Was ist das Prinzip der Ansteuerschaltung eines Hochleistungs-MOSFET?

Der gleiche Hochleistungs-MOSFET und die Verwendung unterschiedlicher Ansteuerschaltungen führen zu unterschiedlichen Schalteigenschaften. Die Verwendung einer guten Leistung der Antriebsschaltung kann dazu führen, dass das Leistungsschaltgerät in einem relativ idealen Schaltzustand arbeitet, während gleichzeitig die Schaltzeit verkürzt, Schaltverluste reduziert werden und die Betriebseffizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit der Installation von großer Bedeutung sind. Da sich die Vor- und Nachteile der Antriebsschaltung direkt auf die Leistung der Hauptschaltung auswirken, wird die Rationalisierung des Designs der Antriebsschaltung immer wichtiger. Thyristor kleine Größe, geringes Gewicht, hoher Wirkungsgrad, lange Lebensdauer, einfach zu bedienen, kann den Gleichrichter und Wechselrichter leicht stoppen und kann die Schaltungsstruktur nicht ändern, unter der Voraussetzung, dass die Größe des Gleichrichter- oder Wechselrichterstroms geändert wird. IGBT ist ein Verbundwerkstoff Gerät vonMOSFETund GTR, das die Eigenschaften einer schnellen Schaltgeschwindigkeit, einer guten thermischen Stabilität, einer geringen Antriebsleistung und einer einfachen Antriebsschaltung aufweist und die Vorteile eines geringen Spannungsabfalls im eingeschalteten Zustand, einer hohen Spannungsfestigkeit und eines hohen Akzeptanzstroms aufweist. IGBTs werden häufig in verschiedenen Kategorien als gängiges Leistungsausgabegerät, insbesondere an Hochleistungsstandorten, eingesetzt.

Die ideale Treiberschaltung für Hochleistungs-MOSFET-Schaltgeräte sollte die folgenden Anforderungen erfüllen:

(1) Wenn die Leistungsschaltröhre eingeschaltet ist, kann die Treiberschaltung einen schnell ansteigenden Basisstrom bereitstellen, sodass beim Einschalten genügend Treiberleistung vorhanden ist, wodurch der Einschaltverlust verringert wird.

(2) Während der Schaltröhrenleitung kann der von der MOSFET-Treiberschaltung bereitgestellte Basisstrom sicherstellen, dass sich die Leistungsröhre unter allen Lastbedingungen in einem gesättigten Leitungszustand befindet, wodurch ein vergleichsweise geringer Leitungsverlust gewährleistet wird. Um die Lagerzeit zu verkürzen, sollte sich das Gerät vor dem Herunterfahren in einem kritischen Sättigungszustand befinden.

(3) Beim Herunterfahren sollte die Antriebsschaltung ausreichend Rückwärtsantrieb für die Basis bereitstellen, um die verbleibenden Träger im Basisbereich schnell herauszuziehen und so die Lagerzeit zu verkürzen. und fügen Sie eine Abschaltspannung in Sperrrichtung hinzu, sodass der Kollektorstrom schnell abfällt, um die Landezeit zu verkürzen. Natürlich erfolgt die Abschaltung des Thyristors immer noch hauptsächlich durch den umgekehrten Anodenspannungsabfall, um die Abschaltung abzuschließen.

Gegenwärtig erfolgt der Thyristorantrieb mit einer vergleichbaren Anzahl nur durch die Isolierung des Transformators oder des Optokopplers, um das Niederspannungsende und das Hochspannungsende zu trennen, und dann durch die Umwandlungsschaltung, um den Thyristor leitend anzutreiben. Auf dem IGBT stehen derzeit mehrere IGBT-Antriebsmodule zur Verfügung, aber auch integrierte IGBT-, System-Selbstwartungs-, Selbstdiagnose- und andere Funktionsmodule des IPM.

