ما هو مبدأ دائرة القيادة لدوائر MOSFET عالية الطاقة؟

نفس MOSFET عالي الطاقة، فإن استخدام دوائر محرك مختلفة سيحصل على خصائص تبديل مختلفة. إن استخدام الأداء الجيد لدائرة القيادة يمكن أن يجعل جهاز تبديل الطاقة يعمل في حالة تبديل مثالية نسبيًا، مع تقصير وقت التبديل وتقليل خسائر التبديل، كما أن تثبيت كفاءة التشغيل والموثوقية والسلامة له أهمية كبيرة. لذلك، فإن مزايا وعيوب دائرة القيادة تؤثر بشكل مباشر على أداء الدائرة الرئيسية، وتتزايد أهمية ترشيد تصميم دائرة القيادة. الثايرستور صغير الحجم، خفيف الوزن، كفاءة عالية، عمر طويل، سهل الاستخدام، يمكنه إيقاف المقوم والعاكس بسهولة، ولا يمكن تغيير هيكل الدائرة تحت فرضية تغيير حجم المقوم أو تيار العاكس. IGBT مركب جهازموسفيتوGTR، التي تتميز بخصائص سرعة التبديل السريعة، والثبات الحراري الجيد، وقوة القيادة الصغيرة ودائرة القيادة البسيطة، ولها مزايا انخفاض الجهد الصغير على الحالة، والجهد العالي التحمل والتيار العالي القبول. IGBT كجهاز إخراج طاقة رئيسي، خاصة في الأماكن عالية الطاقة، تم استخدامه بشكل شائع في فئات مختلفة.

 

يجب أن تستوفي دائرة القيادة المثالية لأجهزة تحويل MOSFET عالية الطاقة المتطلبات التالية:

(1) عندما يتم تشغيل أنبوب تبديل الطاقة، يمكن أن توفر دائرة القيادة تيارًا أساسيًا سريع الارتفاع، بحيث تكون هناك طاقة قيادة كافية عند تشغيله، وبالتالي تقليل فقد التشغيل.

(2) أثناء توصيل أنبوب التبديل، يمكن للتيار الأساسي الذي توفره دائرة تشغيل MOSFET أن يضمن أن أنبوب الطاقة في حالة توصيل مشبعة تحت أي حالة حمل، مما يضمن فقدان توصيل منخفض نسبيًا. من أجل تقليل وقت التخزين، يجب أن يكون الجهاز في حالة تشبع حرجة قبل إيقاف التشغيل.

(3) إيقاف التشغيل، يجب أن توفر دائرة القيادة محركًا أساسيًا عكسيًا كافيًا لسحب الحاملات المتبقية في منطقة القاعدة بسرعة لتقليل وقت التخزين؛ وإضافة جهد قطع متحيز عكسي، بحيث ينخفض ​​تيار المجمع بسرعة لتقليل وقت الهبوط. وبطبيعة الحال، لا يزال يتم إيقاف تشغيل الثايرستور بشكل رئيسي عن طريق انخفاض جهد الأنود العكسي لإكمال الإغلاق.

في الوقت الحاضر، يتم تشغيل الثايرستور بعدد مماثل من خلال عزل المحول أو optocoupler لفصل نهاية الجهد المنخفض ونهاية الجهد العالي، ثم من خلال دائرة التحويل لدفع توصيل الثايرستور. على IGBT للاستخدام الحالي لمزيد من وحدة محرك IGBT، ولكن أيضًا IGBT متكامل، والصيانة الذاتية للنظام، والتشخيص الذاتي والوحدات الوظيفية الأخرى لـ IPM.

في هذا البحث، بالنسبة للثايرستور الذي نستخدمه، قمنا بتصميم دائرة تشغيل تجريبية، وإيقاف الاختبار الحقيقي لإثبات قدرته على تشغيل الثايرستور. أما بالنسبة لمحرك IGBT، فإن هذه الورقة تقدم بشكل أساسي الأنواع الرئيسية الحالية لمحرك IGBT، بالإضافة إلى دائرة المحرك المقابلة لها، ومحرك عزل optocoupler الأكثر استخدامًا لإيقاف تجربة المحاكاة.

