени намагниченный сердечник будет выстпать в роли АКТИВНОГО сопротивления, равного активному сопротивлению обмотки. Это когда на ОМах измеряешь сколько она Ом. Ну так и что будет?
Снова ехидно хихикаю...
Что до биполярных транзисторов, то тут решающим фактором является коф усиления. Именно от него зависит какой транзистор откроется быстрее и сильнее, он же на прямую влияет на ток перехода база-эмиттер.
В случае с полевыми транзисторами выравнивающие резисторы не нужны. Но обнаружился другой нюанс: чем больше транзисторов в параллельной связке - тем немного большее время требуется для их открытия. Измерения делались на одном и трех транзисторах AUIRFU4104 (живучие, так и не смог их убить даже при частичном открытии). Тест: 5.18В, 0.21Ом, транзистор. Конечный ток был меньше 24.6А за счет нагрева проводов и падения на транзисторах, однако он составлял не менее 17А:
- при использовании на затворе такого же напряжения, как на стоке (положительного), транзисторы начинают открываться медленно, не доходя до режима насыщения (падает 3.3В). И это при заявленном пороговом напряжении открытия 2-4В (возможно, это нижний порог открытия: минимум и максимум минимального напряжения начала открытия). Резистор на затворе отсутствует, и это не вредит процессу. Присоединение 910кОм на каждом затворе влияет на скорость открытия транзисторов, но не на конечный номинал падения напряжения на транзисторах. Транзисторы греются до такой степени, что истекают оловом. Связка открывается медленнее отдельного транзистора процентов на 10;
- при использовании на затворе напряжения, превышающего на стоке (12В), транзисторы моментально входят в режим насыщения, падение составляет всего 0.2В на всей связке. Резистор С5-16МВ 0.2Ом/2Вт взорвался спустя 10сек какими-то застывающими на воздухе соплями (впервые вижу резистор с наполнителем). Транзисторы нагрелись менее чем на 50 градусов, а одиночный - <100 градусов. Резистор на затворе отсутствует, и это не вредит процессу.
(добавлено 07.07.2017) Уточнена величина падения напряжения на полевиках: 3.3В. Для подтверждения теории об отрицательной обратной связи у биполярников необходим практический тест (как было в случае с