In diesem Artikel entwerfen wir für den von uns verwendeten Thyristor eine experimentelle Ansteuerschaltung und stoppen den eigentlichen Test, um zu beweisen, dass er den Thyristor ansteuern kann. In Bezug auf den IGBT-Antrieb werden in diesem Artikel hauptsächlich die aktuellen Haupttypen von IGBT-Antrieben sowie die entsprechende Antriebsschaltung und der am häufigsten verwendete Optokoppler-Isolationsantrieb zum Stoppen des Simulationsexperiments vorgestellt.

2. Untersuchung der Thyristor-Ansteuerschaltung Im Allgemeinen sind die Betriebsbedingungen des Thyristors:

(1) Der Thyristor akzeptiert die umgekehrte Anodenspannung. Unabhängig davon, welche Art von Spannung das Gate akzeptiert, befindet sich der Thyristor im ausgeschalteten Zustand.

(2) Der Thyristor akzeptiert die Vorwärtsanodenspannung. Nur wenn das Gate eine positive Spannung akzeptiert, ist der Thyristor eingeschaltet.

(3) Der Thyristor befindet sich im Leitungszustand, nur eine bestimmte positive Anodenspannung, unabhängig von der Gate-Spannung, besteht der Thyristor auf Leitung, das heißt, nach der Leitung des Thyristors geht das Gate verloren. (4) Der Thyristor befindet sich im leitenden Zustand. Wenn die Spannung (oder der Strom) des Hauptstromkreises auf nahezu Null sinkt, schaltet sich der Thyristor ab. Wir wählen den Thyristor TYN1025, seine Spannungsfestigkeit beträgt 600 V bis 1000 V, der Strom beträgt bis zu 25 A. Es erfordert eine Gate-Treiberspannung von 10 V bis 20 V und einen Treiberstrom von 4 mA bis 40 mA. und sein Erhaltungsstrom beträgt 50 mA, der Motorstrom beträgt 90 mA. entweder DSP- oder CPLD-Triggersignalamplitude bis zu 5 V. Zuerst wird die Amplitude von 5 V in 24 V umgewandelt und dann über einen 2:1-Trenntransformator das 24-V-Triggersignal in ein 12-V-Triggersignal umgewandelt, während die Funktion der oberen und unteren Spannungsisolation vervollständigt wird.

Experimenteller Schaltungsentwurf und -analyse

Zunächst die Boost-Schaltung, aufgrund der Trenntransformatorschaltung in der Hinterstufe desMOSFETDas Gerät benötigt ein 15-V-Triggersignal. Daher muss zunächst das 5-V-Triggersignal in ein 15-V-Triggersignal umgewandelt, das 5-V-Signal über den MC14504 in ein 15-V-Signal umgewandelt und dann über den CD4050 am Ausgang des 15-V-Antriebssignals geformt werden, Kanal 2 ist mit dem 5V-Eingangssignal verbunden, Kanal 1 ist mit dem Ausgang verbunden. Kanal 2 ist mit dem 5V-Eingangssignal verbunden, Kanal 1 ist mit dem Ausgang verbunden des 15V-Triggersignals.

Der zweite Teil ist die Trenntransformatorschaltung. Die Hauptfunktion der Schaltung besteht darin, das 15-V-Triggersignal in ein 12-V-Triggersignal umzuwandeln, um die Rückseite des Thyristors auszulösen und das 15-V-Triggersignal und den Abstand zwischen der Rückseite zu erstellen Bühne.

