Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Jak działa sterownik bramek MOSFET-a z obwodem przyspieszania wyłączenia?

Zdecydowanie najpopularniejsze są transoptory, które jako fotoelement wykorzystują fototranzystory albo fotodiody spolaryzowane zaporowo. I jedne, i drugie po oświetleniu zaczynają przewodzić prąd, ale do ich działania potrzebne jest zewnętrzne źródło napięcia. W przeciwieństwie do tego mało na razie popularne transoptory z fotodiodami pracującymi w roli ogniw słonecznych, a ściślej jako ogniwa fotowoltaiczne, same wytwarzają napięcie (i prąd), a więc nie potrzebują zewnętrznego zasilania. Mogą być wykorzystane między innymi do wysterowania bramek tranzystorów MOSFET.
Article Image

Ponieważ pojedyncza fotodioda krzemowa (jedno fotoogniwo) wytwarza napięcie około 0,5V, w tego rodzaju transoptorach z reguły w szereg łączonych jest kilkanaście tak pracujących fotodiod. Napięcie 5V lub wyższe całkowicie wystarcza do otwarcia współczesnych MOSFET-ów o niskim napięciu progowym bramki. Kilkanaście połączonych w szereg fotodiod bez problemu zapewnia napięcie potrzebne do otwarcia MOSFET-a. Pozostaje jednak problem szybkości.

Wiemy, że nawet MOSFET-y dużej mocy można włączyć lub wyłączyć w ciągu kilkudziesięciu nanosekund. Transoptory są zdecydowanie powolniejsze. Nawet transoptory z fototranzystorami i fotodiodami spolaryzowanymi wstecznie są uważane za elementy powolne, a czasy przełączania popularnych i tanich wersji sa rzędu mikrosekund. W ramach rozwiązania tego zadania konkursowego analizujemy działanie transoptorów z fotodiodami pracującymi w trybie fotowoltaicznym i mamy do czynienia z czasami przełączania rzędu... nie nanosekund, nie mikrosekund, tylko milisekund.

Oczywiście w wielu zastosowaniach duża szybkość przełączania nie jest wcale konieczna, więc bardzo powolne transoptory fotowoltaiczne okazują się bardzo interesującymi i pożytecznymi elementami. Trzeba jednak rozumieć problem i związane w tym ograniczenia. Analizę trzeba zacząć od tego, że diody nadawcze LED w większości transoptorów pracują przy prądach 5...20mA, a prądy rzędu 50mA są górną dopuszczalną granicą.

Oznacza to, że dioda LED wytwarza promieniowanie świetlne o niedużej mocy. Część tego światła wewnątrz transoptora ulega rozproszeniu i pochłonięciu, więc do fotodiod dociera niewiele energii świetlnej. Sprawność energetyczna fotodiod w trybie fotowoltaicznym jest nieduża, dlatego na wyjściu otrzymujemy niewiele energii. Napięcie wyjściowe jest rzędu kilku woltów, a prąd rzędu mikroamperów.

Rys.C Gwarantowana wydajność prądowa dla transoptora Toshiba TLP3905

Jak pokazuje rysunek C, dla transoptora Toshiba TLP3905 gwarantowana wydajność prądowa (przy zwarciu wyjścia) wynosi tylko 5uA! I już widać pierwszy problem: tranzystory MOSFET dużej mocy mają dużą pojemność wejściową (duży wymagany ładunek gate charge). Gdy chcemy włączyć, otworzyć tranzystor MOSFET, to musimy przeładować jego wewnętrzne pojemności. Jeżeli prąd tego przeładowywania będzie maleńki, to czas przełączania będzie długi.

Przykładowo popularne tranzystory IRF3205 mają pojemność wejściową około 3,25nF i przejściową nieco ponad 200pF. Ich ładunek Qgs wynosi maksymalnie 35nC, a Qgd maksymalnie 55nC. Proste szacunki wskazują, że jeżeli spróbujemy włączyć taki tranzystor za pomocą fotoogniwa zachowującego się jak źródło prądowe o wydajności tylko 5 mikroamperów, to czas opóźnienia wyniesie około 7 milisekund, a czas samego przełączania około 11 milisekund!

Gdy tranzystor zostanie całkowicie przełączony, prąd bramki MOSFET- a przestanie płynąć. Ogniwa fotowoltaiczne będą nieobciążone i wytworzą maksymalne możliwe napięcie (ponad 7V).

Zdecydowanie gorzej jest z wyłączeniem. Jeżeli przerwiemy prąd w diodzie LED transoptora, to na pewno nie będzie płynął prąd fotodiod, który zresztą wcześniej już tam nie płynął.

MOSFET pozostanie włączony, ponieważ jego wewnętrzne pojemności nie mogą się rozładować przez łańcuch kilkunastu nieoświetlonych fotodiod.

Bez jakiegoś dodatkowego obwodu raz włączony MOSFET pozostałby trwale włączony.

Najprostszym rozwiązaniem problemu jest dodanie rezystora rozładowującego według rysunku D.

Rys.D Schemat dodania rezystora rozładowującego do układu z MOSFETem

Tak, ale podkrada on cenny prąd przy włączaniu, dlatego musi mieć dużą wartość. Przy napięciu 5V przez rezystor 1MΩ popłynie prąd 5uA, więc w omawianym przypadku TLP3904 taki rezystor rozładowujący pobrałby cały gwarantowany prąd 5uA wytwarzany przez fotoogniwa, a to znacznie spowolniłoby otwieranie MOSFET- a.

Podana analiza prowadzi do bardzo pesymistycznych wniosków, niemniej w katalogu TLP3904 można znaleźć charakterystyki pokazane na rysunku E, które świadczą, że w praktyce nie jest aż tak źle. W każdym razie aby polepszyć sytuację, należałoby zastosować albo rezystor o wyższym nominale, albo użyć transoptora o lepszej wydajności prądowej, np. TLP3914 o gwarantowanym prądzie wyjściowym 20uA.

Rys.E Charakterystyki TLP3904

Można też wykorzystać tego rodzaju transoptor z wbudowanym wewnętrznym rezystorem (rysunek F), na przykład TLP191B lub TLP591B, które mają lepsze parametry.

Użycie rezystora rozładowującego jest najprostszym rozwiązaniem, ale nieoptymalnym właśnie dlatego, że z uwagi na podkradanie prądu musi on mieć stosunkowo dużą wartość, rzędu megaoma. W praktyce oznacza to, że prąd rozładowujące będzie mały, a czas wyłączania długi - zwykle dłuższy od czasu włączania.

Rys.F Transoptor z wbudowanym wewnętrznym rezystorem

Podczas włączania rezystor taki nie jest potrzebny i warto byłoby go usunąć, by nie wydłużać czasu włączania. Taki rezystor o jak najmniejszej wartości należałoby dołączać tylko na czas wyłączania albo na cały czas, gdy MOSFET ma być wyłączony. I właśnie takie działanie ma układ z rysunku B.

Widzimy tu tranzystor MOSFET, ale nie zwykły, najpopularniejszy, tylko z kanałem zubożanym (depletion mode), czyli normalnie zatkany. W nocie aplikacyjnej Infineon (International Rectifier) AN-1017 omawiającej transoptory fotowoltaiczne (PhotoVoltaic Isolator - PVI) można znaleźć schemat wewnętrzny, pokazany na rysunku G.

Rys.G Schemat wewnętrzny transoptora fotowoltaicznego

W kartach katalogowych niektórych transoptorów można znaleźć informację, że zawierają one obwód przyśpieszający wyłączanie, ale bez podania szczegółów, jak jest zbudowany. Rysunek H pochodzi z karty katalogowej transoptora TLP3906 i zawiera tylko informacje o znaczącym przyspieszeniu wyłączania.

Rysunek J to fragmenty pierwszej strony karty katalogowej półprzewodnikowego przekaźnika Vishay VOM1271 ze szkicowo zaznaczonym obwodem przyspieszania wyłączenia.

W tej samej karcie katalogowej można też znaleźć schemat z rysunku K, pokazujący, jak można dodać zewnętrzny obwód przyspieszający wyłączanie z tranzystorem JFET, w tym przypadku JFET P. W innych źródłach można znaleźć takie rozwiązanie z normalnie otwartym tranzystorem JFET N.

