Quel est le principe du circuit de commande d'un MOSFET haute puissance ?

Le même MOSFET haute puissance, l'utilisation de différents circuits de commande obtiendra des caractéristiques de commutation différentes. L'utilisation de bonnes performances du circuit de commande peut faire fonctionner le dispositif de commutation de puissance dans un état de commutation relativement idéal, tout en raccourcissant le temps de commutation, en réduisant les pertes de commutation, l'installation de l'efficacité de fonctionnement, de la fiabilité et de la sécurité est d'une grande importance. Par conséquent, les avantages et les inconvénients du circuit de commande affectent directement les performances du circuit principal, la rationalisation de la conception du circuit de commande est de plus en plus importante. Thyristor de petite taille, léger, haute efficacité, longue durée de vie, facile à utiliser, peut facilement arrêter le redresseur et l'onduleur, et ne peut pas modifier la structure du circuit sous prétexte de changer la taille du courant du redresseur ou de l'onduleur. L'IGBT est un composite dispositif deMOSFETet GTR, qui présente les caractéristiques d'une vitesse de commutation rapide, d'une bonne stabilité thermique, d'une faible puissance d'entraînement et d'un circuit d'entraînement simple, et présente les avantages d'une faible chute de tension à l'état passant, d'une tension de tenue élevée et d'un courant d'acceptation élevé. L'IGBT en tant que dispositif de sortie de puissance courant, en particulier dans les endroits à forte puissance, a été couramment utilisé dans diverses catégories.

Le circuit de commande idéal pour les dispositifs de commutation MOSFET haute puissance doit répondre aux exigences suivantes :

(1) Lorsque le tube de commutation de puissance est allumé, le circuit de commande peut fournir un courant de base en augmentation rapide, de sorte qu'il y ait suffisamment de puissance de commande lorsqu'il est allumé, réduisant ainsi la perte à la mise sous tension.

(2) Pendant la conduction du tube de commutation, le courant de base fourni par le circuit pilote MOSFET peut garantir que le tube de puissance est dans un état de conduction saturé dans n'importe quelle condition de charge, garantissant ainsi une perte de conduction relativement faible. Afin de réduire la durée de stockage, l'appareil doit être dans un état de saturation critique avant l'arrêt.

(3) arrêt, le circuit d'entraînement doit fournir un entraînement de base inversé suffisant pour extraire rapidement les porteurs restants dans la région de base afin de réduire le temps de stockage ; et ajoutez une tension de coupure de polarisation inverse, de sorte que le courant du collecteur chute rapidement pour réduire le temps d'atterrissage. Bien entendu, l'arrêt du thyristor se fait toujours principalement par la chute de tension inverse de l'anode pour compléter l'arrêt.

À l'heure actuelle, le thyristor est piloté avec un nombre comparable de juste à travers l'isolation du transformateur ou de l'optocoupleur pour séparer l'extrémité basse tension et l'extrémité haute tension, puis à travers le circuit de conversion pour piloter la conduction du thyristor. Sur l'IGBT pour l'utilisation actuelle de plus de modules d'entraînement IGBT, mais également d'IGBT intégré, d'auto-maintenance du système, d'autodiagnostic et d'autres modules fonctionnels de l'IPM.

Dans cet article, pour le thyristor que nous utilisons, concevons un circuit de commande expérimental et arrêtons le test réel pour prouver qu'il peut piloter le thyristor. En ce qui concerne le pilotage de l'IGBT, cet article présente principalement les principaux types actuels de pilotage d'IGBT, ainsi que leur circuit de pilotage correspondant, ainsi que le pilotage d'isolation par optocoupleur le plus couramment utilisé pour arrêter l'expérience de simulation.

2. Étude du circuit de commande des thyristors en général, les conditions de fonctionnement des thyristors sont :

(1) le thyristor accepte la tension d'anode inverse, quel que soit le type de tension que la grille accepte, le thyristor est à l'état bloqué.

(2) Le thyristor accepte la tension d'anode directe, uniquement dans le cas où la gâchette accepte une tension positive, le thyristor est activé.