 

2. دراسة دائرة قيادة الثايرستور بشكل عام ظروف تشغيل الثايرستور هي:

(1) يقبل الثايرستور جهد الأنود العكسي، بغض النظر عن قبول البوابة لأي نوع من الجهد، يكون الثايرستور في حالة إيقاف التشغيل.

(2) يقبل الثايرستور جهد الأنود الأمامي، فقط في حالة أن البوابة تقبل جهدًا إيجابيًا يكون الثايرستور قيد التشغيل.

(3) الثايرستور في حالة التوصيل، فقط جهد أنود إيجابي معين، بغض النظر عن جهد البوابة، أصر الثايرستور على التوصيل، أي بعد توصيل الثايرستور، يتم فقدان البوابة. (4) الثايرستور في حالة التوصيل، عندما ينخفض ​​جهد الدائرة الرئيسية (أو التيار) إلى ما يقرب من الصفر، يتم إيقاف الثايرستور. نختار الثايرستور TYN1025، وجهد تحمله هو 600 فولت إلى 1000 فولت، والتيار يصل إلى 25 أمبير. يتطلب جهد محرك البوابة من 10 فولت إلى 20 فولت، وتيار المحرك من 4 مللي أمبير إلى 40 مللي أمبير. وتيار صيانته 50 مللي أمبير ، وتيار المحرك 90 مللي أمبير. يقوم إما DSP أو CPLD بتشغيل سعة الإشارة حتى 5 فولت. أولا وقبل كل شيء، طالما أن سعة 5 فولت إلى 24 فولت، ثم من خلال محول عزل 2:1 لتحويل إشارة الزناد 24 فولت إلى إشارة الزناد 12 فولت، مع استكمال وظيفة عزل الجهد العلوي والسفلي.

تصميم وتحليل الدوائر التجريبية

بادئ ذي بدء، دائرة التعزيز، وذلك بسبب دائرة محول العزل في المرحلة الخلفية منموسفيتيحتاج الجهاز إلى إشارة تشغيل 15 فولت، وبالتالي فإن الحاجة إلى إشارة تشغيل 5 فولت ذات سعة أولية إلى إشارة تشغيل 15 فولت، من خلال إشارة MC14504 5 فولت، وتحويلها إلى إشارة 15 فولت، ثم من خلال CD4050 على إخراج تشكيل إشارة محرك 15 فولت، القناة 2 يتم توصيل القناة 1 بإشارة الإدخال 5 فولت، ويتم توصيل القناة 1 بالإخراج، ويتم توصيل القناة 2 بإشارة الإدخال 5 فولت، ويتم توصيل القناة 1 بإخراج إشارة الزناد 15 فولت.

الجزء الثاني هو دائرة محول العزل، الوظيفة الرئيسية للدائرة هي: إشارة الزناد 15 فولت، تحويلها إلى إشارة الزناد 12 فولت لتحريك الجزء الخلفي من توصيل الثايرستور، والقيام بإشارة الزناد 15 فولت والمسافة بين الخلف منصة.

 