Rys.H Rysunek z karty katalogowej transoptora TLP3906

Rysunki B, G i K realizują tę samą ideę, która wydaje się oczywista: pojawienie się napięcia z szeregu fotodiod wyłącza tranzystor, zatyka go, a gdy fotodiody nie wytwarzają napięcia, to włącza się, otwiera tranzystor i to on zwiera pojemności wejściowe współpracującego MOSFET-a, znakomicie przyśpieszając wyłączanie - zatykanie MOSFET-a (lub dwóch MOSFET-ów włączonych szeregowo-przeciwsobnie).

W rzeczywistości o stanie tranzystora przyśpieszającego decyduje nie tyle napięcie wytwarzane przez fotodiody, tylko wytwarzany przez nie prąd. A jeszcze dokładniej, decyduje o tym spadek napięcia na włączonej tam rezystancji między bramką i źródłem tranzystora przyśpieszającego.

Najłatwiejsza do analizy jest sytuacja przy wyłączaniu, gdy fotodiody przestają wytwarzać prąd. Przez szeregowy rezystor prąd nie płynie, napięcie UGS tranzystora staje się równe zeru i ten tranzystor w pełni się otwiera, a prąd z naładowanej wcześniej pojemności współpracującego MOSFET- a płynie między drenem i źródłem tranzystora przyśpieszającego.

To jest jasne. Zdecydowanie mniej jasna jest sytuacja przy włączaniu. Jeden ze stałych uczestników słusznie napisał:

Układ jest sterownikiem (driver) MOSFET-ów dużej mocy, który zapewnia galwaniczną izolację oraz nie wymaga dodatkowego zasilania układu bramki MOSFET- a (to zasilanie dostarcza zespół fotodiod). AB to wejście sygnału sterującego, zaś CD to wyjście sterujące obciążeniem, którym jest obwód bramki MOSFET-a dużej mocy. Obwody AB i CD są galwaniczne odizolowane. FD1 do FDN to zestaw fotodiod, które wytwarzają napięcie, gdy pada na nie światło z diody LED.

W obwodzie wyjściowym jest MOSFET z kanałem N zubożonym, który normalnie jest włączony i wyłącza się po przyłączeniu ujemnego napięcie UGS.

W pierwszym momencie po włączeniu napięcie z fotodiod daje prąd płynący przez ten włączony MOSFET i rezystor R. Spadek napięcia na nim tworzy ujemne napięcie UGS, które wyłącza ten zubożony MOSFET, dzięki czemu pełne napięcie z fotodiod przenosi się na sterowany zewnętrzny MOSFET (ładując jego wewnętrzną pojemność) (...)

Jak najbardziej: w pierwszej chwili po zaświeceniu diody LED pomocniczy MOSFET zubożany, oznaczony T, jest otwarty, przewodzi, ale prąd płynący przezeń i przez rezystor R momentalnie go zatyka. Wtedy cały prąd wytwarzany przez fotoogniwa zaczyna ładować pojemność wejściową zewnętrznego MOSFET-a. Cały prąd fotodiod staje się prądem bramki zewnętrznego MOSFET-a. Już wiemy, że ten prąd jest malutki, od kilku do najwyżej kilkudziesięciu mikroamperów, więc czas ładowania pojemności wejściowych zewnętrznego MOSFET- a jest stosunkowo długi, rzędu jednej milisekundy lub więcej.

Rys.J Karta katalogowa półprzewodnikowego przekaźnika Vishay 

To jasne, tylko co stanie się, gdy obwód bramki tego zewnętrznego MOSFET-a się naładuje i zostanie on otwarty? Przecież wtedy przestanie tam płynąć prąd bramki...

Ten szczegół nie był jasny dla znacznej części uczestników. Otóż zespół oświetlonych fotodiod oczywiście cały czas będzie wytwarzał napięcie (5...10V), a fotodiody nie muszą być obciążone prądem. Niektórzy uczestnicy chyba doszli do wniosku, że po naładowaniu pojemności zewnętrznego MOSFET-a i jego otwarciu, gdy przestanie płynąć prąd jego bramki, tranzystor ten szybko się wyłączy, wspomagany przez otwierany wtedy zubożony MOSFET T.

