Исполнительный модуль на IGBT транзисторе для нагрузки повышенной мощности

Переключение напряжения порядка несколько сотен вольт представляет собой определенную техническую проблему. Если к этому добавить значительный ток, проходящий через ключ, дело становится еще сложнее. Именно для таких целей предназначены транзисторы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Приведенная в данной статье схема предназначена для включения и отключения DC нагрузки с напряжением питания до 600 В и токе 27 А, так как ровно столько способен выдержать транзистор типа IRG4PC50U. Ниже приведены максимальные параметры IRG4PC50U по datasheet: IGBT транзисторы имеют определенную особенность, которая отличает их от транзисторов типа MOSFET, а именно в состоянии насыщения они характеризуются постоянным напряжением U_CEsat из-за низкого сопротивления открытого канала (R_DS(on)). Транзисторы типа MOSFET, приспособленные для работы при высоких напряжениях, характеризуются относительно большим сопротивлением открытого канала (несколько сотен миллиомов, обычно 0,3…1 Ом). Потери мощности на резисторе, за который можно принять открытый канал, прямо пропорциональны квадрату тока, проходящего через него. Значение предельного тока можно вычислить по формуле, полученной после нескольких несложных преобразований: I = U_CEsa / R_DS(on) В нашем случае для IRG4PC50U транзистора: при U_CEsa = 1,65 В значение предельного тока находиться в диапазоне 1,65…5,5 А. Это относительно небольшой ток, учитывая возможности транзистора IGBT. Например, при протекании через транзистор MOSFET ток 20 А, потери на нем составят 120…400 Вт, в то время как на IGBT только 33 Вт. Схема исполнительного модуля представлена на рисунке ниже. Драйвер для IRG4PC50U построен с использованием TLP250, содержащий опторазвязку между входом и выходом. Включение мощного транзистора происходит путем подачи напряжения на выводы 2 и 3 TLP250. Резистор R2 ограничивает ток затвора T1 во время перегрузки. Резистор R3 замыкает затвор, что предотвращает случайное включение транзистора при отсутствии напряжения питания TLP250. Диоды D2 и D3, ограничивают напряжение затвор-эмиттер до безопасной величины (ок. ±16 В), которая в подавляющем большинстве IGBT транзисторов составляет ±20 В. Резистор R1 ограничивает ток, протекающий через светодиод в TLP250 до значения около 8 мА при входном напряжении на уровне 5 В. Конденсатор C5 является элементом рекомендованным производителем, который стабилизирует работу внутреннего операционного усилителя. Диод D4 предохраняет транзистор от пикового напряжения противоположной полярности. Вся схема собрана на односторонней печатной плате размером 61 мм×61 мм. Транзистор Т1 и диод D4 должны быть установлены на радиатор. Следует обеспечить гальваническую изоляцию между металлическими вставками, этих элементов. Дорожки, идущие к разъемам J3 и J4 следует сделать массивными, если по ним будет протекать большой ток. Схему следует питать от двухполярного блока питания с напряжением ±12…15 В. Допускается, однако, использование однополярного блока питания с напряжением в диапазоне 12…15 В. Его следует присоединить к клеммам „+” и „GND” разъема J2, а вывод „–” соедините с „GND”, при этом элементы C2 и C4, то, по понятным причинам, не нужны. Данный исполнительный модуль необходимо, со стороны выхода, рассматривать как схему с общим эмиттером: к разъему J3 присоединяется более низкий потенциал, а к J4 более высокий. Питание TLP250 и эмиттер транзистора гальванически связаны между собой.