Das Funktionsprinzip der Schaltung ist: aufgrund derMOSFETDie Antriebsspannung des IRF640 beträgt 15 V. Daher wird zunächst in J1 auf ein 15-V-Rechtecksignal zugegriffen und über den Widerstand R4 mit dem Regler 1N4746 verbunden, damit die Triggerspannung stabil ist, aber auch, damit die Triggerspannung nicht zu hoch wird , verbrannter MOSFET, und dann zum MOSFET IRF640 (tatsächlich ist dies eine Schaltröhre, die das hintere Ende des Öffnens und Schließens steuert. Steuern Sie das hintere Ende des Ein- und Ausschalten), nachdem das Tastverhältnis des Antriebssignals gesteuert wurde, um die Ein- und Ausschaltzeit des MOSFET steuern zu können. Wenn der MOSFET offen ist, entspricht dies der Masse seines D-Pols. Aus, wenn er offen ist, entspricht die Back-End-Schaltung 24 V. Und der Transformator führt die Spannungsänderung durch, um das rechte Ende des 12-V-Ausgangssignals zu erzeugen . Das rechte Ende des Transformators wird an eine Gleichrichterbrücke angeschlossen und dann wird das 12-V-Signal vom Anschluss X1 ausgegeben.

Während des Experiments aufgetretene Probleme

Als der Strom eingeschaltet wurde, brannte zunächst plötzlich die Sicherung durch, und später stellte sich bei der Überprüfung des Schaltkreises heraus, dass es ein Problem mit dem ursprünglichen Schaltkreisentwurf gab. Um die Wirkung seines Schaltröhrenausgangs zu verbessern, wird zunächst die 24-V-Masse- und 15-V-Massetrennung, die den Gate-G-Pol des MOSFETs der Rückseite des S-Pols entspricht, aufgehoben, was zu Fehlauslösungen führt. Die Behandlung besteht darin, die 24-V- und 15-V-Masse miteinander zu verbinden und das Experiment erneut zu stoppen. Die Schaltung funktioniert normal. Die Schaltungsverbindung ist normal, aber wenn das Antriebssignal, die MOSFET-Wärme und das Antriebssignal für einen bestimmten Zeitraum verwendet werden, wird die Sicherung durchgebrannt, und wenn dann das Antriebssignal hinzugefügt wird, wird die Sicherung direkt durchgebrannt. Überprüfen Sie die Schaltung und stellen Sie fest, dass das hohe Tastverhältnis des Antriebssignals zu groß ist, was dazu führt, dass die Einschaltzeit des MOSFET zu lang ist. Das Design dieser Schaltung sorgt dafür, dass bei geöffnetem MOSFET 24 V direkt an die Enden des MOSFET angelegt werden und kein Strombegrenzungswiderstand hinzugefügt wird. Wenn die Einschaltzeit zu lang ist, um den Strom zu groß zu machen, kann der MOSFET beschädigt werden. Die Notwendigkeit, das Tastverhältnis des Signals zu regulieren, darf nicht zu groß sein, im Allgemeinen etwa 10 bis 20 %.

2.3 Überprüfung der Antriebsschaltung

Um die Machbarkeit der Ansteuerschaltung zu überprüfen, treiben wir damit die in Reihe geschalteten Thyristorschaltungen an, schalten die Thyristoren miteinander in Reihe und schalten sie dann antiparallel, um mit induktiver Reaktanz auf die Schaltung und die Stromversorgung zuzugreifen ist eine 380-V-Wechselspannungsquelle.

Der MOSFET in dieser Schaltung steuert das Triggersignal der Thyristoren Q2 und Q8 über G11 und G12, während Q5 und Q11 das Triggersignal über G21 und G22 steuern. Bevor das Ansteuersignal auf der Gate-Ebene des Thyristors empfangen wird, wird das Gate des Thyristors mit einem Widerstand und einem Kondensator verbunden, um die Entstörungsfähigkeit des Thyristors zu verbessern. Dieser Stromkreis wird mit der Induktivität verbunden und dann in den Hauptstromkreis geschaltet. Nach der Steuerung des Leitungswinkels des Thyristors, um die große Induktivität in den Hauptstromkreis zu steuern, beträgt der Phasenwinkel des oberen und unteren Stromkreises des Triggersignals eine halbe Periode, die oberen G11 und G12 sind ein Triggersignal Durch die Ansteuerschaltung sind die vorderen Stufen des Trenntransformators voneinander isoliert, und die unteren G21 und G22 sind auf die gleiche Weise vom Signal isoliert. Die beiden Triggersignale lösen die positive und negative Leitung des antiparallelen Thyristorkreises aus, über dem 1-Kanal ist die Spannung mit der gesamten Thyristorschaltung verbunden, in der Thyristorleitung wird sie 0, und 2, 3-Kanal ist mit der Thyristorschaltung nach oben und unten verbunden Bei den Straßentriggersignalen wird im 4. Kanal der Fluss des gesamten Thyristorstroms gemessen.

