Трансформаторные ФИУ для ключей с изолированным затвором

В ключевых приборах с изолированным затвором (МДП-транзисторы, IGBT, МСТ) потери во входной цепи минимальны. Поэтому импульсные трансформаторы применяются в высокочастотных схемах мостовой конфигурации или в схемах с заземленной нагрузкой [3]. Схема подключения трансформаторного ФИУ представлена на рис. 2.14.

Рис. 2.14

Основными проблемами применения трансформаторных ФИУ для ключей с изолированным затвором являются:

1. Зависимость амплитуды импульса управления от скважности.

При использовании импульсного трансформатора площади положительной и отрицательной части сигнала (рис. 2.15) При открытом и закрытом ключе равны друг другу. При увеличении длительности прямого сигнала происходит уменьшение его амплитуды. Увеличение скважности более чем на 30% приводит к снижению амплитуды напряжения управления с 15 В до 12 В, что является пределом для ключей с изолированным затвором. Расширить диапазон скважности за счет увеличения напряжения питания ФИУ ограничены амплитудой 20 В максимально допустимой для изолированных затворов.

Рис. 2.15

2. Ограничение максимальной и минимальной длительности передаваемого сигнала.

Возможность магнитного насыщения сердечника трансформатора ограничивает максимальную длительность передаваемого сигнала (не более 100...200 мкс). При очень коротких импульсах (единицы микросекунд) ограничивается скорость нарастания тока в силовом ключе, ухудшается динамика выключения из-за недостаточной энергии, запасенной в обмотках трансформатора.

3. Зависимость стабильности времени выключения от длительности прямого сигнала. Эта проблема также связана с изменением мощности запирающего сигнала от длительности открытого состояния ключа.

Решение перечисленных проблем осуществляется схемотехническими способами. Снижение тока намагничивания от длительности прямого импульса обеспечивается включением в первичную обмотку трансформатора разделительного конденсатора, выполняющего также функцию дополнительного источника питания при запирании ключа (рис. 2.16).

На рис. 2.17 представлена схема трансформаторного ФИУ, обеспечивающая управление в диапазоне скважности от 1 до 99%. Заряд входной емкости силового ключа обеспечивается в данной схеме через внутренний диод дополнительного транзистора.

Рис. 2.16

Импульсный трансформатор может работать в режиме насыщения, поскольку контур разряда входной емкости при закрытом дополнительном транзисторе отсутствует. При переключении сигнала в первичной обмотке дополнительный ключ отпирается, обеспечивая разряд входной емкости и выключение силового ключа. Дополнительный ключ, отпираемый за счет энергии обратного выброса, обеспечивает в схеме на рис. 2.18 постоянство времени выключения силового транзистора даже при значительном изменении ширины прямого импульса управления. Импульсный трансформатор эффективно используется в схеме управления трехфазным мостовым инвертором для двигателя переменного тока (рис. 2.19).

Пакеты управляющих импульсов частотой 3 МГц выделяются на выходе логической схемы «И» и через эмиттерный повторитель и разделительный конденсатор поступают на первичную обмотку импульсного трансформатора. Пакет представляет собой результат логического перемножения сигнала несущей частоты 3 МГц и ШИМ-сигнала частотой ~ 12...20 кГц, генерируемых с помощью микроконтроллера, управляющего работой преобразователя. Далее управляющий пакет выпрямляется на вторичной стороне ФИУ и используется для управления силовым ключом. Для надежного запирания ключа используется дополнительный р-n-р-транзистор, аналогично рассмотренной схеме на рис. 2.18. Осциллограммы импульса управления показаны на рис. 2.20.

Рис. 2.17

Рис. 2.18

Рис. 2.19

Рис. 2.20

Высокая частота передаваемого пакета, а также низкая мощность, потребляемая во входной цепи ключей с изолированным затвором, позволяют использовать импульсный трансформатор очень малых размеров. В приведенной схеме управления, используется тороидальный сердечник с площадью поверхности 3 см², весом 1 г.