Еще о высококачественных выключателях

В системах управления часто возникает необходимость распределения питания одной или нескольких полезных нагрузок в определённый момент времени. Для этого необходимо добавить выключатели на выходе шины питания. Обычно используются два типа выключателей, как показано на рисунке ниже:

Оба типа имеют своё применение. Высоковольтные выключатели в основном используются в высоковольтных и средневольтных приложениях; низковольтные выключатели в основном используются в приложениях 5 В/3,3 В.

Высоковольтный выключатель

Далее основное внимание будет уделено анализу высоковольтных выключателей.

В принципе, наиболее удобным способом реализации высоковольтного выключателя является использование реле, так как контактное сопротивление реле очень мало (обычно несколько миллиом, в зависимости от площади контактов). Однако в современных электронных системах использование реле стараются избегать. Причина заключается в том, что в момент замыкания/размыкания контактов реле (когда расстояние между двумя контактами составляет порядка микрометров) легко возникает «дуга» (особенно в средневольтных/высоковольтных приложениях), что влияет на срок службы системы.

Поэтому в современных электронных системах в качестве переключающих элементов обычно используются полевые транзисторы MOSFET, которые также называются «бесконтактными выключателями». По сравнению с реле, их потери на проводимость больше (поскольку сопротивление проводимости MOSFET невозможно сделать настолько малым), но преимущество заключается в отсутствии механического действия, а значит, и в более длительном сроке службы. Кроме того, они обеспечивают быстрое переключение (что очень важно для некоторых нагрузок). Использование MOSFET в качестве высоковольтных выключателей подразделяется на два случая:

P-MOS: прост в реализации. Однако из-за низкой подвижности «дырок» он обычно подходит только для средневольтных (10 В～100 В) и среднемощных (≤10 А) приложений.

N-MOS: требует управления «плавающим затвором», что сложно реализовать. Однако из-за высокой подвижности «электронов» он подходит для высоковольтных (≥200 В) и высокомощных (≥50 А) приложений.

Скорость включения/выключения обоих типов выключателей может регулироваться произвольно в зависимости от требований нагрузки Z _L . На рисунке ΔV — падение напряжения на открытом MOSFET.

Из-за потерь на проводимость и переключение, в приложениях необходимо корректировать стратегию управления MOSFET в зависимости от требований системы управления и условий нагрузки, а также обеспечивать соответствующее охлаждение MOSFET.

Способы реализации высоковольтных выключателей

Итак, из каких частей должен состоять готовый высоковольтный выключатель? Рассмотрим пример с P-MOSFET (см. блок-схему ниже).

Из приведенной выше блок-схемы видно, что типичный высоковольтный выключатель среднего напряжения и средней мощности состоит из переключающего транзистора (M ₁ ), датчика тока (R _o ), высоковольтного инструментального усилителя с общим режимом (INA), компаратора (COMP), цепей задержки, датчика температуры, логических вентилей, преобразователя уровней и RC-цепи для управления скоростью включения/выключения. «OVL» — индикация перегрузки по току, «So» — индикация выхода, «EN» — сигнал управления включением/выключением. Такая комбинация хорошо подходит для бортовой системы питания 28 В. Она несложная по составу, компактная и проста в реализации.

Несколько ключевых моментов этой системы требуют особого пояснения:

l Потребляемая мощность. В основном зависит от сопротивления проводимости M ₁ R _on (без учёта потерь на переключение) и величины резистора шунта Ro. В общем случае выбираются как можно меньшие значения Ron и R _o .

l Управление скоростью переключения. Осуществляется регулировкой R ₁ , R ₂ , C ₁ , в зависимости от характеристик нагрузки. Если нагрузка имеет чисто резистивный характер, то подходит быстрое переключение для уменьшения динамических потерь M ₁ . Если нагрузка имеет ёмкостный/индуктивный характер, то следует использовать стратегию медленного переключения. Это связано с тем, что напряжение на конденсаторе не может изменяться скачком, а ток в индуктивности не может изменяться скачком. Слишком высокая скорость переключения может привести к ложному срабатыванию защиты от перегрузки по току, а также к загрязнению системы электропитания.

l Режим прерывистого ограничения тока (hiccup). Осуществляется регулировкой задержки выхода компаратора и времени нарастания/спада M ₁ . Режим прерывистого ограничения тока — это функция, которая должна быть реализована во всех системах электропитания. Он соответствует характеристикам, показанным на рисунке ниже.

