หลักการของวงจรขับเคลื่อนของ MOSFET กำลังสูงคืออะไร?

MOSFET กำลังสูงเหมือนกัน การใช้วงจรขับเคลื่อนต่างกันจะมีลักษณะการสลับที่แตกต่างกัน การใช้วงจรขับเคลื่อนประสิทธิภาพที่ดีสามารถทำให้อุปกรณ์สวิตช์ไฟทำงานในสถานะสวิตช์ที่ค่อนข้างเหมาะสม ในขณะที่ลดระยะเวลาในการสลับ ลดการสูญเสียการสลับ การติดตั้งประสิทธิภาพการทำงาน ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยมีความสำคัญอย่างยิ่ง ดังนั้นข้อดีและข้อเสียของวงจรขับเคลื่อนจึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของวงจรหลัก การหาเหตุผลเข้าข้างตนเองในการออกแบบวงจรขับเคลื่อนจึงมีความสำคัญมากขึ้น ไทริสเตอร์ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน ใช้งานง่าย สามารถหยุดวงจรเรียงกระแสและอินเวอร์เตอร์ได้อย่างง่ายดายและไม่สามารถเปลี่ยนโครงสร้างวงจรภายใต้สมมติฐานของการเปลี่ยนขนาดของวงจรเรียงกระแสหรือกระแสอินเวอร์เตอร์ IGBT เป็นส่วนประกอบ อุปกรณ์ของมอสเฟตและ GTR ซึ่งมีคุณลักษณะของความเร็วในการเปลี่ยนที่รวดเร็ว เสถียรภาพทางความร้อนที่ดี กำลังขับน้อย และวงจรขับเคลื่อนที่เรียบง่าย และมีข้อดีคือ แรงดันไฟฟ้าตกในสถานะออนสเตตเล็กน้อย แรงดันไฟฟ้าทนสูง และกระแสตอบรับสูง IGBT เป็นอุปกรณ์ส่งออกพลังงานกระแสหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานที่ที่มีพลังงานสูง ถูกนำมาใช้กันทั่วไปในประเภทต่างๆ

 

วงจรขับเคลื่อนในอุดมคติสำหรับอุปกรณ์สวิตชิ่ง MOSFET กำลังสูงควรเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้:

(1) เมื่อเปิดท่อสวิตช์ไฟ วงจรขับเคลื่อนสามารถให้กระแสฐานที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เพื่อให้มีกำลังขับเพียงพอเมื่อเปิดเครื่อง ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียในการเปิดเครื่อง

(2) ในระหว่างการนำท่อสวิตชิ่ง กระแสไฟฟ้าพื้นฐานที่ได้รับจากวงจรขับ MOSFET ช่วยให้มั่นใจได้ว่าท่อจ่ายไฟอยู่ในสถานะการนำไฟฟ้าอิ่มตัวภายใต้สภาวะโหลดใดๆ ซึ่งทำให้มั่นใจได้ถึงการสูญเสียการนำไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำ เพื่อลดเวลาการจัดเก็บ อุปกรณ์ควรอยู่ในสถานะอิ่มตัวที่สำคัญก่อนปิดเครื่อง

(3) การปิดระบบ วงจรไดรฟ์ควรมีไดรฟ์ฐานแบบย้อนกลับที่เพียงพอเพื่อดึงพาหะที่เหลืออยู่ในพื้นที่ฐานอย่างรวดเร็วเพื่อลดเวลาในการจัดเก็บ และเพิ่มแรงดันไฟตัดไบอัสแบบย้อนกลับเพื่อให้กระแสของตัวสะสมลดลงอย่างรวดเร็วเพื่อลดเวลาในการลงจอด แน่นอนว่าการปิดไทริสเตอร์ยังคงเป็นหลักจากแรงดันแอโนดย้อนกลับที่ลดลงเพื่อให้การปิดเครื่องสมบูรณ์

