Силовые ключи – Сообщества › Электронные Поделки › Блог › Умные силовые ключи, или интеллектуальные драйверы верхнего плеча.

Содержание

Силовой ключ (Troyka-модуль) [Амперка / Вики]

Силовой ключ служит для управления нагрузкой постоянного тока. При этом, используя ШИМ-сигнал можно регулировать
подаваемое на нагрузку напряжение в широких пределах.

Предыдущие версии модуля

Элементы платы

Нагрузка

Модуль предназначен для коммутации нагрузки постоянного тока напряжением до 30 В и током до 12 А.
Нагрузка подключается своими контактами к колодкам под винт L. Отрицательный контакт нагрузки подключается к контакту L-, а положительный — к контакту L+.

Питание нагрузки

Источник питания нагрузки подключается своими контактами к колодкам под винт P. Положительный контакт источника питания подключается к контакту P+, а отрицательный — к контакту P-.

Обратите внимание, контакты L+ и P+ на модуле объединены. Силовым ключом коммутируется связь между контактами L- и P-.

Коммутация модуля

Контакты SVG

Модуль подключается к управляющей электронике по трём проводам.
Назначение контактов 3-проводного шлейфа:

  • S Сигнальный — жёлтый провод. Через него происходит управление силовым ключом.

  • V Питание — красный провод. Через него подаётся напряжение на джампер обьединения питания.

  • G Земля — чёрный провод. Должен быть соединён с землёй микроконтроллера.

При появлении логической единицы на сигнальном контакте силовой ключ открывается, через нагрузку начинает течь ток. Напряжение логической единицы на сигнальном контакте может быть как 5 В, так и 3,3 В. При подаче на сигнальный контакт логического нуля или при исчезновении напряжения силовой ключ закрывается.

На сигнальный контакт бывает полезно подавать ШИМ-сигнал, что позволяет регулировать подаваемое на нагрузку среднее значение напряжения.

Джампер объединения питания

Для питания нагрузки бывает удобно использовать пин V. При этом подключать питание к контактам P+ и P- уже не нужно. Просто установите джампер объединения питания V=P+.

Внимание! Джампер объединения питания связывает пины V с клеммником P+ внешнего питания.

Если вы не уверены в своих действиях или боитесь подать слишком высокое напряжение с клемм силового ключа на управляющую плату, не ставьте этот джампер!

При установке на SlotShield в пины поддерживающие V2 вы сможете выбирать напряжение на пине V силового ключа.

Например, если на плату подаётся 12 В через разъём внешнего питания, то установив джампер на SlotShield в положение V2-VIN вы получите напряжение 12 В и на ножке V силового ключа. Эти 12 В можно направить на питание нагрузки — просто установите джампер на силовой ключ.

Индикатор состояния силового ключа

Светодиод показывает состояние силового ключа. Он горит при открытом ключе. При использовании ШИМ-сигнала, яркость светодиода говорит о коэффициенте заполнения ШИМ.

Пример использования

Мы будем управлять яркостью светодиодной ленты при помощи микроконтроллера, такого как Arduino или Iskra JS.

Пример кода для Arduino

fade.ino
int led = 11;           // Светодиодная лента управляется 9-й ножкой
int brightness = 0;    // Яркость ленты
int fadeAmount = 5;    // Шаг регулировки яркости
 
void setup()
{
  // настраиваем 9-й пин ножку на выход:
  pinMode(led, OUTPUT);
}
 
void loop()
{
  // Устанавливаем текущую яркость ленты на 9-й ножке:
  analogWrite(led, brightness);
 
  // меняем значение яркости на шаг регулировки. 
  // Яркость изменится на следующей итерации цикла loop()
  brightness = brightness + fadeAmount;
 
  // если достигли порогового значения,
  // меняем направление регулировки.
  if (brightness == 0 || brightness == 255) {
    fadeAmount = -fadeAmount ;
  }
  // ждём 30 мс
  delay(30);
}

Пример кода для Iskra JS

fade.js
var led = P11;             // Светодиодная лента управляется 9-й ножкой
var brightness = 0;       // Яркость ленты
var fadeAmount = 0.05;    // Шаг регулировки яркости
 
setInterval(function(){
 
  // Устанавливаем текущую яркость ленты на 9-й ножке:
  analogWrite(led, brightness);
 
  // меняем значение яркости на шаг регулировки. 
  // Яркость изменится на следующей итерации setInterval()
  brightness += fadeAmount;
 
  // Если достигли максимального или минимального значения яркости...
  if (brightness <= 0 || brightness >= 1) {
 
    // ... меняем знак шага регулировки яркости
    fadeAmount = -fadeAmount;
  }
 
  // Функция будет выполняться каждые 30 мс
}, 30);

Принципиальная и монтажная схемы

Характеристики

Максимальное напряжение сток-исток 30 В
Максимальный ток сток-исток 12 А (при напряжении на затворе 5 В)

Ресурсы

wiki.amperka.ru

Управление силовыми ключами MOSFET и IGBT

 

Раз уж на нашем сайте появились статьи о ШИМ и регулировании мощности нагрузки с помощью микроконтроллеров, то нельзя обойти стороной тему об управлении силовыми ключами. Именно силовые ключи (транзисторы) являются финальным звеном в схеме регулирования мощности нагрузки, примеры схем приведены в статьях об электроприводе постоянного тока.

В настоящее время в качестве силовых ключей большой и средней мощности применяются в основном MOSFET и IGBT транзисторы. Если рассматривать эти транзисторы как нагрузку для схемы их управления, то они представляют собой конденсаторы с ёмкостью в тысячи пикофарад. Для открытия транзистора, эту ёмкость необходимо зарядить, а при закрывании – разрядить, и   как можно быстрее. Сделать это нужно не только для того, чтобы ваш транзистор успевал работать на высоких частотах. Чем выше напряжение на затворе транзистора, тем меньше сопротивления канала у MOSFET или меньше напряжение насыщения коллектор-эмиттер у IGBT транзисторов. Пороговое значение напряжения открытия транзисторов обычно составляет 2 – 4 вольта, а максимальное при котором транзистор полностью открыт 10-15 вольт. Поэтому следует подавать напряжение 10-15 вольт. Но даже в таком случае ёмкость затвора заряжается не сразу и какое-то время транзистор работает на нелинейном участке своей характеристики с большим сопротивлением канала, что приводит к большому падению напряжения на транзисторе и его чрезмерному нагреву. Это так называемое проявление эффекта Миллера.