مبدأ عمل الدائرة هو :موسفيتمحرك IRF640 بجهد 15 فولت، لذلك، أولاً وقبل كل شيء، في J1 الوصول إلى إشارة الموجة المربعة 15 فولت، من خلال المقاوم R4 المتصل بالمنظم 1N4746، بحيث يكون جهد الزناد مستقرًا، ولكن أيضًا لجعل جهد الزناد ليس مرتفعًا جدًا ، أحرق MOSFET، ثم إلى MOSFET IRF640 (في الواقع، هذا أنبوب تبديل، التحكم في النهاية الخلفية للفتح والإغلاق. التحكم في النهاية الخلفية للتشغيل وإيقاف التشغيل)، بعد التحكم في دورة العمل لإشارة القيادة، لتتمكن من التحكم في وقت التشغيل وإيقاف التشغيل لـ MOSFET. عندما يكون MOSFET مفتوحًا، أي ما يعادل تأريض D-pole، يتم إيقاف تشغيله عندما يكون مفتوحًا، بعد أن تعادل الدائرة الخلفية 24 فولت. ويقوم المحول من خلال تغيير الجهد بعمل الطرف الأيمن لإشارة الخرج 12 فولت . يتم توصيل الطرف الأيمن للمحول بجسر مقوم، ثم يتم إخراج إشارة 12 فولت من الموصل X1.

المشاكل التي تمت مواجهتها أثناء التجربة

بادئ ذي بدء، عند تشغيل الطاقة، انفجر المصهر فجأة، وبعد ذلك عند فحص الدائرة، وجد أن هناك مشكلة في تصميم الدائرة الأولي. في البداية، من أجل تحسين تأثير إخراج أنبوب التبديل، يتم تعليق الفصل الأرضي 24 فولت والفصل الأرضي 15 فولت، مما يجعل عمود البوابة G الخاص بـ MOSFET مكافئًا للجزء الخلفي من القطب S، مما يؤدي إلى تشغيل خاطئ. العلاج هو توصيل الجهد الأرضي 24 فولت و15 فولت معًا، ومرة ​​أخرى لإيقاف التجربة، تعمل الدائرة بشكل طبيعي. اتصال الدائرة أمر طبيعي، ولكن عند المشاركة في إشارة محرك الأقراص، حرارة MOSFET، بالإضافة إلى إشارة محرك الأقراص لفترة من الوقت، يتم تفجير المصهر، ثم إضافة إشارة محرك الأقراص، يتم تفجير المصهر مباشرة. تحقق من الدائرة ووجد أن دورة التشغيل عالية المستوى لإشارة المحرك كبيرة جدًا، مما يؤدي إلى أن وقت تشغيل MOSFET طويل جدًا. تصميم هذه الدائرة يجعل عند فتح MOSFET، تتم إضافة 24 فولت مباشرة إلى نهايات MOSFET، ولا يتم إضافة مقاوم يحد من التيار، إذا كان وقت التشغيل طويلًا جدًا بحيث يجعل التيار كبيرًا جدًا، مما يؤدي إلى تلف MOSFET، لا يمكن أن تكون الحاجة إلى تنظيم دورة عمل الإشارة كبيرة جدًا، بشكل عام في حدود 10% إلى 20% أو نحو ذلك.

2.3 التحقق من دائرة القيادة

من أجل التحقق من جدوى دائرة القيادة، نستخدمها لتشغيل دائرة الثايرستور المتصلة على التوالي مع بعضها البعض، الثايرستور على التوالي مع بعضها البعض ثم ضد التوازي، الوصول إلى الدائرة بمفاعلة حثية، مصدر الطاقة هو مصدر جهد تيار متردد 380 فولت.

MOSFET في هذه الدائرة، يطلق الثايرستور Q2، Q8 إشارة من خلال الوصول إلى G11 وG12، في حين يقوم Q5، Q11 بإطلاق الإشارة من خلال الوصول إلى G21، G22. قبل وصول إشارة القيادة إلى مستوى بوابة الثايرستور، من أجل تحسين قدرة الثايرستور على مقاومة التداخل، يتم توصيل بوابة الثايرستور بمقاوم ومكثف. يتم توصيل هذه الدائرة بالمحث ثم يتم وضعها في الدائرة الرئيسية. بعد التحكم في زاوية توصيل الثايرستور للتحكم في المحث الكبير في وقت الدائرة الرئيسية، والدوائر العلوية والسفلية لزاوية الطور لفرق إشارة الزناد بمقدار نصف دورة، فإن G11 العلوي وG12 عبارة عن إشارة تشغيل على طول الطريق من خلال دائرة القيادة للمرحلة الأمامية يتم عزل محول العزل عن بعضهما البعض، كما يتم عزل G21 و G22 السفليين أيضًا بنفس طريقة الإشارة. تعمل إشارتا الزناد على تشغيل دائرة الثايرستور المضادة للتوازي، توصيل إيجابي وسالب، فوق القناة 1 يتم توصيلها بجهد دائرة الثايرستور بالكامل، في توصيل الثايرستور يصبح 0، ويتم توصيل 2، 3 قناة بدائرة الثايرستور لأعلى ولأسفل إشارات الزناد الطريق، يتم قياس القناة 4 من خلال تدفق تيار الثايرستور بأكمله.