Rys.K Schemat pokazujący, jak można dodać zewnętrzny obwód przyspieszający wyłączanie z tranzystorem JFET 

Coś tu nie pasuje...

Istotnie, gdy zewnętrzny MOSFET się otworzy, wtedy przestanie płynąć prąd jego bramki. Ale tranzystor ten się nie wyłączy! Owszem, gdy prad w obwodzie bramki zewnętrznego MOSFET-a zacznie maleć, wtedy zacznie się otwierać pomocniczy zubożony MOSFET przyśpieszający, ale nie otworzy się on w pełni, tylko częściowo. Wytworzy się nowy stan równowagi. Pomocniczy MOSFET zubożony otworzy się tylko na tyle, żeby przezeń przepłynął taki niewielki prąd, który wytworzy na rezystorze szeregowym R potrzebny do tego spadek napięcia.

Konkretne wartości będą zależeć od wartości jego napięcia odcięcia UGS(OFF) oraz od wartości rezystancji R. W każdym razie w tym stanie równowagi fotodiody będą wytwarzać napięcie utrzymujące zewnętrzny tranzystor w stanie otwarcia, a pomocniczy MOSFET zubożany będzie otwarty tylko częściowo, więc nie będzie zwarciem, tylko jakąś rezystancją (zapewne o wartości większej niż rezystancja R).

Takie jest działanie obwodu przyśpieszającego wyłączanie zrealizowanego z tranzystorem normalnie przewodzącym: zubożanym MOSFET albo JFET. Takie rozwiązania są stosowane, ale nie są to jedyne aktywne sposoby przyspieszania wyłączania.

Rysunek L pochodzi z karty katalogowej transoptora Avago ACPL-K30T (Automotive Photovoltaic MOSFET Driver with R2CouplerTM Isolation).

Tu też mamy układ przyśpieszający wyłączanie, ale zawierający wyłącznie klasyczne tranzystory bipolarne, normalnie zatkane. Tylko na pierwszy rzut oka wydaje się, że nie mogą się one otworzyć przy wyłączaniu. Mogą! Kluczową rolę odgrywają tranzystory Q3, Q4, które tworzą strukturę tyrystorową. Najogólniej biorąc, można stwierdzić, że dzięki dużemu wzmocnieniu tych tranzystorów i ich prądom zerowym, struktura tyrystorowa bardzo chętnie się włącza. Doświadczamy tego, budując taki obwód z pojedynczych tranzystorów i aby zapobiec skłonności do włączania - zatrzaskiwania takiego tyrystora, włączamy dwa rezystory między bazę i emiter tranzystorów.

Rys.L Transoptor Avago ACPL-K30T

W układzie z rysunku L jest podobnie, tylko zamiast rezystorów włączone są fototranzystory. Gdy taki transoptor zostaje włączony, zaświeca się dioda LED, oświetla 12 fotodiod - fotoogniw. Te wytwarzają napięcie i prąd. Dioda LED oświetla też dwa fototranzystory Q1, Q2, które oświetlone przewodzą prąd i zwierają złącza baza-emiter tranzystorów Q3, Q4, gwarantując, że struktura tyrystorowa pozostanie zablokowana - nieprzewodząca.

Cały prad wytwarzany przez fotodiody będzie ładował pojemność wejściową zewnętrznego MOSFET-a (MOSFET-ów). Gdy pojemność ta zostanie naładowana, prąd fotodiod po prostu przestanie płynąć, ale będą one wytwarzać napięcie. Oświetlone fototranzystory Q1, Q2 będą utrzymywać Q3, Q4 w stanie zatkania.

Gdy zgaśnie dioda LED, fotodiody wprawdzie przestaną wytwarzać napięcie, ale napięcie bramki nie zaniknie natychmiast, bo naładowane będą pojemności wejściowe zewnętrznego MOSFET-a, które trzeba szybko rozładować. Szybkie rozładowanie zapewni struktura tyrystorowa Q3, Q4, która wtedy się włączy. Umożliwią to nieprzewodzące już fototranzystory Q1, Q2 i prawdopodobnie także prąd, jaki popłynie przez rezystancję upływu rządka fotodiod, która to rezystancja jest włączona między bazami tranzystorów Q3, Q4.