Для того чтобы ёмкость затвора быстро зарядилась и транзистор открылся, необходимо чтобы ваша схема управления могла обеспечить как можно больший ток заряда транзистора. Ёмкость затвора транзистора можно узнать из паспортных данных на изделие и при расчете следует принять Свх = Сiss.

Для примера возьмём MOSFET – транзистор IRF740. Он обладает следующими интересующими нас характеристиками:

Время открытия (Rise Time — Tr) = 27 (нс)

Время закрытия (Fall Time — Tf) = 24 (нс)

Входная ёмкость (Input Capacitance — Сiss) = 1400 (пФ)

Максимальный ток открытия транзистора рассчитаем как:

Максимальный ток закрытия транзистора определим по тому же принципу:

Так как, обычно мы используем для питания схемы управления 12 вольт, то токоограничивающий резистор определим используя закон Ома.

То есть, резистор Rg=20 Ом, согласно стандартному ряду Е24.

Заметьте, что управлять таким транзистором напрямую от контроллера не получится, введу того, что максимальное напряжение, которое может обеспечить контроллер, будет в пределах 5 вольт, а максимальный ток в пределах 50 мА. Выход контроллера будет перегружен, а на транзисторе будет проявляться эффект Миллера, и ваша схема очень быстро выйдет из строя, так как кто-то, или контроллер, или транзистор, перегреются раньше.
Поэтому необходимо правильно подобрать драйвер.
Драйвер представляет собой усилитель мощности импульсов и предназначен для управления силовыми ключами. Драйверы бывают верхнего и нижнего ключей в отдельности, либо объединенные в один корпус в драйвер верхнего и нижнего ключа, например, такие как IR2110 или IR2113.
Исходя из информации изложенной выше, нам необходимо подобрать драйвер, способный поддерживать ток затвора транзистора Ig = 622 мА.
Таким образом, нам подойдёт драйвер IR2011 способный поддерживать ток затвора Ig = 1000 мА.

Так же необходимо учесть максимальное напряжение нагрузки, которое будут коммутировать ключи. В данном случае оно равно 200 вольт.
Следующим, очень важным параметром является скорость запирания. Это позволяет устранить протекание сквозных токов в двухтактных схемах, изображенной на рисунке ниже, вызывающие потери и перегрев.

Если вы внимательно читали начало статьи, то по паспортным данным транзистора видно, что время закрытия должно быть меньше времени открытия и соответственно ток запирания выше тока открытия If>Ir. Обеспечить больший ток закрытия, можно уменьшив сопротивление Rg, но тогда также увеличится и ток открытия, это повлияет на величину коммутационного всплеска напряжения при выключении, зависящего от скорости спада тока di/dt. С этой точки зрения повышение скорости коммутации является в большей степени негативным фактором, снижающим надежность работы устройства.

В таком случае воспользуемся замечательным свойством полупроводников, пропускать ток в одном направлении, и установим в цепи затвора диод, который будет пропускать ток запирания транзистора If.

Таким образом, отпирающий ток Ir будет протекать через резистор R1, а запирающий ток If — через диод VD1, а так как сопротивление p – n перехода диода намного меньше, чем сопротивление резистора R1, то и If>Ir. Для того чтобы ток запирания не превышал своего значения, последовательно с диодом включим резистор, сопротивление которого определим пренебрегая сопротивлением диода в открытом состоянии.

Возьмем ближайший меньший из стандартного ряда Е24 R2=16 Ом.

 

Теперь рассмотрим, что же обозначает название драйвера верхнего и драйвера нижнего ключа.
Известно, что MOSFET и IGBT транзисторы управляются напряжением, а именно напряжением заствор-исток (Gate-Source) Ugs.
Что же такое верхний и нижний ключ? На рисунке ниже приведена схема полумоста. Данная схема содержит верхний и нижний ключи, VT1 и VT2 соответственно. Верхний ключ VT1 подключен стоком к плюсу питания Vcc, а истоком к нагрузке и должен открываться напряжением приложенным относительно истока. Нижний же ключ, стоком подключается к нагрузке, а истоком к минусу питания (земле), и должен открываться напряжением, приложенным относительно земли.

И если с нижним ключом все предельно ясно, подал на него 12 вольт – он открылся, подал на него 0 вольт — он закрылся, то для верхнего ключа нужна специальная схема, которая будет открывать его относительно напряжения на истоке транзистора. Такая схема уже реализована внутри драйвера. Все что нам нужно, это добавить к драйверу бустрептную ёмкость С2, которая будет заряжаться напряжением питания драйвера, но относительно истока транзистора, как это изображено на рисунке ниже. Именно этим напряжением и будет отпираться верхний ключ.

Данная схема вполне работоспособна, но использование бустрептной ёмкости позволяет ей работать в узких диапазонах. Эта ёмкость заряжается, когда открыт нижний транзистор и не может быть слишком большой, если схема должна работать на высоких частотах, и так же не может быть слишком маленькой при работе на низких частотах. То есть при таком исполнении мы не можем держать верхний ключ бесконечно открытым, он закроется сразу после того как разрядится конденсатор С2, если же использовать ёмкость побольше, то она может не успеть перезарядится к следующему периоду работы транзистора.
Мы не раз сталкивались с данной проблемой и очень часто приходилось экспериментировать с подбором бустрептной ёмкости при изменении частоты коммутации или алгоритма работы схемы. Проблему решили со временем и очень просто, самым надежным и «почти» дешевым способом. Изучая Technical Reference к DMC1500, нас заинтересовало назначение разъёма Р8.