2 قناة قياس إشارة الزناد الإيجابية، أثار فوق توصيل الثايرستور، والتيار إيجابي؛ 3 قناة قياس إشارة الزناد العكسي، مما أدى إلى الدائرة السفلية لتوصيل الثايرستور، والتيار سلبي.

 

3.دائرة محرك IGBT الخاصة بدائرة محرك IGBT الخاصة بالندوة لديها العديد من الطلبات الخاصة، ملخصة:

(1) يجب أن يكون معدل صعود وهبوط نبضة الجهد كبيرًا بدرجة كافية. عند تشغيل igbt، تتم إضافة الحافة الأمامية لجهد البوابة شديدة الانحدار إلى البوابة G والباعث E بين البوابة، بحيث يتم تشغيلها بسرعة للوصول إلى أقصر وقت تشغيل لتقليل خسائر التشغيل. في إيقاف تشغيل IGBT، يجب أن توفر دائرة محرك البوابة حافة هبوط IGBT بجهد إيقاف شديد الانحدار، وإلى بوابة IGBT G وباعث E بين جهد التحيز العكسي المناسب، بحيث يؤدي إيقاف تشغيل IGBT السريع إلى تقليل وقت إيقاف التشغيل وتقليل خسارة الاغلاق.

(2) بعد توصيل IGBT، يجب أن يكون جهد المحرك والتيار الذي توفره دائرة محرك البوابة سعة كافية لجهد محرك IGBT والتيار، بحيث يكون خرج الطاقة لـ IGBT دائمًا في حالة مشبعة. التحميل الزائد العابر، يجب أن تكون قوة القيادة التي توفرها دائرة تشغيل البوابة كافية لضمان عدم خروج IGBT من منطقة التشبع والتلف.

(3) يجب أن توفر دائرة محرك بوابة IGBT جهد محرك إيجابي IGBT للحصول على القيمة المناسبة، خاصة في عملية تشغيل الدائرة القصيرة للمعدات المستخدمة في IGBT، يجب تحديد جهد المحرك الإيجابي إلى الحد الأدنى من القيمة المطلوبة. يجب أن يكون تطبيق تبديل جهد البوابة لـ IGBT من 10 فولت إلى 15 فولت للأفضل.

(4) عملية إيقاف تشغيل IGBT، الجهد الكهربي السلبي المطبق بين البوابة - الباعث يفضي إلى الإغلاق السريع لـ IGBT، ولكن لا ينبغي أن يكون كبيرًا جدًا، يأخذ عادي -2 فولت إلى -10 فولت.

(5) في حالة الأحمال الحثية الكبيرة، يكون التبديل السريع جدًا ضارًا، والأحمال الحثية الكبيرة في التشغيل والإيقاف السريع لـ IGBT، ستنتج ترددًا عاليًا وسعة عالية وعرضًا ضيقًا لجهد الارتفاع Ldi / dt ، ليس من السهل امتصاص الارتفاع، وسهل التسبب في تلف الجهاز.

(6) نظرًا لاستخدام IGBT في الأماكن ذات الجهد العالي، يجب أن تكون دائرة القيادة مع دائرة التحكم بأكملها في حالة عزلة شديدة، والاستخدام العادي لعزل الاقتران البصري عالي السرعة أو عزل اقتران المحولات.