ปัจจุบันไทริสเตอร์ขับเคลื่อนด้วยจำนวนที่เทียบเคียงได้เพียงผ่านหม้อแปลงหรือการแยกออปโตคัปเปลอร์เพื่อแยกปลายแรงดันต่ำและปลายแรงดันสูง จากนั้นผ่านวงจรการแปลงเพื่อขับเคลื่อนการนำไทริสเตอร์ บน IGBT สำหรับการใช้งานปัจจุบันของโมดูลไดรฟ์ IGBT เพิ่มเติม แต่ยังรวม IGBT การบำรุงรักษาระบบด้วยตนเอง การวินิจฉัยตนเอง และโมดูลการทำงานอื่น ๆ ของ IPM

ในบทความนี้ สำหรับไทริสเตอร์ที่เราใช้ ให้ออกแบบวงจรขับเคลื่อนแบบทดลอง และหยุดการทดสอบจริงเพื่อพิสูจน์ว่าสามารถขับเคลื่อนไทริสเตอร์ได้ สำหรับไดรฟ์ของ IGBT บทความนี้จะแนะนำไดรฟ์ IGBT ประเภทหลักในปัจจุบันเป็นหลัก รวมถึงวงจรไดรฟ์ที่เกี่ยวข้อง และไดรฟ์แยกออปโตคัปเปลอร์ที่ใช้บ่อยที่สุดเพื่อหยุดการทดลองจำลอง

 

2. การศึกษาวงจรขับเคลื่อนไทริสเตอร์โดยทั่วไปสภาวะการทำงานของไทริสเตอร์คือ:

(1) ไทริสเตอร์ยอมรับแรงดันแอโนดย้อนกลับ ไม่ว่าประตูจะยอมรับแรงดันไฟฟ้าชนิดใด ไทริสเตอร์จะอยู่ในสถานะปิด

(2) ไทริสเตอร์ยอมรับแรงดันไฟฟ้าแอโนดไปข้างหน้า เฉพาะในกรณีที่เกตยอมรับแรงดันไฟฟ้าบวกที่ไทริสเตอร์เปิดอยู่

(3) ไทริสเตอร์ในสภาวะการนำไฟฟ้า เฉพาะแรงดันแอโนดบวกที่แน่นอนเท่านั้น โดยไม่คำนึงถึงแรงดันเกต ไทริสเตอร์ยืนยันการนำไฟฟ้า นั่นคือ หลังจากการนำไทริสเตอร์แล้ว ประตูจะหายไป (4) ไทริสเตอร์ในสภาวะการนำไฟฟ้า เมื่อแรงดันวงจรหลัก (หรือกระแส) ลดลงจนใกล้ศูนย์ ไทริสเตอร์จะปิดตัวลง เราเลือกไทริสเตอร์เป็น TYN1025 ทนแรงดันไฟฟ้าได้ 600V ถึง 1,000V กระแสสูงสุด 25A ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าของเกตไดรฟ์คือ 10V ถึง 20V กระแสไฟของไดรฟ์คือ 4mA ถึง 40mA และกระแสการบำรุงรักษาคือ 50mA กระแสไฟของเครื่องยนต์คือ 90mA แอมพลิจูดของสัญญาณทริกเกอร์ DSP หรือ CPLD นานถึง 5V ก่อนอื่น ตราบใดที่แอมพลิจูดของ 5V เป็น 24V จากนั้นผ่านหม้อแปลงแยก 2:1 เพื่อแปลงสัญญาณทริกเกอร์ 24V ให้เป็นสัญญาณทริกเกอร์ 12V ในขณะที่ทำหน้าที่แยกแรงดันไฟฟ้าบนและล่างเสร็จสิ้น

การออกแบบและวิเคราะห์วงจรทดลอง

ประการแรก วงจรบูสต์ เนื่องจากวงจรหม้อแปลงแยกอยู่ในระยะหลังของมอสเฟตอุปกรณ์ต้องการสัญญาณทริกเกอร์ 15V ดังนั้นจำเป็นต้องขยายสัญญาณทริกเกอร์ 5V ก่อนเป็นสัญญาณทริกเกอร์ 15V ผ่านสัญญาณ MC14504 5V แปลงเป็นสัญญาณ 15V จากนั้นผ่าน CD4050 บนเอาต์พุตของการสร้างสัญญาณไดรฟ์ 15V ช่อง 2 เชื่อมต่อกับสัญญาณอินพุต 5V, ช่อง 1 เชื่อมต่อกับเอาต์พุต ช่อง 2 เชื่อมต่อกับสัญญาณอินพุต 5V, ช่อง 1 เชื่อมต่อกับเอาต์พุตของสัญญาณทริกเกอร์ 15V

ส่วนที่สองคือวงจรหม้อแปลงแยก หน้าที่หลักของวงจรคือ: สัญญาณทริกเกอร์ 15V แปลงเป็นสัญญาณทริกเกอร์ 12V เพื่อทริกเกอร์ด้านหลังของการนำไทริสเตอร์ และทำสัญญาณทริกเกอร์ 15V และระยะห่างระหว่างด้านหลัง เวที.

 

หลักการทำงานของวงจรคือ: เนื่องจากมอสเฟตIRF640 แรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ 15V ดังนั้นก่อนอื่นใน J1 เข้าถึงสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม 15V ผ่านตัวต้านทาน R4 ที่เชื่อมต่อกับตัวควบคุม 1N4746 เพื่อให้แรงดันทริกเกอร์มีเสถียรภาพ แต่ยังทำให้แรงดันทริกเกอร์ไม่สูงเกินไป เผา MOSFET แล้วจึงไปที่ MOSFET IRF640 (อันที่จริงนี่คือสวิทซ์หลอดควบคุมส่วนหลังของการเปิดปิด ควบคุมส่วนหลังของการเปิดและปิด) หลังจากควบคุมการเปิด-ปิดแล้ว Duty Cycle ของสัญญาณขับเคลื่อนเพื่อให้สามารถควบคุมเวลาเปิดและปิดของ MOSFET ได้ เมื่อ MOSFET เปิดอยู่ เทียบเท่ากับกราวด์ขั้ว D ของมัน และปิดเมื่อเปิดอยู่ หลังจากวงจรแบ็คเอนด์เท่ากับ 24 V และหม้อแปลงจะผ่านการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเพื่อสร้างปลายด้านขวาของสัญญาณเอาท์พุต 12 V . ปลายด้านขวาของหม้อแปลงเชื่อมต่อกับบริดจ์เรกติไฟเออร์ จากนั้นสัญญาณ 12V จะถูกส่งออกจากขั้วต่อ X1

ปัญหาที่พบในระหว่างการทดลอง

ประการแรกเมื่อเปิดเครื่องฟิวส์ขาดกระทันหันและต่อมาเมื่อตรวจสอบวงจรพบว่ามีปัญหากับการออกแบบวงจรเบื้องต้น ในขั้นต้น เพื่อให้เอฟเฟกต์ของเอาต์พุตท่อสวิตชิ่งดีขึ้น การแยกกราวด์ 24V และกราวด์ 15V ซึ่งทำให้ขั้ว G ของเกตของ MOSFET เทียบเท่ากับด้านหลังของขั้ว S จะถูกระงับ ส่งผลให้เกิดการกระตุ้นที่ผิดพลาด วิธีแก้ไขคือเชื่อมต่อกราวด์ 24V และ 15V เข้าด้วยกัน และอีกครั้งเมื่อหยุดการทดลอง วงจรก็จะทำงานได้ตามปกติ การเชื่อมต่อวงจรเป็นเรื่องปกติ แต่เมื่อเข้าร่วมในสัญญาณไดรฟ์ ความร้อน MOSFET รวมถึงสัญญาณไดรฟ์เป็นระยะเวลาหนึ่ง ฟิวส์จะขาด แล้วเพิ่มสัญญาณไดรฟ์ ฟิวส์จะถูกเป่าโดยตรง ตรวจสอบวงจรพบว่ารอบการทำงานระดับสูงของสัญญาณไดรฟ์ใหญ่เกินไป ส่งผลให้เวลาเปิด MOSFET นานเกินไป การออกแบบวงจรนี้ทำให้เมื่อ MOSFET เปิด 24V เพิ่มโดยตรงที่ปลาย MOSFET และไม่เพิ่มตัวต้านทานจำกัดกระแส ถ้าเวลาตรงนานเกินไปที่จะทำให้กระแสมีขนาดใหญ่เกินไป MOSFET เสียหาย ความจำเป็นในการควบคุมรอบการทำงานของสัญญาณต้องไม่ใหญ่เกินไป โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 10% ถึง 20% หรือมากกว่านั้น

