Управление транзисторами. 
Электрические и электронные аппараты

Формирователями импульсов управления (ФИУ) или драйверами называется особый класс усилителей, предназначенных для преобразования информационного сигнала управления в сигнал с параметрами, необходимыми для гарантированного включения и выключения полупроводникового ключа. Помимо требований к мощности сигнала управления часто предъявляются требования к форме сигнала, поэтому иногда ФИУ называют усилителем-формирователем импульсов управления. Схемотехника ФИУ в первую очередь зависит от типа управляемого прибора и его статических и динамических свойств.

Основными требованиями, предъявляемыми к ключу на биполярном транзисторе, являются гарантированное насыщение транзистора током базы, обеспечивающее беспрепятственное протекание тока коллектора на интервале, когда транзистор должен быть включен, и минимизация тока утечки на интервале, когда транзистор должен быть выключен. Идеальные формы базового тока i_B и напряжения база-эмиттер U_BE для биполярного транзистора представлены на рис. 12.9. При реализации такого импульса необходимо учитывать, что биполярный транзистор включается током, поэтому его ток базы должен создаваться источником тока, а не источником напряжения. Требования к сигналу управления определяются требованиями к быстродействию ключа (рабочая частота коммутаций) и к величине потерь в нем.

Простейшая схема ФИУ биполярного транзистора представлена на рис. 12.10, а.

Рис. 12.9. Идеальный импульс управления биполярным транзистором.

В схеме реализован усилительный каскад с двумя дополнительными транзисторами для увеличения маломощного сигнала микросхемы до необходимой величины и источником отрицательного напряжения для создания в моменты паузы (когда ключ выключен) отрицательного смещения, которое способствует более полному и более надежному запиранию транзистора. Для уменьшения потребляемой ФИУ мощности применяют парные (комплементарные) транзисторы (VT2, VT3), работающие попеременно (рис. 12.10, б). Когда импульс управления отсутствует (U_y = 0), транзистор VT4 открыт, и через его коллектор протекает отпирающий ток базы VT2. Силовой транзистор VT1 в свою очередь открывается током эмиттера транзистора VT2. Транзистор VT3 при этом заперт, так как его эмиттер имеет более отрицательный потенциал относительно базы. Конденсатор С1 заряжается током базы силового транзистора, обеспечивая бросок тока при включении для его более быстрого включения. В момент поступления импульса от микросхемы управления транзисторы VT4 и VT2 закрываются, а транзистор VT3 включается напряжением конденсатора С1, который, разряжаясь, обеспечивает запирающий базовый ток силового транзистора. Для поддержания биполярного транзистора в заданном режиме насыщения в широком диапазоне изменения токов нагрузки могут быть эффективно использованы драйверы, обеспечивающие пропорциональную связь токов базы и нагрузки через обратную трансформаторную связь между токами коллектора и базы. Такая связь увеличивает или уменьшает ток базы в зависимости от величины тока нагрузки, что позволяет сохранять глубину насыщения транзистора на оптимальном уровне.

Особенности управления полевым транзистором (МОП-ПТ) связаны, во-первых, с тем, что при постоянном напряжении затвор-исток U_GS через затвор протекает незначительный ток (порядка нескольких наноампср), во-вторых, на процессы включения и выключения значительное влияние оказывает входная емкость транзистора, скорость перезаряда которой определяет время включения и выключения транзистора. Управление транзистором IGBT аналогично управлению МОП-транзистором, так как эти приборы имеют сходные физические принципы управления. Этими транзисторами можно управлять выходным сигналом микросхемы напряжением 5—15 В и током менее 10 мА (рис. 12.11, а). Для управления мощными транзисторами применяют усилители, схема которых соответствует схеме двухтактного эмиттерного повторителя на парных биполярных транзисторах (рис. 12.11, б). В этой схеме комплементарные биполярные транзисторы VT2 и VT3 в активном режиме играют роль источников тока для более быстрого перезаряда собственной входной емкости управляемого транзистора VT1.

Рис. 12.10. ФИУ биполярного транзистора:

а — схема транзисторного усилителя; б — схема на парных транзисторах.

Рис. 12.11. ФИУ полевого транзистора:

а — управление от ИМС; 6 — усилитель на парных транзисторах.