(3) Thyristor en condition de conduction, seulement une certaine tension d'anode positive, quelle que soit la tension de grille, le thyristor a insisté sur la conduction, c'est-à-dire qu'après la conduction du thyristor, la grille est perdue. (4) thyristor en état de conduction, lorsque la tension (ou le courant) du circuit principal est réduite à près de zéro, l'arrêt du thyristor. Nous choisissons le thyristor TYN1025, sa tension de tenue est de 600V à 1000V, courant jusqu'à 25A. cela nécessite que la tension de commande de grille soit de 10 V à 20 V, le courant de commande soit de 4 mA à 40 mA. et son courant de maintenance est de 50 mA, le courant du moteur est de 90 mA. l'amplitude du signal de déclenchement DSP ou CPLD peut atteindre 5 V. Tout d'abord, tant que l'amplitude de 5V en 24V, puis via un transformateur d'isolement 2:1 pour convertir le signal de déclenchement 24V en un signal de déclenchement 12V, tout en complétant la fonction d'isolation de tension supérieure et inférieure.

Conception et analyse de circuits expérimentaux

Tout d'abord, le circuit boost, dû au circuit transformateur d'isolement situé à l'arrière duMOSFETL'appareil a besoin d'un signal de déclenchement de 15 V, il est donc nécessaire d'amplifier d'abord le signal de déclenchement de 5 V en un signal de déclenchement de 15 V, via le signal MC14504 5 V, converti en signal de 15 V, puis via le CD4050 sur la sortie de la mise en forme du signal d'entraînement de 15 V, canal 2. est connecté au signal d'entrée 5V, le canal 1 est connecté à la sortie Le canal 2 est connecté au signal d'entrée 5V, le canal 1 est connecté à la sortie de le signal de déclenchement 15V.

La deuxième partie est le circuit du transformateur d'isolement, la fonction principale du circuit est : le signal de déclenchement 15 V, converti en signal de déclenchement 12 V pour déclencher l'arrière de la conduction du thyristor, et pour faire le signal de déclenchement 15 V et la distance entre l'arrière scène.

Le principe de fonctionnement du circuit est le suivant : en raison duMOSFETTension d'entraînement IRF640 de 15 V, donc, tout d'abord, dans J1, accès au signal d'onde carrée de 15 V, via la résistance R4 connectée au régulateur 1N4746, de sorte que la tension de déclenchement soit stable, mais aussi pour que la tension de déclenchement ne soit pas trop élevée. , MOSFET brûlé, puis au MOSFET IRF640 (en fait, il s'agit d'un tube de commutation, le contrôle de l'extrémité arrière de l'ouverture et de la fermeture. Contrôlez l'extrémité arrière du Allumer et éteindre), après avoir contrôlé le cycle de service du signal d'entraînement, pour pouvoir contrôler le temps d'allumage et d'extinction du MOSFET. Lorsque le MOSFET est ouvert, équivalent à sa masse du pôle D, éteint lorsqu'il est ouvert, après le circuit arrière équivalent à 24 V. Et le transformateur subit le changement de tension pour créer l'extrémité droite du signal de sortie 12 V. . L'extrémité droite du transformateur est connectée à un pont redresseur, puis le signal 12 V est émis par le connecteur X1.

Problèmes rencontrés lors de l'expérimentation

Tout d'abord, lors de la mise sous tension, le fusible a soudainement sauté, et plus tard, lors de la vérification du circuit, il a été constaté qu'il y avait un problème avec la conception initiale du circuit. Initialement, afin d'améliorer l'effet de sa sortie de tube de commutation, la séparation de terre 24 V et de terre 15 V, qui rend le pôle G de la grille du MOSFET équivalent à l'arrière du pôle S, est suspendue, ce qui entraîne un faux déclenchement. Le traitement consiste à connecter les masses 24 V et 15 V ensemble, et encore une fois pour arrêter l'expérience, le circuit fonctionne normalement. La connexion du circuit est normale, mais lorsque vous participez au signal de commande, à la chaleur MOSFET et au signal de commande pendant un certain temps, le fusible est grillé, puis ajoutez le signal de commande, le fusible est directement grillé. Vérifiez le circuit et constatez que le cycle de service de haut niveau du signal de commande est trop grand, ce qui entraîne un temps d'activation du MOSFET trop long. La conception de ce circuit fait que lorsque le MOSFET est ouvert, 24 V sont ajoutés directement aux extrémités du MOSFET, et n'ajoutent pas de résistance de limitation de courant, si le temps de fonctionnement est trop long pour que le courant soit trop important, les dommages au MOSFET, la nécessité de réguler le rapport cyclique du signal ne peut pas être trop importante, généralement de l'ordre de 10 à 20 % environ.

2.3 Vérification du circuit d'entraînement

Afin de vérifier la faisabilité du circuit de pilotage, nous l'utilisons pour piloter le circuit à thyristors connectés en série les uns avec les autres, les thyristors en série les uns avec les autres puis en anti-parallèle, l'accès au circuit à réactance inductive, l'alimentation est une source de tension alternative de 380 V.

MOSFET dans ce circuit, le thyristor Q2, Q8 déclenche le signal via les accès G11 et G12, tandis que Q5, Q11 déclenche le signal via les accès G21, G22. Avant que le signal de commande ne soit reçu au niveau de la gâchette du thyristor, afin d'améliorer la capacité anti-interférence du thyristor, la gâchette du thyristor est connectée à une résistance et un condensateur. Ce circuit est connecté à l'inducteur puis inséré dans le circuit principal. Après avoir contrôlé l'angle de conduction du thyristor pour contrôler le grand inducteur dans le temps du circuit principal, les circuits supérieur et inférieur de l'angle de phase de la différence de signal de déclenchement d'un demi-cycle, les G11 et G12 supérieurs sont un signal de déclenchement jusqu'au bout. Grâce au circuit de commande de l'étage avant du transformateur d'isolement, les G21 et G22 inférieurs sont également isolés de la même manière que le signal. Les deux signaux de déclenchement déclenchent la conduction positive et négative du circuit de thyristor antiparallèle, au-dessus du canal 1 est connecté à toute la tension du circuit de thyristor, dans la conduction du thyristor, il devient 0, et 2, 3 canaux sont connectés au circuit de thyristor de haut en bas Les signaux de déclenchement de la route, le canal 4 est mesuré par le flux de tout le courant du thyristor.

2 canaux ont mesuré un signal de déclenchement positif, déclenché au-dessus de la conduction du thyristor, le courant est positif ; 3 canaux ont mesuré un signal de déclenchement inverse, déclenchant le circuit inférieur de la conduction du thyristor, le courant est négatif.

3. Le circuit de commande IGBT du séminaire Le circuit de commande IGBT a de nombreuses demandes spéciales, résumées :

(1) le taux de montée et de descente de l'impulsion de tension doit être suffisamment important. igbt s'allume, le front d'attaque de la tension de grille raide est ajouté à la porte G et à l'émetteur E entre la porte, de sorte qu'il soit rapidement allumé pour atteindre le temps d'activation le plus court afin de réduire les pertes d'activation. Lors de l'arrêt de l'IGBT, le circuit de commande de porte doit fournir au bord d'atterrissage de l'IGBT une tension d'arrêt très raide, et à la porte G de l'IGBT et à l'émetteur E entre la tension de polarisation inverse appropriée, de sorte que l'arrêt rapide de l'IGBT, raccourcisse le temps d'arrêt, réduise la perte d’arrêt.

(2) Après la conduction de l'IGBT, la tension et le courant de commande fournis par le circuit de commande de grille doivent avoir une amplitude suffisante pour la tension et le courant de commande de l'IGBT, de sorte que la puissance de sortie de l'IGBT soit toujours dans un état saturé. Surcharge transitoire, la puissance d'entraînement fournie par le circuit de commande de grille doit être suffisante pour garantir que l'IGBT ne quitte pas la région de saturation et ne s'endommage pas.

(3) Le circuit de commande de grille de l'IGBT doit fournir une tension de commande positive de l'IGBT pour prendre la valeur appropriée, en particulier dans le processus de fonctionnement en court-circuit de l'équipement utilisé dans l'IGBT, la tension de commande positive doit être sélectionnée à la valeur minimale requise. L'application de commutation de la tension de grille de l'IGBT doit être de 10 V ~ 15 V pour le mieux.