Почитав внимательно мануал и хорошо разобравшись в схеме всего привода, оказалось, что это разъём для подключения отдельного, гальванически развязанного питания. Минус источника питания мы подключаем к истоку верхнего ключа, а плюс ко входу драйвера Vb и плюсовой ножке бустрептной ёмкости. Таким образом, конденсатор постоянно заряжается, за счет чего появляется возможность держать верхний ключ открытым на столько долго, на сколько это необходимо, не зависимо от состояния нижнего ключа. Данное дополнение схемы позволяетреализовать любой алгоритм коммутации ключей.
В качестве источника питания для заряда бустрептной ёмкости можно использовать как обычный трансформатор с выпрямителем и фильтром, так и DC-DC конвертер.

redblot.ru

Лекция 13 Силовые полупроводниковые ключи

Полупроводниковый
ключ должен обеспечить коммутацию
значительных токов и при этом выдерживать
(блокировать) значительные напряжения
в закрытом состоянии. Разработчики
силовых схем преобразователей мечтают
об идеальном ключе. Такой ключ должен
при нулевой мощности, потребляемой от
схемы управления, мгновенно переключать
бесконечно большие токи и блокировать
бесконечно большие напряжения, иметь
нулевые остаточные напряжения и токи
утечки. Развитие технологии силовых
ключей привело к созданию ключей
следующих основных типов:


биполярный
силовой
транзистор
(BPT – Bipolar Power Transistor),

— полевые
силовые
транзисторы
(MOSFET –Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),


биполярный
транзистор
с
изолированным
затвором
(IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor),

— статические
индукционные транзисторы (SIT
– Static
Induction
Transistor),

— однооперационные
тиристоры (SCR
– Silicon
Controlled
Rectifier),

— полностью
управляемые тиристоры (GTO
– Gate
Turn
Off).

13.1 Силовые биполярные транзисторы

Современные силовые
биполярные транзисторы изготавливаются
на основе монокристаллического кремния.
Базовая ячейка транзистора n-p-n
–типа показана на рисунке 13.1.

Рисунок 13.1 —
Структура базовой ячейки силового
биполярного транзистора

Эмиттер состоит
из нескольких частей, что позволяет
снизить сопротивление между базой и
эмиттером, а также равномерно распределить
ток по всему проводящему сечению.
Коллектор имеет две области: сильно
легированную
и слабо легированную.
Слабо легированная область делает
коллекторныйp-n
переход широким и сдвинутым в область
коллектора, что повышает допустимое
напряжение на коллекторе. Скосы на
кристалле позволяют уменьшить утечки
по поверхности кристалла и снизить
напряженность электрического поля.

Рассмотрим работу
транзистора в режиме ключа, на рисунке
13.2 показана схема транзисторного ключа
(а) и выходная характеристика (b).

Рисунок 13.2 — Схема
транзисторного ключа (а) и выходная
характеристика (b)

Проводя нагрузочную
прямую в системе выходных характеристик
транзистора, получим две точки,
определяющие режимы работы ключа. В
точке 1 транзистор закрыт (режим отсечки),
коллекторный переход находится под
обратным, а эмиттерный — под прямым
напряжением. Часто для более полного и
быстрого закрытия транзистора напряжение
база – эмиттер также делают отрицательным.
Ток коллектора равен нулю, а напряжение
коллектор – эмиттер равно
,,.
В точке 2 транзистор находится в открытом
состоянии (режим насыщения), коллекторный
и эмиттерный переходы смещены в прямом
направлении. В этом случае, ток коллектора
равен току насыщения,
а напряжение на коллекторе равно
напряжению насыщения,,
которое обычно составляет несколько
милливольт. Минимальное значение тока
базы, которое необходимо для того, чтобы
обеспечить открытое состояние транзистора,
называют током базы насыщения.
Для ускорения процесса открытия
транзистора ток базы делают больше тока
базы насыщения, превышение тока базы
над минимальным значением оценивают
степенью насыщения

,

(13.1)

которая может быть
от 1,1 до 3.

Переключение
транзистора, переход из точки 1 в точку
2 происходит достаточно быстро, т.е. в
активной области нагрузочной прямой
транзистор находится минимальное время.
Мощность, выделяемая на транзисторе
в точках 1 и 2, практически равна нулю,
затраты энергии происходят только в
моменты переключения. Процесс переключения
не происходит мгновенно, на переключение
затрачивается некоторое время, которое
определяет быстродействие ключа, т.е.
его способность работать на высоких
частотах. Тогда становится понятным
стремление разработчиков повысить
быстродействие ключей.

Рассмотрим
переходные процессы, сопровождающие
переключение транзистора из закрытого
состояния в открытое, и наоборот.
Временная диаграмма переключения
транзистора показана на рисунке 13.3.

Рисунок 13.3 -.
Переходные процессы в транзисторном
ключе

На интервале 0-1 на
базу подано отрицательное напряжение,
транзистор закрыт, режим работы
соответствует точке 1 нагрузочной
прямой. В момент времени 1 на вход подается
передний фронт входного напряжения
амплитудой
,
начинается рост тока коллектора, который
происходит по закону

,
,
(13.2)

где

предельная частота транзистора при
схеме включения с общим эмиттером.

Такой закон
объясняется тем, что нарастание тока
происходит одновременно с накоплением
заряда в базовой области.

За интервал времени
1-2 формируется передний фронт импульса
тока, в точке 2 ток
достигает значение

,

(13.3)

из этого выражения
найдем

.
(13.4)

Из последнего
выражения видно, что длительность
процесса включения уменьшается с
увеличением степени насыщения
.

Ток
,
достигнув значения,
остается неизменным. После открытия
транзистора продолжается процесс
накопления заряда в базовой области.
Этот процесс можно представить как рост
тока(показан пунктирной линией) до некоторого
значения тока,
которое называют кажущимся, т.е.
соответствующим накопленному заряду.

В момент времени
3 подается запирающее напряжение
,
но ток не изменяется, транзистор остается
открытым еще некоторое время. Это
объясняется наличием избыточного заряда
неосновных носителей в базовой области,
за счет которого транзистор удерживается
в открытом состоянии. Отрицательное
входное напряжение приводит к смене
направления базового тока, однако, заряд
мгновенно измениться не может, он
уменьшается по экспоненте до момента
времени 4. В этой точке он соответствует
току.
Интервал времени 3-4 называютвременем
рассасывания

неосновных носителей в базовой области
,
его можно определить из уравнения

.