 

حالة دائرة القيادة

مع تطور التكنولوجيا المتكاملة، يتم التحكم في دائرة تشغيل بوابة IGBT الحالية في الغالب بواسطة شرائح متكاملة. لا يزال وضع التحكم يتكون بشكل أساسي من ثلاثة أنواع:

(1) نوع التشغيل المباشر لا يوجد عزل كهربائي بين إشارات الإدخال والإخراج.

(2) محرك عزل المحولات بين إشارات الإدخال والإخراج باستخدام عزل محول النبض، ومستوى جهد العزل يصل إلى 4000 فولت.

 

هناك 3 طرق على النحو التالي

النهج السلبي: يتم استخدام خرج المحول الثانوي لتشغيل IGBT مباشرة، نظرًا للقيود المفروضة على معادلة فولت ثانية، فإنه ينطبق فقط على الأماكن التي لا تتغير فيها دورة التشغيل كثيرًا.

الطريقة النشطة: يوفر المحول إشارات معزولة فقط، في دائرة مكبر الصوت البلاستيكية الثانوية لقيادة IGBT، يكون شكل موجة المحرك أفضل، ولكن الحاجة إلى توفير طاقة مساعدة منفصلة.

طريقة الإمداد الذاتي: يتم استخدام محول النبض لنقل كل من طاقة المحرك وتقنية التعديل وإزالة التشكيل عالية التردد لنقل الإشارات المنطقية، مقسمة إلى منهج الإمداد الذاتي من نوع التعديل والإمداد الذاتي لتقنية مشاركة الوقت، حيث يتم التعديل - نوع طاقة الإمداد الذاتي لجسر المقوم لتوليد مصدر الطاقة المطلوب وتقنية التعديل وإزالة التشكيل عالية التردد لنقل الإشارات المنطقية.

 

3. الاتصال والاختلاف بين الثايرستور ومحرك IGBT

هناك فرق بين دائرة محرك الثايرستور وIGBT بين المركز المماثل. بادئ ذي بدء، يلزم أن تقوم دائرتا القيادة بعزل جهاز التبديل ودائرة التحكم عن بعضهما البعض، وذلك لتجنب تأثير دوائر الجهد العالي على دائرة التحكم. بعد ذلك، يتم تطبيق كليهما على إشارة محرك البوابة لتشغيل جهاز التبديل. الفرق هو أن محرك الثايرستور يتطلب إشارة حالية، بينما يتطلب IGBT إشارة جهد. بعد توصيل جهاز التبديل، فقدت بوابة الثايرستور السيطرة على استخدام الثايرستور، إذا كنت ترغب في إيقاف الثايرستور، فيجب إضافة أطراف الثايرستور إلى الجهد العكسي؛ ويجب إضافة إيقاف تشغيل IGBT فقط إلى بوابة جهد القيادة السلبي، لإيقاف تشغيل IGBT.

 

4. الاستنتاج

تنقسم هذه الورقة بشكل رئيسي إلى قسمين السرد، الجزء الأول من دائرة قيادة الثايرستور طلب إيقاف السرد، وتصميم دائرة القيادة المقابلة، ويتم تطبيق تصميم الدائرة على دائرة الثايرستور العملية، من خلال المحاكاة والتجريب لإثبات جدوى محرك الدائرة، وتم إيقاف العملية التجريبية التي واجهتها في تحليل المشاكل ومعالجتها. الجزء الثاني من المناقشة الرئيسية حول IGBT بناءً على طلب دائرة القيادة، وعلى هذا الأساس لتقديم المزيد من دائرة محرك IGBT الحالية شائعة الاستخدام، ودائرة محرك عزل optocoupler الرئيسية لإيقاف المحاكاة والتجربة، لإثبات جدوى دائرة القيادة.