W każdym razie zgaśniecie diody LED spowoduje zadziałanie - przewodzenie struktury tyrystorowej i błyskawiczne rozładowanie pojemności zewnętrznego MOSFET- a, a więc jego szybkie wyłączenie. Według karty katalogowej, typowy czas wyłączania ACPL-K30T wynosi tylko 40 mikrosekund. Natomiast czas włączania jest znacznie dłuższy: typowo 0,8ms przy ILED = 10mA, CL = 1nF, ponieważ wyznaczony jest on przez malutki fotoprąd wytwarzany przez fotodiody.

Rys.M Sterownik IXYS CPC1580 - dwa komplementarne tranzystory bipolarne

Należy podkreślić, że tego rodzaju galwanicznie izolowane transoptory - drajwery MOSFET-ów (i tranzysotrów IGBT) są bardzo wygodne w użyciu, bo nie wymagają dodatkowego, izolowanego źródła zasilania w obwodzie bramki. Napięcie potrzebne do przełączania MOSFET-a wytwarzają fotodiody. Takie sterowniki są jednak bardzo powolne i nie ma prostego sposobu, żeby znacząco przyspieszyć włączanie.

Włączanie można przyspieszyć w niektórych zastosowaniach, gdzie przełączane są niezbyt duże napięcia. Transoptor - sterownik IXYS CPC1580 oprócz łańcucha fotodiod zawiera też dwa komplementarne tranzystory bipolarne według (zapewne nieco uproszczonego) rysunku M. Na kondensatorze CST napięcie może sięgać do +65V, ale na bramkę MOSFET-a podawane jest tylko napięcie wytwarzane przez fotodiody, przechodzące przez górny tranzystor NPN pracujący jako wtórnik - typowo 8V...9V.

Według katalogu, czasy włączania MOSFET-a Q1 są rzędu kilku do kilkunastu mikrosekund, ale czasy wyłączania znacząco dłuższe: 150...200us. Dalsze szczegóły zawarte są w karcie katalogowej CPC1580. Można tam znaleźć inne aplikacje oraz dokładniejszy opis.

Rys.N Toshiba TLP5701 o schemacie blokowym 

Naprawdę dużą szybkość i czasy przełączania rzędu kilkudziesięciu nanosekund można uzyskać, stosując inne szybkie transoptory, które jednak wymagają zasilania napięciem stałym po stronie MOSFET-a, napięciem pochodzącym z izolowanego źródła. Fotodiody nie pracują tam w trybie fotowoltaicznym, tylko są polaryzowane zaporowo zewnętrznym napięciem. Jest wiele takich szybkich sterowników. Przykładem może być Toshiba TLP5701 o schemacie blokowym pokazanym na rysunku N.

Jeżeli chodzi o nadesłane rozwiązania, to wszystkie bez wyjątku były prawidłowe. Oczywiście nie wszyscy opisali jego działanie co do najdrobniejszego szczegółu, a niektóre opisy były nieścisłe lub niepełne. Najwięcej kłopotów było oczywiście z analizą procesu włączania i z kwestią ciągłej pracy po włączeniu.

Niemniej wszyscy bez wyjątku słusznie stwierdziliście, że jest to obwód sterujący dla tranzystora MOSFET z izolacją galwaniczną.

Niektórzy uczestnicy napisali nawet, z jakiego źródła pochodzi analizowany schemat.

W tym materiale źródłowym nie ma szczegółowego opisu działania takiego sterownika, a przedstawione są aspekty powszechnie znane, dotyczące przełączania klasycznego tranzysotra MOSFET.

Tematyka materiału: MOSFET, fotodioda, transoptor
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich maj 2020
Udostępnij
Oceń najnowsze wydanie EdW
Wypełnij ankietę i odbierz prezent
Czytelnia kategorie
Felietony
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
Komunikacja, RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
Felietony
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
maj 2020
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo
Elektronika dla Wszystkich
Zapisując się na nasz newsletter możesz otrzymać GRATIS
najnowsze e-wydanie magazynu "Elektronika dla Wszystkich"