(13.5)

С момента времени
4 начинается процесс выключения
транзистора
,
длительность которого зависит от тока
разряда

.

(13.6)

Увеличение
быстродействия ключа на биполярном
транзисторе связано с противоречием.
Для уменьшения включения необходимо
увеличивать степень насыщения S,
однако это приведет к увеличению времени
рассасывания неосновных носителей.

Эта проблема
решается путем формирования входного
сигнала специальной формы (рисунок
13.4).

Рисунок 13.4 — Форма
входного сигнала

На интервале
времени
создается ток базы,
что приводит к быстрому открытию
транзистора, затем ток уменьшают до
значения.

Транзистор остается
открытым, но накопление избыточного
заряда не происходит, таким образом,
время рассасывания сводится к нулю.
Достаточно часто, импульсы такой формы
используются и для управления тиристорами.
Небольшой ток в цепи управляющего
электрода поддерживают тиристор в
открытом состоянии, исключая сбои в
работе силовой схемы.

Преимущества
ключей на биполярном транзисторе:

  1. Малое остаточное
    напряжение на открытом ключе, напряжение
    насыщения составляет доли вольт и не
    зависит от тока.

  2. Мощность,
    рассеиваемая на открытом ключе, при
    ,
    практически линейно зависит от тока
    насыщения.

Недостатки ключей
на биполярном транзисторе:

  1. Малое быстродействие
    из-за эффекта рассасывания неосновных
    носителей в области базы.

  2. Значительная
    мощность затрачивается на управление
    транзисторным ключом. Коэффициент
    передачи по току мощного транзистора
    не превышает десяти (),
    что требует значительного тока в
    управляющей цепи.

Область применения
ограничена диапазоном средних мощностей
(600
В ,=50
А20
кГц), используется в преобразователяхDC/DC
и AC/DC.

studfiles.net

Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение


Настоящая книга ставит своей целью ответить на большинство вопросов, которые могут возникнуть при использовании полупроводниковых ключей в схемотехнике. Отдельно рассмотрены особенности применения ключей в силовых схемах. В приложениях к книге дана подробная справочная информация от большинства известных производителей силовых полупроводниковых приборов.

Оглавление

Предисловие … 7
Глава 1. Эволюция развития силовых полупроводниковых ключей … 9
1.1. В круге первом … 10
1.2. Воплощение идей в жизнь … 13
1.3. Первое «обустройство» транзистора … 15
1.4. В единстве всегда сила … 18
1.5. Соты нужны не только пчелам … 21
1.6. У каждой потайной двери есть свой ключ … 28
1.7. Kro на новенького? … 40
Глава 2. Базовые структуры силовых полупроводниковых ключей … 51
2.1. Введение … 52
2.2. Транзисторы … 54
2.3. Тиристоры … 83
Глава 3. Характеристики и параметры силовых ключей … 111
3.1. Выбор ключевого элемента схемы … 112
3.2. Основные группы справочных данных по силовым ключам … 113
3.3. Предельные характеристики полупроводниковых ключей … 148
3.4. Тепловые характеристики полупроводниковых ключей … 158
Глава 4. Управление полупроводниковыми ключами … 179
4.1. Формирователи управляющих импульсов в структуре систем управления преобразователями … 180
4.2. Основные типы формирователей импульсов управления … 185
4.3. Формирователи импульсов управления с совместной передачей энергии и формы управляющего сигнала … 188
4.4. Формирователи импульсов управления с раздельной передачей энергии и информационного сигнала … 199
4.5. Источники питания драйверов … 219
Глава 5. Методы и схемы защиты полупроводниковых ключей … 223
5.1. Основные виды перегрузок по напряжению и току … 224
5.2. Методы защиты от помех … 227
5.3. Защитные цепи силовых ключей … 233
5.4. Защита силовых ключей от режимов короткого замыкания … 244
5.5. Силовые ключи с интегрированной системой защиты … 251
Глава 6. Применение мощных полупроводниковых ключей в силовых схемах … 259
6.1. Основные области применения ключевых приборов … 260
6.2. Типовые схемы транзисторных ключей … 265
6.3. Тиристорные ключи … 282
6.4. Применение ключевых транзисторов в схемах электронных балластов … 299
6.5. Применение мощных МДП-транзисторов в импульсных источниках питания … 304
6.6. Применение мощных ключей в схемах управления электродвигателями переменного тока … 316
Приложения … 333
Словарь терминов … 370
Список литературы … 374
Список фирм—изготовителей полупроводниковых приборов … 380

Год: 2010
Автор: Воронин П.А.
Жанр Справочник
Формат: PDF
Страниц: 381
Язык: русский
Размер: 10.1 Мб

Скачать Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение



Скачать Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение бесплатно:

load-knigi.com

Высоконадежные интеллектуальные ключи производства компании IR

Интеллектуальный силовой ключ (IPS) представляет собой интегрированную в одном корпусе систему из мощного полевого транзистора, драйвера, сложного блока защиты и системы диагностики (рисунок 1). Такая интеграция дает очевидные преимущества перед обыкновенным дискретным транзистором: отсутствие необходимости во внешних компонентах (драйвере ключа, элементах защиты), сокращение занимаемой площади на плате, упрощение и ускорение разработки конечного изделия, простота диагностики состояния выхода. Все это приводит к тому, что в приложениях, требующих высоких показателей надежности, дискретные компоненты стремительно вытесняются интеллектуальными ключами.

 

 

Рис. 1. Структурная схема интеллектуального силового ключа

Наиболее полно все достоинства интеллектуальных силовых ключей раскрываются в автомобильной и дорожной технике (рисунок 2), где требуется высокая надежность, помехозащищенность и устойчивость к аварийным ситуациям. В автомобильной электронике существуют все виды нагрузок: резистивная нагрузка (подогрев зеркал, подогрев сидений), лампы накаливания (фары, маячки, подсветка салона и др.), индуктивные нагрузки (электромагнитные клапаны, обмотки реле). Каждый тип нагрузки имеет свои особенности.

 

 

Рис. 2. Применение IPS в автомобильной технике

Резистивная нагрузка требует функций защитного отключения либо ограничения тока в случае возникновения короткого замыкания или при перегреве ключа.

При коммутации ламп накаливания основной особенностью является начальный бросок тока (пока спираль лампы не нагреется), поэтому ключевой элемент должен выдерживать бросок тока, либо ограничивать его. При этом приходится искать компромисс между уровнем защиты ключа и рассеиваемой мощностью.

Коммутация индуктивной нагрузки также требует ограничения тока (или защитного отключения). Особенно опасен момент размыкания ключа, при котором необходимо бороться с бросками напряжения.

Таким образом, для обеспечения высоких показателей надежности требуется реализация сложных функций защиты. Всем необходимым комплексом таких функций обладают интеллектуальные силовые ключи от International Rectifier, они пригодны для коммутации всех видов нагрузок.

 

Интегрированные методы защиты IPS

Защитные функции IPS производства International Rectifier можно разделить на группы: защита от перегрузки по току, защита от перегрева, активное ограничение тока, защита от электростатических помех и дополнительные виды защит.

Защита от перегрузки по току может быть реализована несколькими способами. Самым простым является метод защитного отключения. Суть его состоит в том, что ключ автоматически выключается при достижении границы допустимого значения тока (рисунок 3а). Выключение происходит не мгновенно, а плавно, переходя в закрытое состояние через линейный режим работы.

Вторым способом защиты от перегрузки по току может быть ограничение тока (рисунок 3б). В этом случае при достижении максимального тока ключ не закрывается, а переводится в линейный режим, при этом состояние выхода всегда соответствует состоянию входа. Стоит учитывать, что в линейном режиме кристалл ключа может значительно разогреваться. При достижении критической температуры (165°С) срабатывает защита от перегрева.

 

 

Рис. 3. Методы защита IPS от перегрузки по току и перегрева

Защита ключа от перегрева достигается его отключением. При этом есть два варианта его повторного включения. В ключах с функцией автоматического включения оно произойдет автоматически при охлаждении кристалла до 158°С, если на вход подан сигнал включения (рисунок 3б). В ключах без функции автовключения необходимо на вход подать сигнал выключения, а потом сигнал повторного включения, выждав интервал времени сброса системы защиты Treset (рисунок 3а).

В последнем случае потенциально возможен сценарий перегрева и разрушения кристалла (рисунок 4а). Если, при достижении порога 165°С, начать подавать импульсы со временем, большим, чем Treset (всего 15…200 мкс), то система защиты будет успевать сбрасываться. В результате ключ, не успевая охладиться, включается вновь, разогреваясь еще сильнее. При повторных коротких включениях ключ может превысить температуру разрушения кристалла.

Чтобы этого избежать, была разработана функция WAIT (рисунок 4б). Суть ее заключается в том, что величина задержки между открывающими импульсами (Uвх) не может быть меньше заданного значения (как правило 0,4…2 мс). За это время кристалл гарантированно успевает остыть.

 

 

Рис. 4. Принцип действия функции WAIT

Активное ограничение тока является защитной функцией, необходимой при коммутации индуктивной нагрузки (рисунок 5). Быстрое закрытие ключа приводит к тому, что на нем генерируется выброс напряжения, зависящий от величины выходного тока и величины индуктивности. Данный выброс тока может повредить как сам ключ, так и обратный диод. Чтобы избежать пробоя, используется защитный диод, а сам ключ переводится в линейный режим (рисунок 5). В результате ток течет через транзистор, и происходит быстрое размагничивание катушки. Стоит помнить, что в режиме активного ограничения тока защита от перегрева не работает, что накладывает ограничение на величину коммутируемой индуктивности.

 

 

Рис. 5. Функция активного ограничения тока

Защита от электростатических помех реализована во всех IPS при помощи встроенных защитных диодов.

К дополнительным защитным функциям можно отнести защиту от обратной полярности (переполюсовка аккумулятора). При такой аварийной ситуации защита автоматически открывает ключ. При этом ток протекает через ключ, а не через обратный диод. В итоге суммарная рассеиваемая мощность уменьшается. Защита схемы управления организуется посредством нескольких вешних компонентов.

 

Типы IPS от International Rectifier

International Rectifier выпускает широкий диапазон IPS, которые можно разделить на несколько типов (таблица 1): интеллектуальные ключи нижнего уровня, интеллектуальные ключи верхнего уровня с цифровым диагностическим выходом, интеллектуальные ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом, интеллектуальные ключи для ШИМ-приложений.

Таблица 1. Интеллектуальные силовые ключи от IR   

Наименование Тип ключа Тип диагностического выхода Максимальное напряжение, В Тип защиты от перегрузки по току Температура защитного выключения, °С Защита от обратной полярности питания Активное ограничение тока
AUIPS10xxНижнего уровня  совмещенный со входом  39  Защитное отключение  165  возможна  есть  
AUIPS20xxНижнего уровня  совмещенный со входом  68  Защитное отключение  165  возможна  есть  
AUIPS60xxВерхнего уровня  цифровой  39  Ограничение тока  165  есть  есть  
AUIPS70xxВерхнего уровня  цифровой  70  Ограничение тока  165  есть  есть  
AUIR3331x  Верхнего уровня  аналоговый  40  Подстраиваемое защитное отключение  165  есть  есть  
AUIPS71xxВерхнего уровня  аналоговый  65  Защитное отключение  165  есть  есть  
AUIR3330 AUIR33401Верхнего уровня с ШИМ  аналоговый  36  Подстраиваемое защитное отключение  165  возможна  Контроль di/dt и dv/dt  
AUIPS722xВерхнего уровня с ШИМ  совмещенный со входом  68  Защитное отключение  165  возможна  нет  

Разнообразие типов и параметров позволяет выбирать ключ, оптимальный для конкретного приложения.

 

Интеллектуальные силовые ключи нижнего уровня

Ключи семейств AUIPS10xx и AUIPS20xx представляют собой интеллектуальные ключи нижнего уровня с диагностическим выходом (рисунок 6, таблица 2). Диагностический выход совмещен со входом. Данный механизм позволяет определять такие неисправности, как перегрузка по току, перегрев, обрыв нагрузки, однако не позволяет определять, какая конкретно авария произошла, так как диагностический выход имеет только два состояния («FAULT» и «NORMAL»). Управление ключом может производится посредством 5 В логики.