То есть, когда бортовой компьютер подаёт сигнал EN, высоковольтный выключатель должен находиться в режиме нормального питания. Однако, если нагрузка Z _L перегружена (например, короткое замыкание), то резистор шунта R ₀ обнаруживает этот переток тока, и локально управляет отключением M ₁ . После отключения M ₁ состояние перегрузки по току исчезает, и питание восстанавливается. Однако, поскольку состояние перегрузки по току всё ещё существует, система снова пытается отключить M ₁ . Этот цикл повторяется, и возникает форма сигнала, подобная показанной на рисунке выше, которая называется «режим прерывистого ограничения тока».

Его важность проявляется в двух аспектах: во-первых, периодическое отключение переключающего транзистора M ₁ защищает транзистор от перегорания. Во-вторых, после определённого количества прерываний сигнала перегрузки по току «OVL» бортовой компьютер подаёт команду EN для дистанционного отключения M ₁。

l Преобразователь уровней. Он предназначен для обеспечения совместимости с уровнями сигналов центрального управляющего компьютера. Иногда, из-за того, что центральный управляющий компьютер и система питания +V _S не имеют общего заземления, требуется дополнительная гальваническая развязка.

l D ₁ предназначен для защиты затвора-истока M ₁ от пробоя. D ₂ служит для обеспечения протекания тока нагрузки при отключении M ₁ .

Выше был рассмотрен способ реализации высоковольтного выключателя среднего напряжения и средней мощности.

Стратегия реализации высоковольтного выключателя высокой мощности

Ниже кратко описана стратегия реализации высоковольтного выключателя высокой мощности.

Главным приоритетом при проектировании высоковольтного высокомощного высококачественного ключа является уменьшение энергопотребления. Поэтому описанный выше способ измерения тока с помощью "шунта" неприменим. Кроме того, из-за проблем с подвижностью электронов в P-MOS транзисторах и технологических факторов трудно достичь напряжения пробоя ≥200 В и малого сопротивления канала R _{o n} , необходимо использовать N-MOS транзисторы; во-вторых, учитывая, что перекрестные помехи на линии питания (PGND) могут повлиять/повредить верхний контроллер, сигналы OVL, EN, SO должны быть изолированы; в-третьих, это теплоотвод, иногда пассивного охлаждения недостаточно, и необходимо использовать жидкостное охлаждение (масляное/водяное) для M ₁ теплоотвода. (см. схему ниже)

Как видно из рисунка выше, в качестве ключевого элемента используется N-MOS транзистор, в качестве датчика тока используется магнитный мост Уитстона, для управления N-MOS используется микросхема HJ393A, датчик температуры измеряет температуру перехода N-MOS, необходимо ввести управляющее напряжение V _DD . Такая комбинация способствует уменьшению энергопотребления (без вышеупомянутого R _o ), позволяет управлять затвором N-MOS и обеспечивает защиту от перегрева.

В дополнение к основным компонентам, для полноценного высококачественного ключа необходимо учитывать характеристики нагрузки (ZL на рисунке). Чисто резистивная нагрузка не существует, обычно нагрузка представляет собой комбинацию резистора R, конденсатора C и индуктивности L. Энергия, накопленная в конденсаторе, может привести к броску тока в момент включения ключа M ₁ , а ток самоиндукции может привести к тому, что M ₁ при выключении будет подвергаться воздействию отрицательных импульсов напряжения. Все эти факторы негативно влияют на долговременную надежную работу силового транзистора M ₁ .

Наконец, для высококачественного ключа, используемого в суровых условиях, необходимо учитывать адаптацию к воздействиям окружающей среды (например, температурные воздействия, ударные/вибрационные воздействия, электромагнитные воздействия и т. д.).