2.3 การตรวจสอบวงจรขับเคลื่อน

เพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ของวงจรขับเคลื่อน เราใช้มันเพื่อขับเคลื่อนวงจรไทริสเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมซึ่งกันและกัน ไทริสเตอร์แบบอนุกรมต่อกันและจากนั้นเป็นแบบต่อต้านขนาน เข้าถึงวงจรด้วยปฏิกิริยารีแอคแตนซ์ แหล่งจ่ายไฟ เป็นแหล่งจ่ายแรงดันไฟ AC 380V

MOSFET ในวงจรนี้ ไทริสเตอร์ Q2, Q8 จะส่งสัญญาณผ่านการเข้าถึง G11 และ G12 ในขณะที่ Q5, Q11 จะส่งสัญญาณผ่านการเข้าถึง G21, G22 ก่อนที่จะรับสัญญาณไดรฟ์ถึงระดับเกตไทริสเตอร์ เพื่อปรับปรุงความสามารถในการป้องกันการรบกวนของไทริสเตอร์ ประตูของไทริสเตอร์จะเชื่อมต่อกับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ วงจรนี้ต่อเข้ากับตัวเหนี่ยวนำแล้วจึงใส่เข้าไปในวงจรหลัก หลังจากควบคุมมุมการนำของไทริสเตอร์เพื่อควบคุมตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ให้เข้าสู่เวลาวงจรหลักแล้ว วงจรบนและล่างของมุมเฟสของสัญญาณทริกเกอร์ต่างกันครึ่งรอบ G11 และ G12 บนเป็นสัญญาณทริกเกอร์ตลอดทาง ผ่านวงจรขับเคลื่อนของเวทีด้านหน้าของหม้อแปลงแยกจะแยกออกจากกัน G21 และ G22 ตัวล่างก็แยกออกจากลักษณะสัญญาณเดียวกัน สัญญาณทริกเกอร์ทั้งสองจะทริกเกอร์วงจรไทริสเตอร์ต่อต้านขนานการนำกระแสบวกและลบ เหนือช่อง 1 เชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าวงจรไทริสเตอร์ทั้งหมด ในการนำไทริสเตอร์จะกลายเป็น 0 และช่อง 2, 3 เชื่อมต่อกับวงจรไทริสเตอร์ขึ้นและลง สัญญาณทริกเกอร์ถนน ช่องสัญญาณ 4 ช่องจะวัดโดยการไหลของกระแสไทริสเตอร์ทั้งหมด

2 ช่องสัญญาณวัดสัญญาณทริกเกอร์บวก ทริกเกอร์เหนือการนำไทริสเตอร์ กระแสเป็นบวก 3 ช่องสัญญาณวัดสัญญาณทริกเกอร์ย้อนกลับ ทริกเกอร์วงจรล่างของการนำไทริสเตอร์ กระแสเป็นลบ

 

3.วงจรขับเคลื่อน IGBT ของการสัมมนา วงจรขับเคลื่อน IGBT มีคำขอพิเศษมากมาย สรุป:

(1) ขับเคลื่อนอัตราการขึ้นและลงของพัลส์แรงดันไฟฟ้าควรมีขนาดใหญ่เพียงพอ เมื่อเปิด igbt ขอบนำของแรงดันไฟเกตที่สูงชันจะถูกเพิ่มไปที่เกต G และตัวปล่อย E ระหว่างเกต เพื่อให้เปิดอย่างรวดเร็วเพื่อไปถึงเวลาเปิดที่สั้นที่สุดเพื่อลดการสูญเสียการเปิด ในการปิดระบบ IGBT วงจรขับเคลื่อนเกตควรให้ขอบเชื่อมโยงไปถึง IGBT มีแรงดันไฟฟ้าปิดที่สูงชันมากและไปยังเกต IGBT G และตัวปล่อย E ระหว่างแรงดันไบอัสย้อนกลับที่เหมาะสม เพื่อให้การปิดระบบอย่างรวดเร็วของ IGBT ลดระยะเวลาการปิดเครื่องลง ลด การสูญเสียการปิดระบบ

(2) หลังจากการนำ IGBT แรงดันและกระแสของไดรฟ์ที่มาจากวงจรเกตไดรฟ์ควรมีแอมพลิจูดเพียงพอสำหรับแรงดันและกระแสของไดรฟ์ IGBT เพื่อให้กำลังขับของ IGBT อยู่ในสถานะอิ่มตัวเสมอ โอเวอร์โหลดชั่วคราว กำลังขับเคลื่อนที่ได้รับจากวงจรขับเคลื่อนเกตควรจะเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่า IGBT จะไม่ออกจากบริเวณความอิ่มตัวและเกิดความเสียหาย

(3) วงจรขับเคลื่อนเกท IGBT ควรให้แรงดันไดรฟ์บวก IGBT เพื่อรับค่าที่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการทำงานของไฟฟ้าลัดวงจรของอุปกรณ์ที่ใช้ใน IGBT ควรเลือกแรงดันไฟฟ้าบวกของไดรฟ์ให้เป็นค่าต่ำสุดที่ต้องการ การสลับแรงดันไฟฟ้าเกตของ IGBT ควรเป็น 10V ~ 15V เพื่อสิ่งที่ดีที่สุด

(4) กระบวนการปิด IGBT แรงดันไบแอสเชิงลบที่ใช้ระหว่างเกต - ตัวปล่อยเอื้อต่อการปิด IGBT อย่างรวดเร็ว แต่ไม่ควรมีขนาดใหญ่เกินไป ใช้ปกติ -2V ถึง -10V

(5) ในกรณีของโหลดอุปนัยขนาดใหญ่ การสลับเร็วเกินไปเป็นอันตราย โหลดอุปนัยขนาดใหญ่ใน IGBT การเปิดและปิดอย่างรวดเร็ว จะสร้างความถี่สูงและแอมพลิจูดสูงและความกว้างแคบของแรงดันไฟฟ้าขัดขวาง Ldi / dt เข็มไม่ดูดซับง่ายสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์ได้ง่าย

(6) เนื่องจาก IGBT ถูกใช้ในสถานที่ไฟฟ้าแรงสูง ดังนั้นวงจรไดรฟ์จึงควรอยู่ในวงจรควบคุมทั้งหมดที่มีศักยภาพในการแยกอย่างรุนแรง การใช้การแยกการเชื่อมต่อด้วยแสงความเร็วสูงหรือการแยกการเชื่อมต่อหม้อแปลงแบบธรรมดา

 

สถานะวงจรขับเคลื่อน

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีแบบรวม วงจรไดรฟ์เกท IGBT ในปัจจุบันส่วนใหญ่ถูกควบคุมโดยชิปแบบรวม โหมดการควบคุมยังคงเป็นสามประเภทหลัก:

(1) ประเภททริกเกอร์โดยตรงไม่มีการแยกทางไฟฟ้าระหว่างสัญญาณอินพุตและเอาต์พุต

(2) ไดรฟ์แยกหม้อแปลงระหว่างสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตโดยใช้การแยกหม้อแปลงพัลส์ ระดับแรงดันไฟฟ้าแยกสูงถึง 4000V

 

มี 3 แนวทางดังนี้

วิธีการแบบพาสซีฟ: เอาต์พุตของหม้อแปลงรองใช้เพื่อขับเคลื่อน IGBT โดยตรง เนื่องจากข้อจำกัดของการปรับสมดุลระหว่างโวลต์-วินาที จึงใช้ได้เฉพาะกับสถานที่ที่รอบการทำงานไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก

วิธีการที่ใช้งาน: หม้อแปลงให้สัญญาณแยกเท่านั้น ในวงจรเครื่องขยายเสียงพลาสติกรองเพื่อขับเคลื่อน IGBT รูปคลื่นของไดรฟ์จะดีกว่า แต่จำเป็นต้องให้พลังงานเสริมแยกต่างหาก

วิธีการจ่ายด้วยตนเอง: หม้อแปลงพัลส์ใช้ในการส่งทั้งพลังงานของไดรฟ์และเทคโนโลยีการมอดูเลตความถี่สูงและเทคโนโลยีดีโมดูเลชั่นสำหรับการส่งสัญญาณลอจิก แบ่งออกเป็นวิธีการจ่ายด้วยตนเองแบบมอดูเลชันและเทคโนโลยีการแบ่งปันเวลาด้วยตนเอง ซึ่งการมอดูเลต -พิมพ์กำลังจ่ายเองไปที่บริดจ์เรกติไฟเออร์เพื่อสร้างแหล่งจ่ายไฟที่ต้องการ เทคโนโลยีการมอดูเลตความถี่สูง และเทคโนโลยีดีโมดูเลชั่นเพื่อส่งสัญญาณลอจิก

 

3. การสัมผัสและความแตกต่างระหว่างไทริสเตอร์และไดรฟ์ IGBT

วงจรขับเคลื่อนไทริสเตอร์และ IGBT มีความแตกต่างระหว่างศูนย์กลางที่คล้ายกัน ก่อนอื่น ต้องใช้วงจรขับเคลื่อนทั้งสองวงจรเพื่อแยกอุปกรณ์สวิตชิ่งและวงจรควบคุมออกจากกัน เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้วงจรไฟฟ้าแรงสูงส่งผลกระทบต่อวงจรควบคุม จากนั้นทั้งสองจะถูกนำไปใช้กับสัญญาณไดรฟ์เกตเพื่อทริกเกอร์อุปกรณ์สวิตชิ่ง ความแตกต่างก็คือไดรฟ์ไทริสเตอร์ต้องใช้สัญญาณปัจจุบัน ในขณะที่ IGBT ต้องใช้สัญญาณแรงดันไฟฟ้า หลังจากการนำอุปกรณ์สวิตชิ่ง ประตูของไทริสเตอร์สูญเสียการควบคุมการใช้ไทริสเตอร์ หากคุณต้องการปิดไทริสเตอร์ ควรเพิ่มขั้วไทริสเตอร์เข้ากับแรงดันย้อนกลับ และการปิดระบบ IGBT จะต้องเพิ่มไปที่ประตูของแรงดันขับลบเท่านั้นเพื่อปิด IGBT

 

4. บทสรุป

บทความนี้ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองส่วนของการเล่าเรื่อง ส่วนแรกของคำขอวงจรไทริสเตอร์ไดรฟ์เพื่อหยุดการบรรยาย การออกแบบวงจรไดรฟ์ที่สอดคล้องกัน และการออกแบบวงจรถูกนำไปใช้กับวงจรไทริสเตอร์ที่ใช้งานได้จริงผ่านการจำลอง และการทดลองเพื่อพิสูจน์ความเป็นไปได้ของวงจรขับเคลื่อน กระบวนการทดลองที่พบในการวิเคราะห์ปัญหาที่หยุดและจัดการ ส่วนที่สองของการอภิปรายหลักเกี่ยวกับ IGBT ตามคำขอของวงจรไดรฟ์ และบนพื้นฐานนี้จะแนะนำวงจรไดรฟ์ IGBT ที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันเพิ่มเติม และวงจรไดรฟ์แยกออปโตคัปเปลอร์หลักเพื่อหยุดการจำลองและการทดลอง เพื่อพิสูจน์ ความเป็นไปได้ของวงจรขับเคลื่อน