2 Kanäle messen ein positives Triggersignal, ausgelöst über der Thyristorleitung, der Strom ist positiv; 3 Kanäle messen ein umgekehrtes Triggersignal, das den unteren Stromkreis der Thyristorleitung auslöst, der Strom ist negativ.

3. IGBT-Antriebsschaltung des Seminars IGBT-Antriebsschaltung hat viele Sonderwünsche, zusammengefasst:

(1) Die Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit des Spannungsimpulses sollte ausreichend groß sein. Beim Einschalten des IGBT wird die steile Gate-Spannung an Gate G und Emitter E zwischen dem Gate addiert, sodass es schnell eingeschaltet wird, um die kürzeste Einschaltzeit zu erreichen und Einschaltverluste zu reduzieren. Bei der IGBT-Abschaltung sollte die Gate-Ansteuerschaltung eine sehr steile Abschaltspannung an der IGBT-Landekante bereitstellen und zwischen Gate G und Emitter E eine geeignete Sperrspannung zwischen IGBT und IGBT bereitstellen, um eine schnelle Abschaltung des IGBT zu ermöglichen, die Abschaltzeit zu verkürzen und zu reduzieren der Abschaltverlust.

(2) Nach der IGBT-Leitung sollten die von der Gate-Ansteuerschaltung bereitgestellte Ansteuerspannung und der Ansteuerstrom eine ausreichende Amplitude für die IGBT-Ansteuerspannung und den IGBT-Ansteuerstrom haben, sodass sich die Ausgangsleistung des IGBT immer in einem gesättigten Zustand befindet. Bei vorübergehender Überlastung sollte die von der Gate-Treiberschaltung bereitgestellte Antriebsleistung ausreichen, um sicherzustellen, dass der IGBT den Sättigungsbereich nicht verlässt und beschädigt wird.

(3) Die IGBT-Gate-Ansteuerschaltung sollte eine positive IGBT-Ansteuerspannung bereitstellen, um den entsprechenden Wert anzunehmen. Insbesondere im Kurzschlussbetriebsprozess der im IGBT verwendeten Geräte sollte die positive Ansteuerspannung auf den erforderlichen Mindestwert eingestellt werden. Die optimale Schaltanwendung der Gate-Spannung des IGBT sollte 10 V bis 15 V betragen.

(4) IGBT-Abschaltvorgang: Die zwischen Gate und Emitter angelegte negative Vorspannung fördert das schnelle Abschalten des IGBT, sollte jedoch nicht zu groß gewählt werden, normalerweise werden -2 V bis -10 V verwendet.

(5) Bei großen induktiven Lasten ist ein zu schnelles Schalten schädlich. Bei großen induktiven Lasten führt das schnelle Ein- und Ausschalten des IGBT zu Hochfrequenz, hoher Amplitude und geringer Breite der Spitzenspannung Ldi / dt , Die Spitze ist nicht leicht zu absorbieren, es kann leicht zu Geräteschäden kommen.

(6) Da der IGBT an Orten mit hoher Spannung verwendet wird, sollte sich der Antriebskreis zusammen mit dem gesamten Steuerkreis im Potenzial einer strengen Isolierung befinden, wie bei der gewöhnlichen Verwendung einer optischen Hochgeschwindigkeitskopplungsisolierung oder einer Transformatorkopplungsisolierung.