(4) Processus d'arrêt de l'IGBT, la tension de polarisation négative appliquée entre la porte et l'émetteur est propice à l'arrêt rapide de l'IGBT, mais ne doit pas être prise trop grande, prise ordinaire de -2 V à -10 V.

(5) dans le cas de charges inductives importantes, une commutation trop rapide est nocive, des charges inductives importantes dans l'allumage et l'arrêt rapides de l'IGBT produiront une haute fréquence et une amplitude élevée et une largeur étroite de la tension de pointe Ldi/dt , la pointe n'est pas facile à absorber, facile à endommager l'appareil.

(6) Comme l'IGBT est utilisé dans des endroits à haute tension, le circuit de commande doit donc être avec l'ensemble du circuit de commande dans le potentiel d'une isolation sévère, l'utilisation ordinaire d'une isolation de couplage optique à grande vitesse ou d'une isolation de couplage de transformateur.

État du circuit de commande

Avec le développement de la technologie intégrée, le circuit de commande de grille IGBT actuel est principalement contrôlé par des puces intégrées. Le mode de contrôle est encore principalement de trois types :

(1) type à déclenchement direct sans isolation électrique entre les signaux d'entrée et de sortie.

(2) entraînement d'isolation du transformateur entre les signaux d'entrée et de sortie utilisant l'isolation du transformateur d'impulsion, niveau de tension d'isolation jusqu'à 4000 V.

Il existe 3 approches comme suit

Approche passive : la sortie du transformateur secondaire est utilisée pour piloter directement l'IGBT. En raison des limites de l'égalisation volt-seconde, elle n'est applicable qu'aux endroits où le rapport cyclique ne change pas beaucoup.

Méthode active : le transformateur ne fournit que des signaux isolés, dans le circuit amplificateur secondaire en plastique pour piloter l'IGBT, la forme d'onde de commande est meilleure, mais il est nécessaire de fournir une alimentation auxiliaire séparée.

Méthode d'auto-alimentation : le transformateur d'impulsions est utilisé pour transmettre à la fois l'énergie d'entraînement et la technologie de modulation et de démodulation haute fréquence pour la transmission de signaux logiques, divisé en approche d'auto-alimentation de type modulation et auto-alimentation en technologie de partage de temps, dans laquelle la modulation -Type d'auto-alimentation au pont redresseur pour générer l'alimentation électrique requise, la technologie de modulation et de démodulation haute fréquence pour transmettre des signaux logiques.

3. Contact et différence entre le thyristor et le variateur IGBT

Le circuit de commande du thyristor et de l'IGBT présente une différence entre le centre similaire. Tout d'abord, les deux circuits de commande doivent isoler le dispositif de commutation et le circuit de commande l'un de l'autre, afin d'éviter que les circuits haute tension n'aient un impact sur le circuit de commande. Ensuite, les deux sont appliqués au signal de commande de grille pour déclencher la mise sous tension du dispositif de commutation. La différence est que le variateur à thyristors nécessite un signal de courant, tandis que l'IGBT nécessite un signal de tension. Après la conduction du dispositif de commutation, la gâchette du thyristor a perdu le contrôle de l'utilisation du thyristor, si vous souhaitez arrêter le thyristor, les bornes du thyristor doivent être ajoutées à la tension inverse ; et l'arrêt de l'IGBT doit seulement être ajouté à la grille de la tension de commande négative, pour arrêter l'IGBT.

4. Conclusion

Cet article est principalement divisé en deux parties du récit, la première partie de la demande du circuit de commande à thyristor d'arrêter le récit, la conception du circuit de commande correspondant, et la conception du circuit est appliquée au circuit de commande à thyristor pratique, par simulation et expérimentation pour prouver la faisabilité du circuit de pilotage, le processus expérimental rencontré dans l'analyse des problèmes arrêté et traité. La deuxième partie de la discussion principale sur l'IGBT sur la demande du circuit de commande, et sur cette base pour introduire davantage le circuit de commande IGBT couramment utilisé, et le circuit de commande d'isolation de l'optocoupleur principal pour arrêter la simulation et l'expérience, pour prouver le faisabilité du circuit d'entraînement.