 

 

Рис. 6. Схема включения IPS нижнего уровня

 

Таблица 2. Интеллектуальные ключи нижнего уровня   

tr>

Наименование Число
каналов
Rси вкл., мОм U вых. Макс., B Защита по току Корпус Применение Особенности
семейства
Тип защиты I выкл., А
AUIPS10111  13  39  Защитное отключение  85  TO220AB D2PAK DPAK  Автомобильные системы подогрева стекол, кресел  Диагностический выход совмещенный со входом  
AUIPS10211  25  39  Защитное отключение  35  TO220AB D2PAK DPAK  
AUIPS10311  50  39  Защитное отключение  18  TO220AB D2PAK DPAK  Система впрыска топлива  Улучшенная схема защиты от перегрева  
AUIPS10411  100  39  Защитное отключение  6  DPAK SOT223  
AUIPS10511  200  39  Защитное отключение  3  SOT223  Функция активного ограничения тока  
AUIPS20311  60  68  Защитное отключение  14  DPAK  Автомобильное освещение  
AUIPS20411  130  68  Защитное отключение  5  DPAK SOT223  Тормозная система автомобиля  Низкий уровень генерируемых помех  
AUIPS20511  300  68  Защитное отключение  1,8  SOT223  Системы активной подвески  
AUIPS10422  2×100  39  Защитное отключение  6  SOIC8  Система впрыска топлива  Логический вход управления  
AUIPS10522  2×200  39  Защитное отключение  3  SOIC8  
AUIPS20522  2×300  68  Защитное отключение  1,8  SOIC8  Автомобильное освещение  

В данном семействе реализована защита от перегрузки по току, защита от перегрева, функция активного ограничения тока. Кроме того, защита от перегрева улучшена: время срабатывания защиты меньше времени включения ключа, в результате даже без функции WAIT ключ не достигнет температуры теплового пробоя.

Рабочая частота этих ключей невелика — до 200 Гц. Это позволяет уменьшить уровень помех, вносимых при переключениях.

Ключи AUIPS1042, AUIPS1052, AUIPS2052 имеют по два интеллектуальных ключа в корпусе, что идеально подходит в ситуации подключения большого количества потребителей, таких, например, как лампы накаливания.

В автомобильной электрике нагрузка чаще всего подключена к «массе» (кузов автомобиля). Очевидно, что такой нагрузкой удобнее управлять при помощи ключей верхнего уровня. Однако ключи семейств AUIPS10xx и AUIPS20xx обладают низкой ценой, низким значением сопротивления, большими величинами пропускаемых токов, низким уровнем помех. Основными областями их применения являются внутреннее и внешнее автомобильное освещение, система подогрева зеркал и сидений, питание активной подвески, питание электромагнитных клапанов системы впрыска топлива, систем торможения.

 

Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня
с цифровым диагностическим выходом

По сравнению с ключами нижнего уровня, ключи верхнего уровня являются более удобными при использовании в схеме с «массой» в виде кузова автомобиля. Семейства AUIPS60xx и AUIPS70xx (таблица 3) представляют собой ключи верхнего уровня с цифровым диагностическим выходом (рисунок 7). Цифровой диагностический выход позволяет определять такие аварийные ситуации, как короткое замыкание на землю/питание, перегрев, обрыв нагрузки. При подключении дополнительного резистора обрыв нагрузки может быть обнаружен даже при выключенном транзисторе, однако в этом случае теряется возможность обнаружения короткого замыкания на питающее напряжение. При наличии дополнительного ключа возможно определение обоих видов неисправности. 

Таблица 3. Интеллектуальные ключи верхнего уровня с цифровым диагностическим выходом  

Наименование Число
каналов
Rси вкл., мОм U вых. Макс., B Защита по току Корпус Применение Особенности семейства
Тип защиты I выкл., А
AUIPS60111  14  39  Ограничение тока  55  TO220-5 D2PAK-5 DPAK-5  Автомобильное освещение  Защита от перегрева  
AUIPS60211  30  39  Ограничение тока  32  TO220-5 D2PAK-5 DPAK-5  Защита от потери цифровой земли  
AUIPS60311  55  39  Ограничение тока  16  TO220-5  Электромагнитные клапана коробки передач  Защита от неверной полярности аккумулятора  
AUIPS60411  130  39  Ограничение тока  6,5  TO220-5 D2PAK-5 DPAK-5 SOIC8  Цифровой диагностический выход  
AUIPS70811  70  70  Ограничение тока  7  TO220-5 D2PAK-5 DPAK-5  Тормозная система автомобиля  Защита от перегрева  
AUIPS70911  120  70  Ограничение тока  5  TO220-5 D2PAK-5 SOIC8  Защита от потери цифровой земли  
AUIPS60444  4×130  39  Ограничение тока  6,5  SOIC28  Электромагнитные клапана коробки передач  Цифровой диагностический выход  

 

 

Рис. 7. Схема включения IPS верхнего уровня с цифровым диагностическим выходом

Защита от тока и от перегрева соответствует рисунку 3б: при достижении предельного тока ключ не выключается, а переходит в линейный режим. Однако при этом происходит увеличение мощности, рассеиваемой на ключе, что приводит к росту температуры. Температура растет до тех пор, пока не сработает защита от перегрева.

Во всех ключах семейства реализована функция активного ограничения тока. Защита от потери цифровой земли обеспечивается ограничивающими последовательными резисторами на входе и на цифровом выходе (рисунок 8а).

Семейство AUIPS60xx имеет защиту от переполюсовки напряжения (рис. 8б). Когда происходит такая аварийная ситуация, внутренняя схема оставляет ключ открытым и ток не течет через обратный встроенный диод, а рассеиваемая мощность оказывается минимальной.

 

 

Рис. 8. Защита от потери земли (а) и переполюсовки напряжения питания (б) в семействе AUIPS60xx

Стоимость таких ключей не велика, а для диагностики выхода системе управления требуется только один цифровой вход. В итоге эти ключи находят свое применение в системах питания электромагнитных клапанов коробки передач, системах торможения и автомобильного освещения.