Status der Antriebsschaltung

Mit der Entwicklung der integrierten Technologie wird die aktuelle IGBT-Gate-Ansteuerschaltung größtenteils durch integrierte Chips gesteuert. Der Steuermodus besteht immer noch hauptsächlich aus drei Arten:

(1) Typ mit direkter Auslösung, keine galvanische Trennung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen.

(2) Transformatorisolationsantrieb zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen mittels Impulstransformatorisolation, Isolationsspannungspegel bis zu 4000 V.

Es gibt die folgenden drei Ansätze

Passiver Ansatz: Der Ausgang des Sekundärtransformators wird verwendet, um den IGBT direkt anzutreiben. Aufgrund der Einschränkungen des Volt-Sekunden-Ausgleichs ist er nur an Orten anwendbar, an denen sich das Tastverhältnis nicht wesentlich ändert.

Aktive Methode: Der Transformator liefert nur isolierte Signale. In der sekundären Kunststoffverstärkerschaltung zum Ansteuern des IGBT ist die Antriebswellenform besser, es muss jedoch eine separate Hilfsstromversorgung bereitgestellt werden.

Selbstversorgungsmethode: Impulstransformator wird verwendet, um sowohl Antriebsenergie als auch Hochfrequenzmodulations- und Demodulationstechnologie zur Übertragung von Logiksignalen zu übertragen, unterteilt in Selbstversorgungsansatz vom Modulationstyp und Selbstversorgungsansatz mit Time-Sharing-Technologie, bei dem die Modulation erfolgt -Typ-Selbstversorgungsstrom für die Gleichrichterbrücke zur Erzeugung der erforderlichen Stromversorgung, Hochfrequenzmodulations- und Demodulationstechnologie zur Übertragung logischer Signale.

3. Kontakt und Unterschied zwischen Thyristor und IGBT-Antrieb

Thyristor- und IGBT-Antriebsschaltungen weisen einen ähnlichen Kernunterschied auf. Zunächst müssen die beiden Ansteuerschaltungen das Schaltgerät und die Steuerschaltung voneinander isolieren, um zu verhindern, dass Hochspannungsschaltungen Auswirkungen auf die Steuerschaltung haben. Dann werden beide an das Gate-Ansteuersignal angelegt, um das Schaltgerät einzuschalten. Der Unterschied besteht darin, dass der Thyristorantrieb ein Stromsignal benötigt, während der IGBT ein Spannungssignal benötigt. Nach der Leitung des Schaltgeräts hat das Gate des Thyristors die Kontrolle über die Verwendung des Thyristors verloren. Wenn Sie den Thyristor abschalten möchten, sollten die Thyristorklemmen mit der Sperrspannung verbunden werden. und die IGBT-Abschaltung muss nur dem Gate der negativen Antriebsspannung hinzugefügt werden, um den IGBT abzuschalten.

4. Fazit

Dieses Papier ist hauptsächlich in zwei Teile der Erzählung unterteilt: Der erste Teil besteht aus der Anforderung der Thyristor-Ansteuerschaltung, die Erzählung zu stoppen, dem Entwurf der entsprechenden Ansteuerschaltung und dem Entwurf der Schaltung, der durch Simulation auf die praktische Thyristorschaltung angewendet wird und Experimente, um die Machbarkeit der Antriebsschaltung zu beweisen, der experimentelle Prozess, der bei der Analyse der Probleme aufgetreten ist, wurde gestoppt und behandelt. Der zweite Teil der Hauptdiskussion über den IGBT befasst sich mit der Anforderung der Ansteuerschaltung und führt auf dieser Grundlage die derzeit häufig verwendete IGBT-Ansteuerschaltung und die Hauptansteuerschaltung mit Optokoppler-Isolation weiter ein, um die Simulation und das Experiment zu stoppen und zu beweisen Machbarkeit der Antriebsschaltung.