Перспективы применения новой серии импульсных трансформаторов Epcos B82804A в схемах управления затвором MOSFET
Автор: Васильева К.Л.
В статье рассмотрены основные характеристики миниатюрных импульсных трансформаторов серии B82804A, изготавливаемых компанией Epcos-TDK – мирового лидера в области производства электронных компонентов и магнитомягких материалов. Показаны особенности применения трансформаторов (Gate Drive Transformers) в схемах управления затвором MOSFET и перспективы применения силовых модулей на их основе в мощных преобразователях и другом силовом оборудовании.
Развитие силовой полупроводниковой импульсной техники и увеличивающаяся с каждым годом потребность в современной элементной базе привели к появлению на рынке РЭА миниатюрных устройств и компонентов с улучшенными характеристиками. На сегодняшний день, к ключевым элементам, широко применяемым в источниках питания, усилителях, мощных приводах, аналоговых и цифровых микросхемах, можно отнести основные переключающие устройства - МОП-транзисторы с изолированным затвором (англ. обозначение MOSFET).
На сегодняшний день последние разработки многих компаний - мировых лидеров электронной отрасли направлены на изготовление и усовершенствование высокоэффективных и мощных МОП-транзисторов, а также управляющих устройств. Основные типы структур выпускаемых MOSFET представлены на рисунке 1 [1].
Повышенный интерес к таким компонентам, в первую очередь, обусловлен тем, что в отличие от биполярного транзистора управление выходным сигналом MOSFET осуществляется не током, а напряжением через затвор, который отделен от проводящего канала слоем диэлектрика (SiO2) [2-5]. При этом, ток по цепи затвора, за исключением момента открытия и закрытия, практически не протекает. Такое техническое исполнение позволяет отказаться от работы на дискретных элементах и значительно упростить схему. В частности, можно использовать драйверы, которые помимо управления также обеспечивают защиту от перегрузок по току и короткому замыканию. Кроме того, МОП-транзисторы имеют достаточно большие входные сопротивления, характеризуются повышенной теплоустойчивостью и низким уровнем шума, в частности, на низких частотах.
Тем не менее, несмотря на ряд отмеченных преимуществ MOSFET, выбор схемы управления мощными транзисторами не всегда является простой задачей. Связано это с тем, что применение драйвера предполагает его согласование с силовым модулем по управляющему напряжению и току затвора [3-5]. Кроме того, при создании мощных преобразователей сложности могут также возникать при создании топологий схем с плавающим ключом, в то время как интегральные схемы для управления транзисторами «верхнего плеча» не обеспечивают требуемого уровня защиты по току и изоляции [4].
В этой связи, достаточно простым и экономичным решением может стать применение импульсных трансформаторов (Gate Drive Transformers). Наряду с гальванической развязкой трансформаторы GDT могут обеспечить управление затвором мощного транзистора в полумостовых и мостовых схемах, вследствие чего их часто устанавливают в блоках питания, преобразователях частоты и преобразователях постоянного тока в переменный и других узлах электрических схем.
В отличие от оптических драйверов модули с Gate Drive Transformers отличаются быстродействием и меньшей чувствительностью к шумам. Кроме того, GDT трансформаторы просты в управлении, изготовлении и имеют низкую стоимость. При проектировании GDT разработчики, как правило, используют кольцевые ферритовые сердечники небольших размеров (рисунок 1). Выбор материала магнитопровода определяется, исходя из рабочей частоты [6,7]. Для снижения влияния паразитных параметров обеспечивается равномерная, распределенная плотная обмотка проводом малого диаметра. Способы намотки и особенности расчета GDT на ферритовых кольцах рассмотрены в источнике [6]. Тем не менее, подбор материала и размера сердечника, проведение и проверка расчетов, а также осуществление качественной намотки, требуют определенного времени и навыков. В связи с этим, все большее распространение получают готовые трансформаторы GDT.
Среди компонентов, выпускаемых серийно различными компаниями, особое внимание заслуживают трансформаторы GDT серии B B82804A фирмы Epcos (Рисунок 2).
Эти трансформаторы характеризуются не только улучшенными электрическими характеристиками, но и миниатюрными размерами (8,1мм x 6,7мм x 5,4мм) (рисунок 3). Основу конструкции Gate Drive составляет сердечник конфигурации EP5, сравнительно малые размеры которого позволяют значительно сократить место на плате даже при использовании сразу нескольких трансформаторов. Подключение контуров для управления затвором МОП-транзистора осуществляется в диапазоне частот от 150 кГц до несколько мегагерц. У всех типов серии B82804A напряжение развязки составляет 1500 В. Выпускаемые Epcos элементы рассчитаны на окружающую температуру до 85°C и рабочую температуру до 125°C. Конфигурация и распайка выводов осуществляется в соответствии с установленными стандартами [8].
К ключевым параметрам, на которые необходимо ориентироваться при выборе импульсных трансформаторов GDT можно отнести:
- L – индуктивность, Гн;
- U – напряжение развязки, В;
- fрез – резонансная частота, Гц;
- R(DC) – сопротивление первичной и вторичной обмоток, Ом;
- Cоотношение числа витков
Технические характеристики выпускаемых трансформаторов серии B82804A приведены в таблице 1. Несмотря на то, что довольно часто применение импульсных трансформаторов сопровождается проявлением паразитных параметров, таких как индуктивность рассеяния и собственная емкость изделия, разработанная компанией Epcos техника намотки, позволяет снизить их влияние. Так, например, значения паразитной емкости между обмотками в серии B82804A могут варьироваться в зависимости от выбранного компонента от 25 пФ до 95 пФ [8].
