Teljesítményelektronikai ötletek – 41

Sorozatának újabb folytatásában a szerző az integrált kapumeghajtók helyettesítésére ajánl olcsóbb, egyszerű, mégis több szempontból előnyös, diszkrét alkatrészekből összeállítható megoldásokat.

Diszkrét alkatrészek – az integrált MOSFET jó alternatívái – 1. rész

Tápegységek tervezése közben sokszor szembesül a tervező azzal a problémával, hogy a vezérlő integrált áramkör korlátozott meg­hajtóáramot tud csak szolgáltatni, vagy túl nagy teljesítmény­disszipációnak van kitéve a kapumeghajtás veszteségei miatt. Ezeket a problémákat gyakran külső meghajtó áramkörök alkalmazásával oldják meg. A félvezetőgyártók (köztük a Texas Instruments is) kész MOSFET-meghajtókat kínálnak integrált áramköri kivitelben. Ez azonban nem mindig a leginkább költséghatékony megoldás. E célra gyakran elegendő ugyanis néhány dollárcentnyi értéket képviselő diszkrét alkatrész is.

Az 1. ábrán látható kapcsolás egy npn-pnp tranzisztorokból álló, ellenütemű emitterkövetőt mutat, amelyet a vezérlő áramkör kimenetéről vezérelt meghajtó áramkörként használhatunk. Ez megnöveli a meghajtóáramot, és külső alkatrészekre „helyezi át” a teljesítmény­disszipációt. Azonban sokan gondolják úgy, hogy ez a kapcsolás ezekkel az alkatrészekkel nem képes elegendő meghajtóáramot szolgáltatni.

1.ábra Ez az egyszerű meghajtó áramkör több, mint 2 A-rel terhelhető

Amint a 2. ábrán bemutatott h_fe-görbeseregből^[1] is látható, a gyártók az ilyen kisáramú tranzisztorokra tipikusan nem adnak meg 0,5 A feletti adatokat. Az áramkör azonban a 0,5 A-nél lényegesen  nagyobb meghajtóáramot is képes szolgáltatni, amint az az 1. ábra oszcilloszkóp-ábráján is megfigyelhető. Ezt a hullámformát 50 Ω forrásimpedanciáról meghajtva, egy 0,01 μF-os kondenzátorral sorosan kapcsolt 1 Ω-os ellenállásból álló terhelésen mértük. Ezzel az oszcilloszkóp-ábra függőleges léptéke 2 A/osztás. Az ábrából kiolvasható, hogy az MMBT2222A majdnem 3 A meghajtóáramot képes előállítani, az MMBT3906 pedig 2 A-t tud elnyelni.
A valóságban a tranzisztort célszerűbb a komplementer típusával összepárosítani (az MMBT3906-ot az MMBT3904-gyel, az MMBT2222-t pedig az MMBT2907-tel). Az össze nem illő párt éppen az összehasonlítás kedvéért választottuk. Léteznek természetesen ezeknél nagyobb áramterhelhetőségű és nagyobb h_fe-vel rendelkező típusok is, mint például az FMMT618/718 pár, amelynek h_fe-je 6 A áramnál közel 100 (2. ábra). Igaz, hogy ez az áramkör nem olyan elegáns, mint egy integrált meghajtó, de a diszkrét alkatrészek alkalmazása olcsóbb megoldást adhat, amely ráadásul nagyobb áramot tud előállítani, és jobbak a termikus tulajdonságai is.  

2. ábra A nagyobb áramú tranzisztorok, mint az FMMT618 is, feljavíthatják a meghajtót (felső ábra: MMBT3904, alsó ábra: FMMT618)

A 3. ábrán egy olyan egyszerű meghajtóáramkör-változat látható, amely galvanikus elválasztásnál is használható. A jeltranszformátort szimmetrikus bipoláris meghajtójellel vezéreljük. A transzformátor szekunder oldala állítja elő a tápfeszültséget és a meghajtó áramkör vezérlőjelét is. A D1- és D2-diódák egyenirányítják a transzformátor szekunder feszültségét, a Q1- és Q2-tranzisztorok pedig illesztik a transzformátor impedanciáját annak érdekében, hogy elegendően nagy áramimpulzusokkal lehessen tölteni és kisütni a kapcsolófet kapuelektróda-kapacitását. Ez az áramkör 50%-os kitöltési tényezőnél rendkívül hatásos (lásd a 3. ábrán alul mutatott meghajtójelet), mivel gyors kikapcsolást tesz lehetővé, amellyel minimalizálja a kapcsolási veszteséget. Ezért ez a megoldás nagyon kedvezően használható fáziseltolással vezérelt egészhidas DC/DC-konvertereknél.

3. ábra Néhány további alkatrésszel galvanikusan elválasztott meghajtót készíthetünk

Ha viszont a 3. ábrán felül látható alakú vezérlőjelet használunk, amelynek 50%-nál kisebb a kitöltési tényezője, gondoskodjunk a transzformátor tranzienseinek csillapításáról. Ez segít megelőzni a kapcsolófet szándékunktól eltérő átkapcsolásait, amelyeket a jelváltások utáni lengés okozhat. Az alacsony szintről a nullára történő kapcsoláskor ugyanis a transzformátor szórt induktivitásából és a szekunder tekercs kapacitásából álló rezgőkörön kialakuló lengés pozitív feszültségű szakaszai a kapcsolófet téves átkapcsolását eredményezhetik.   

Összegezve: a diszkrét alkatrészekből felépített meghajtó áramkörökkel anyagköltséget lehet megtakarítani. Nagyjából 4 dollárcent értékű diszkrét alkatrésszel tízszer annyiba kerülő integrált áramkörös meghajtót lehet helyettesíteni. A diszkrét megoldással 2 A-nél nagyobb meghajtóáram is elérhető, és a hővé alakuló veszteségi teljesítmény alól tehermentesíthető a vezérlő IC. Ezenkívül a nagy kapcsolt áramváltozások is elterelhetők a vezérlő IC-től, amely javítja a teljes áramkör szabályozási és zajjellemzőit.  
Következő havi cikkünkben folytatjuk az egyszerű kapcsolófet-meghajtóáramkörök tárgyalását, és a szinkron egyenirányítók meghajtó-megoldásaival is foglalkozunk.

[1]Kisjelű áramerősítési tényező földelt emitteres alapkapcsolásban. – A ford. megj.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: