В ходе проектирования электронного устройства, в котором подразумевается работа полевого транзистора в ключевом режиме, всегда необходимо правильно организовать адекватное управление данным ключом. Понятно, что затвор транзистора должен с определенной периодичностью, в определенные моменты времени, заряжаться и разряжаться.
За периодичность и моменты коммутации отвечает специальная часть схемы устройства, называемая контроллером. За скорость и качество переключения отвечает в свою очередь другая часть схемы - драйвер — он заряжает и разряжает затвор по сигналу получаемому от контроллера. Но как контроллер связывается с драйвером? Всегда ли уместно прямое соединение контроллера и драйвера? Не всегда!
Что если контроллер «сидит» на минусовой шине, а ключ должен (по условию разработки) находиться в изолированной части устройства, да еще и работать в цепи с достаточно высоким напряжением? Кто-то предложит использовать трансформатор управления затвором.
Дело в том, что трансформатор управления затвором подходит далеко не всегда, особенно если требуется получить исключительно правильную форму управляющего импульса на затворе полевого транзистора, тем более если затвор «тяжелый», то есть обладает емкостью в несколько нанофарад.
В лучшем случае к развязывающему трансформатору можно прибегнуть в составе изолированного блока питания драйвера ключа. Но опять же, как передать сигнал драйверу? Вот здесь как нельзя кстати и подойдет оптопара, например 6n137.
Типичная оптопара представляет собой микросхему, внутри которой с одной стороны находится светодиод, а с другой стороны — фототранзистор.
Когда через светодиод внутри оптопары проходит номинальный ток, фототранзистор, расположенный на некотором расстоянии от светодиода, на другой стороне внутри корпуса микросхемы (оптопары), реагирует на свет от светодиода так, словно на его базу подали управляющий сигнал.
Но прямого контакта при этом нет, энергия на «базу» фототранзистора передается фотонами света, не несущими электрического заряда. Поэтому «вход» и «выход» оптопары гальванически развязаны друг от друга, и напряжение изоляции здесь достигает нескольких киловольт. Именно поэтому для управления полевыми транзисторами часто прибегают к использованию оптопар.
Для примера давайте рассмотрим схему управления силовым полевым MOSFET транзистором STW48NM60N с использованием оптопары 6n137M, а в качестве драйвера применим микросхему UCC37321P. В итоге получим возможность управлять данным силовым ключом с помощью сигнала с амплитудой в 5 вольт и с током не более 10 мА.
Допустим, что силовая часть с ключом, драйвер и оптопара получают питание от изолированного блока питания, а контроллер питается отдельно. Главное здесь то, что вход оптопары гальванически изолирован от ее выхода и от цепей питания, а сопротивление изоляции «вход-выход» у оптопары гарантированно составляет как минимум 1000 гигаом.
На приведенной схеме изображен наш пример (для увеличенич нажмите на рисунок). Батареями показаны изолированные источники питания оптопары, драйвера и силовой части. На входе оптопары последовательно установлен резистор на 320 Ом, ограничивающий ток через внутренний светодиод оптопары значением в 10 мА (согласно даташиту на оптопару, падение напряжения на ее внутреннем светодиоде составляет 1,8 В при 10 мА). Источник управляющего сигнала имеет амплитуду 5 вольт относительно уровня нуля («земли»).
Выходная часть оптопары имеет управляющий вход включения — вывод 7, который сразу присоединен к источнику питания оптопары, чтобы она могла работать. Вывод 6 оптопары — это открытый коллектор фототранзистора, в цепь которого включен резистор номиналом 350 Ом.
Схема управления транзистором через оптопару работает так. Когда на входе оптопары положительный сигнал (напряжение высокого уровня), внутренний светодиод излучает свет; фототранзистор на ее выходе переходит в проводящее состояние, и подтягивает резистор 350 Ом к минусовой шине.
Падение напряжения на фототранзисторе (напряжение на 6 выводе оптопары) при этом становится 0,8 вольт. Данное напряжение в 0,8 вольт воспринимается входом драйвера (2 ножка драйвера) как напряжение низкого уровня.
А поскольку драйвер UCC37321P является инвертирующим, то на его выходе от этого действия устанавливается напряжение высокого уровня, которое оказывается в этот момент приложено к затвору транзистора (через токоограничительный резистор 1,5 Ом), и приводит к его отпиранию.
3 вывод драйвера — это вывод его «включения», он сразу присоединен к шине питания драйвера, чтобы драйвер мог работать.
Когда же на входе оптопары отрицательный сигнал (напряжение низкого уровня), внутренний светодиод не излучает свет, фототранзистор на выходе оптопары переходит в запертое состояние, и через резистор 350 Ом питание подается от источника питания оптопары - на 2 ножку драйвера как напряжение высокого уровня.
А поскольку драйвер UCC37321P является инвертирующим, то на его выходе от этого действия устанавливается напряжение низкого уровня, что приводит к разрядке затвора силового транзистора и к его запиранию.
Смотрите также: Выбор драйвера для MOSFET (пример расчета по параметрам)
Андрей Повный