Таблица 1 – Технические характеристики трансформаторов GDT Epcos [9]:
| L, мкГн | Чертеж | Соотношение числа витков | R(DC)первич.,Ом | R(DC)вторич.,Ом | fрез., МГц | Код заказа |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 300 | Рисунок 3 А | 2,5:1:1 | 1,8 | 0,3 | 2,6 | B82804A0304A225 |
| 317 | Рисунок 3 А | 2:1:1 | 1,6 | 0,45 | 2 | B82804A0324A220 |
| 264 | Рисунок 3 А | 1:1:1 | 1,5 | 1,5 | 2,9 | B82804A0264A210 |
| 350 | Рисунок 3 В | 1:1 | 1 | 0,65 | 1,2 | B82804A0354A110 |
| 690 | Рисунок 3 В | 1:5:1 | 1,65 | 0,86 | 0,7 | B82804A0694A115 |
| 473 | Рисунок 3 В | 2:5:1 | 1,5 | 0,3 | 1,7 | B82804A0474A125 |
На практике, непосредственное подключение миниатюрного трансформатора GDT может быть реализовано на выходе микросхемы драйвера через разделительный конденсатор. Вторичная обмотка подводится непосредственно к затвору МОП-транзистора, в то время как резисторы должны располагаться со стороны первичной обмотки трансформатора. Защитные диоды устанавливаются на выходе драйвера и должны быть подключены даже при отсутствии проблем с реактивной составляющей тока в трансформаторе [4].
На рисунке 4 представлена типовая схема драйвера MOSFET с использованием импульсного трансформатора. Согласно схеме, представленной на рисунке 4, разделительный конденсатор установлен последовательно с первичной обмоткой импульсного трансформатора, чтобы сбрасывать напряжение в процессе намагничивания. Диод Зенера (VD) применяется в схеме для снижения скачков напряжения на затворе. Резистор Rg устанавливают, чтобы избежать появления тока пульсаций на затворе. Рассматриваемый драйвер является достаточно простым устройством, легко интегрируется в узел схемы. Тем не менее, следует учитывать, что выходное напряжение снижается вместе с увеличением коэффициента заполнения импульсов [10].
При высоких коэффициентах заполнения может быть использована схема (рисунок 5), предложенная авторами [10].
На рисунке 5 отмечены импульсный трансформатор TX1, резисторы R3 и R4, подключенные к первичной и вторичной обмоткам соответственно, индуктивности LI и L2, а также разделительные конденсаторы C1, C5, C6. Кроме того, в данную схему добавлена серия компонентов, в частности, запасающие энергию конденсаторы C7, C4. Двухтактный каскад реализован за счет транзисторов Q1 и Q2, диода Зенера D3 и обычного диода D1 [10]. Реализация такого драйвера позволяет повысить скорость переключения, снизить время задержки сигнала. Более того, применение схемы, представленной на рисунке 4, повышает помехоустойчивость и надежность за счет подачи отрицательного напряжения к затвору в закрытом положении.
На рисунке 6 также представлена схема драйвера для управления затвором транзистора. Сигнал поступает на первичную обмотку импульсного трансформатора, вторичные обмотки осуществляют управление затвором «полумоста». В такой схеме применение GDT трансформатора является практичным решением, поскольку для управления контуром MOSFET, соединенным с вторичной обмоткой трансформатора, она не требует использования изолированных источников питания [11].
Таким образом, в настоящем обзоре показаны особенности управления затвором MOSFET, рассмотрены типовые схемы драйверов с использованием в их узлах миниатюрных импульсных трансформаторов. Кроме того, в статье подробно рассмотрены основные характеристики трансформаторов GDT фирмы Epcos и преимущества таких миниатюрных компонентов перед изделиями, изготавливаемыми вручную. Отмечена повышенная степень надежности, высокая скорость переключения и простота эксплуатации Gate Drive Transformers (Epcos) при управлении затворами MOSFET в сравнении с оптическими драйверами, что позволяет реализовывать на практике высокоэффективные экономичные и конкурентоспособные устройства для силовой электроники и РЭА.
Литература:
1. Balogh L. Design and Application Guide For High Speed MOSFET Gate Drive Circuits / Laszlo Balogh. – p.1–37.
2. А. Колпаков. Особенности теплового расчета импульсных силовых каскадов. Компоненты и технологии. 2002 - №1.
3. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 8-е издание, исправленное. — М.: Лань, 2006. — 480 с.
4. Dr. Ray Ridley. Gate Drive Design Tips. Power Systems Design Europe. 2006
5. B. Maurice, L. Wuidart. Drive circuits for power MOSFETs and IGBTs. Application Note. http://www.st.com
6. http://bsvi.ru/raschet-i-primenenie-gdt/
7. Е. Москатов. Методика и программа расчета импульсного трансформатора двухтактного преобразователя. Радио.2006- №6.
8. Miniaturized series of gate-drive transformers. Articles. Products and Technologies. 2012. Epcos. http://en.tdk.eu/
9. SMT gate drive transformers. EP5 series.B82804A. Datasheet. Epcos
10. D. Wang, H. Dai1, Z. Sun. Design and Simulation of Gate Driver Circuit Using Pulse transformer/ International Journal of Computer Science. 2013 – Vol.10, Issue 2, №2 – P. 305-310.
11. B. Kennedy. Implementing an Isolated Half-Bridge Gate Driver. Analog Dialogue. 2012. - P. 1-3.