Izolowany sterownik bramki? Co to? Po co? I dla czego?

Bez  rozważań akademickich. Upraszczając: Ze względu na swoje specyficzne właściwości, tranzystory MOSFET (zarówno SI jak tez SIC, ale także  IGBT)  bardzo często znajdują zastosowanie w układach sterowania  dużymi obciążeniami. Nie czas ani miejsce aby zagłębiać się w temat, na razie wystarczy zapamiętać ze tam gdzie występują duże obciążenia  (szczególnie o charakterze indukcyjnym), tam mają miejsce przepięcia o znacznych wartościach

   

 Jeżeli do elementu przełączającego podłączymy bezpośrednio nadrzędna logikę sterującą (mikrokontroler) bez jakichkolwiek układów zabezpieczających, wówczas musimy liczyć się nie tylko z błędną pracą układu, ale również z permanentnym zniszczeniem zarówno logiki sterującej, jak tez pozostałej części układu. W wielu przypadkach może to prowadzić do tragicznych w skutkach konsekwencji.  

 

Aby zminimalizować potencjalne zagrożenie, często stosuje się specjalnej konstrukcji diody  zwane  diodami TVS, odpowiednie elementy zabezpieczające w obwodzie bramki, a także izolacje galwaniczna pomiędzy logika sterująca a układem przełączającym. Do niedawna bardzo powszechną metoda izolacji było zastosowanie transoptor. Czyli izolacji optycznej.  Jednak  elementy te ze względu na wymagana "przekładnie" (moc świetlna elementu emisyjnego musi być odpowiednio dużej wartości aby wywołać pożądany stan na wyjściu transoptor) są dosyć kłopotliwe w zastosowaniu. Sytuacja ulęgła znacznej poprawie z chwila opracowania układów izolacyjnych bazujących na barierze pojemnościowej.

 

Z czasem ktoś wpadł na pomysł, by dotychczasowe oddzielne obwody sterowania elementem przełączającym umieścić w jednej obudowie z izolatorem. Tak powstały izolowane sterowniki bramek. Jeszcze później, dodano obwody zabezpieczające (choćby przed "efektem Millera"), pomiaru prądu i  napiec zarówno na samej bramce jak tez w obwodzie DS i inne. W wyniku powyższych działań znacznie podniesiono zarówno niezawodność układową jak tez bezpieczeństwo aplikacyjne.

Schemat blokowy izolowanego sterownika bramki AduM4121 firmy  Analog Devices

Może jednak rodzic się pytanie o sens stosowania dodatkowych układów sterujących. Dodatkowe elementy sterujące bramka tranzystora stanowią swojego rodzaju bufor i umożliwiają między innymi sterowaniem tranzystorami których napiecze progowe VGS(th) może być znacznie wyższe niż napiecze dostępne z portu mikrokontrolera. A należy pamiętać ze VGS(th) to napiecze przy którym tranzystor zaczyna się otwierać. Aby w pełni się otworzył, napięcie VGS(th) musi być wyższe, czasami nawet znacznie wyższe.
 

jejeden z proponowanych układów pracy izolowanego sterownika bramki

 Izolowane sterowniki bramek również i w tym przypadku oferują uniwersalność.   Wiele z nich zaprojektowanych zostało w celu obsługi zarówno MOSFET SI, MOSFET SIC, IGBT a nawet "zwykłych" tranzystorów bipolarnych. Każdy z wyżej wymienionych typów posiada swoje wady i zalety, dlatego tez miejscami spotykana dyskusja: "jakiego typu tranzystor jest lepszy", nie ma większego sensu. Raczej powinno zadawać sobie pytanie: „w jakiej aplikacji dany typ tranzystora sprawdzi się najlepiej”.
 

Porównanie tranzystorów  SI SIC IGBT