 

Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня
с аналоговым диагностическим выходом

Семейства AUIR331x, AUIR332x, AUIPS71xx (таблица 4) являются более совершенными по сравнению с вышеописанными ключами. Они обладают самой продвинутой системой диагностики. Аналоговый выход позволяет определять не только аварийные ситуации, но и величину протекающего тока (рисунок 9). Это может быть полезно, если необходимо контролировать броски тока, когда коммутируется, к примеру, лампа освещения или емкостная нагрузка. В этом случае управляющая система сама определяет, необходимо ли защитное отключение.

Таблица 4. Интеллектуальные ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом   

Наименование Число
каналов
Rси вкл., мОм U вых. макс, B Защита по току Корпус Применение Особенности
Тип защиты I выкл., А
AUIR33131  7  40  Подстраиваемое защитное отключение  10…90  TO220-5 D2PAK-5  Автомобильные системы подогрева стекол, кресел  Подстройка величины защитного тока  
AUIR33141  12  40  Подстраиваемое защитное отключение  6…60  TO220-5 D2PAK-5  Защита от перегрева  
AUIR33151  20  40  Подстраиваемое защитное отключение  3…30  TO220-5 D2PAK-5  Диагностический аналоговый выход  
AUIR33161  7  40  Подстраиваемое защитное отключение  10…90  TO220-5 D2PAK-5  Свечи накаливания  Защита от обратной полярности напряжения питания  
AUIR33171  7  40  Защитное отключение  120  TO220-5 D2PAK-5  Защитная функция WAIT  
AUIR33201  4  40  Подстраиваемое защитное отключение  10…55  D2PAK-5  Замена силовых реле  Функция активного ограничения тока  
AUIPS71251  30  65  Защитное отключение  60  DPAK-5  Диагностический аналоговый выход  

 

 

Рис. 9. Диагностика состояния ключа

Ключи имеют рекордно низкие значения сопротивлений открытого ключа (всего 4 мОм у AUIR3320, 7,5 мОм у AUIPS7111). Управляющее напряжение измеряется относительно напряжения питания, что делает возможным использовать внешний транзистор, обеспечивающий дополнительную защиту управляющих схем (рисунок 10).

Степень защиты данных ключей максимально высока. Ключи имеют защиту от перегрузки по току, от перегрева, неправильной полярности питающего напряжения. Реализована функция активного ограничения тока.

Защита от обратной полярности батареи требует наличия обратного диода на входе. Если используется полевой транзистор, то будет достаточно встроенного диода. Если используется биполярный транзистор — нужен внешний диод (рисунок 10).

 

 

Рис. 10. Схема включения IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Ключи AUIR331x (кроме AUIR3317) и AUIR3320 имеют программируемое значение тока защитного отключения. Величина этого тока определяется резистором обратной связи Rос (рисунок 11). Кроме того, для дополнительной гарантированной защиты от перегрева реализована защитная функция WAIT (рисунок 4б). Минусом реализации функции WAIT является ограничение использования данных ключей в ШИМ-режиме.

 

 

Рис. 11. Установка тока защитного отключения

Ключи AUIR71xx ограниченно могут применяться для ШИМ-приложений, так как не имеют функции WAIT и имеют малое собственное сопротивление. Однако стоит остерегаться использования слишком высоких значений частот, чтобы не перегреть кристалл (рисунок 4а).

IPS данного семейства, обладая низким значением сопротивления, идеально подходят для реализации внутреннего и внешнего автомобильного освещения, систем подогрева зеркал и сидений, питания активной подвески, питания электромагнитных клапанов системы впрыска топлива. Эти ключи представляют идеальную замену для реле в цепях с большими протекающими токами.

 

Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня
для ШИМ-приложений

Ключи AUIR3330, AUIR33401, AUIPS7221, AUIPS72211 (таблица 5) разработаны специально для управления электродвигателями постоянного тока (таблица 6). Эти IPS обладают уникально низкими значениями сопротивлений каналов (3,5 мОм для AUIR3330 и AUIR33401) и имеют встроенный бутстрепный регулятор, позволяющий работать на высоких частотах (до 100 кГц для AUIPS7221).

Таблица 5. Интеллектуальные ключи верхнего уровня для ШИМ-приложений   

Наименование F, кГц Rси вкл., мОм U вых. Макс., B Защита по току Корпус Применение
Тип защиты I выкл., А
AUIR3330  30  3,5  40  Подстраиваемое защитное отключение  10…40  D2PAK-7  Система топливных и масляных насосов  
AUIR33401  20  3,5  40  Подстраиваемое защитное отключение  10…40  D2PAK-7  Система генератора автомобиля  
AUIPS7221  100  40  65  Защитное отключение  30  DPAK-5  Система охлаждения двигателя  
AUIPS72211  100  40  65  Защитное отключение  30  DPAK-5  

Ключи AUIR3330 и AUIR33401 (рисунок 12) имеют и аналоговый (как у IPS верхнего уровня с аналоговым выходом), и совмещенный со входом (как у ключей нижнего уровня) диагностические выходы, что позволяет максимально удобно отслеживать состояние силового выхода.

 

 

Рис. 12. Схема включения ШИМ IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Защитные функции этих IPS обеспечивают защитное отключение при перегреве и перегрузке (в последнем случае — с программируемой величиной тока). При помощи нескольких дополнительных элементов (T1, D2, R2, рисунок 12) может быть реализована функция защиты от обратной полярности питающего напряжения.

Для снижения уровня помех в AUIR3330 введено ограничение на величину di/dt, а в AUIR33401 — на величину dv/dt.

Ключи AUIPS7221 и AUIPS72211 имеют только диагностический выход, совмещенный со входом (рисунок 13). Особенностью их также является возможность работы с 3,3 В логикой. Не смотря на ограниченные по сравнению с AUIR3330 и AUIR33401 функции, ключи AUIPS7221 просты в применении и имеют более низкую стоимость.

 

 

Рис. 13. Схема включения ШИМ IPS верхнего уровня AUIPS7221

Уникальные частотные свойства IPS данного семейства делают их идеальным инструментом управления всеми двигателями постоянного тока в автомобильной электрической системе (рисунок 14). Управление масляным и топливным насосами, двигателем системы воздушного охлаждения, системой обогрева, вентиляции и кондиционирования автомобиля — это только часть возможных применений интеллектуальных ШИМ-ключей.

 

Таблица 6. Особенности интеллектуальных ключей верхнего уровня для ШИМ-приложений

Наименование Особенности
AUIR3330 AUIR33401 Защитное отключение при перегрузке по току
Защитное отключение при перегреве
Встроенный бутстрепный регулятор
Аналоговый и дискретный диагностические выходы
Программируемый ток отключения
Ограничение di/dt (AUIR3330)
Ограничение di/dt (AUIR33401)
Режим пониженного потребления (<10 мкА)
AUIPS7221  Защитное отключение при перегрузке по току
Защитное отключение при перегреве
Встроенный бустрепный регулятор
Аналоговый и дискретный диагностический выход
Совместимость с 3,3 В логикой

 

 

 

Рис. 14. Области применения ШИМ IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

 

Заключение

Интеллектуальные силовые ключи от International Rectifier обладают высокой степенью защиты, не требуют дополнительных драйверов, имеют интегрированную систему диагностики, что выгодно отличает их от реле и дискретных транзисторов. Высокая надежность, простота применения, широкая номенклатура и доступная цена делает интеллектуальные ключи идеальным выбором для силовой автомобильной электроники и других приложений, требующих повышенной надежности.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: [email protected]

Наши информационные каналы

Рубрика: новинки элементной базы Метки: IR, Supervisor, switch

О компании Int. Rectifier

В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. …читать далее

www.compel.ru

Силовой ключ (5 А; 24 В) на полевом транзисторе (IRF520 MOSFET) для Arduino —

Силовой ключ выполнен на полевом транзисторе IRF520 и предназначен для включения/выключения мощной нагрузки, которая питается напряжением постоянного тока.


Управлять силовым ключем можно с помощью Arduino или другого микроконтроллера, при подаче на вход ключа высокого уровня от 5 В, он откроется и включит нагрузку. При токе нагрузки более 1 ампера нужен радиатор для транзистора. Практическое измерение нескольких экземпляров этого MOSFET модуля показало, что ключ открывается при подаче сигнала управления на затвор от 3,4 Вольт.
Полевой транзистор позволяет использовать ШИМ (широтно-импульсную модуляцию), т.е можно менять скорость работы электродвигателя или яркость светодиодной ленты, лампы (светодиода) и т.д.

Если управляющий сигнал ниже 5 Вольт, то нужно использовать другой ключ, работающий от низкого постоянного напряжения (от 3 Вольт).

Для управления мощной нагрузкой переменного тока можно использовать твердотельное реле. А для коммутации маломощной нагрузки постоянного и переменного тока можно применить обычное реле.

Технические характеристики силового ключа на MOSFET транзисторе “IRF520”:

  • управление нагрузкой с напряжением питания постоянного тока, В: 0-24
  • рабочий ток нагрузки, А: 0-5
  • уровень управляющего сигнала, В: 5-20
  • размеры платы, мм: 33.4*25.6

Подключение:

  • “V+” — плюсовой контакт подключения нагрузки пост. тока
  • “V-” — минусовой контакт подключения нагрузки пост. тока
  • “Vin” — “+” контакт, сюда подключить питание для нагрузки (от 0 до 24 В)
  • “GND” — “-” контакт питания для нагрузки
  • “SIG – “плюсовой контакт для подключения управ. сигнала (например с ARDUINO)
  • “Vcc” – не используется
  • “GND – “минусовой контакт для подключения управ. сигнала

Принципиальная схема силового ключа на IRF520:

Варианты использования:

управление силовым ключом с помощью сенсорной кнопки “TTP223”

Преимущества:

  • бесшумная работа
  • нет механических частей

Описание на “IRF520” (datasheet)

umnyjdomik.ru

Осторожно! Силовые ключи! / Блог компании GDTools / Компании / Против Угона

В настоящее время производители полупроводников решили «откусить» часть рынка у производителей электромагнитных реле.

Действительно, силовые ключи имеют ряд преимуществ. Возможность плавно регулировать ток, габаритные размеры и прочее. Но как обычно это бывает есть обратная сторона медали, которая накладывает ограничение на сферу применения.

Силовые ключи «боятся» индуктивных нагрузок. И при неблагоприятных обстоятельствах могут загораться.

В подтверждении этих слов. Живой случай из практики Лаборатории авторской защиты.

К нам обратился клиент, для установки авторских замков капота на BMW X5. От нас требовалось выполнить механические работы, а систему управления уже устанавливал другой установочный центр.

В качестве реле управления было выбран подкапотный модуль известного Российского производителя, сделанный на основе силовых ключей. Установка модуля была строго по инструкции с соблюдением предельных токов нагрузки. Данный модуль успешно работал в течении двух лет, и в один прекрасный день, замки перестали работать. Замки застыли в положении закрыто. Потратив пол дня на вскрытие замков, выяснилось следующее. Силовой ключ неожиданно выдал бесконечный импульс на приводы замков. Это привело к перегоранию силовых моторов приводов, после чего привода заклинило намертво. При вскрытии модуля, на лицо следы возгорания, и слава богу не случилось самого страшного — возгорания самого автомобиля.

Фотографии вскрытого модуля на силовых ключах.

Возникает вопрос — не ужели инженеры не знают таких особенностей силовых ключей.

В своей практике я широко общаюсь с коллегами инженерами из разных сфер. Чаще всего появление таких опасных решений — это следствие погони разного рода менеджеров, которые плохо соображают в электронике, за модными решениями.

И под давлением руководства создаются такие опасные «шедевры».

В настоящее время производитель модуля изображенного на фотографии уже давно отказался от таких решений и благоразумно вернулись к обычным электро магнитным реле.

Призываю коллег по цеху, быть осторожными при выборе железа для своих установок и стараться избегать применения силовых ключей для управления электромоторами различных приводов.

protiv-ugona.ru