بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله طراحی یک مدار کلیدزنی برای نیمه هادی قدرت ،کانال N با استفاده از اجزای گسسته در ولتاژ راه اندازی 24 ولت پیشنهاد شده است.در این شبیه سازی از روش انتقال سطحی خاصی ، برای افزایش ولتاژ گیت که بالاتر از ولتاژ منبع میباشد،به کار گرفته شده است.برای مشاهده عملکرد مدار کلیدزنی طراحی شده، مدار در فرکانسهای ورودی مختلف اعمالی به گیت نیمه هادی - از 50 هرتز تا 150 کیلوهرتز - آزمایش شده است.در این مقاله از ماسفت IRF730 به عنوان نیمه هادی کلیدزنی استفاده شده است.در نتیجه،در عملکرد نشان داده شده دیده میشود که مدار کلیدزنی تا فرکانس 100 کیلوهرتز به خوبی کار خواهد کرد.
.1 مقدمه
یک مشکل مشترک در طراحی همه اینورترهای پل H اینست که ماسفتی - ترانزیستور اثر میدانی فلز اکسید نیمه رسانا - که بین بار و +Vcc متصل شده است،فقط توسط دریافت ولتاژ گیت - - Vgs،بین 10 ولت تا 20 ولت عمل خواهد کرد.بیشتر طراحان با تجربه در ساخت ICها،با توجه به محدودیت های خاص آنها مثل موجود نبودن آنها در بازار و زمان هدایت طولانی آنها به این مشکل بر خواهند خورد.[1]انواع زیادی از مدارها وجود دارند،که با توجه به الزامات طراحی باید از یک سری ICهای خاص طراحی و ساخته نشده برای راه اندازی استفاده کنند.
از دیگر مشکلات راه اندازی اینورترها انتخاب خازن خود راه انداز برای مدار میباشد که بیشتر حساسیت این موضوع متعلق به عملکرد فرکانسی مدار است.برای طراحی یک اینورتر پل معمولی معمولا از،MOSFET و - IGBTترانزیستور دوقطبی گیت عایق - به عنوان نیمه هادی هایی برای کلید زنی استفاده میشود.آنها چندین مزیت نسبت بهBJTها - ترانزیستور دوقطبی پیوندی - دارند به عنوان مثال امپدانس ورودی خیلی بالا، فرکانس کلیدزنی خیلی بالا و تلفات کلیدزنی پایین از ویژگیهای این ترانزیستورها میباشند. تکنولوژی حاضر در مدار الکترونیک قدرتMOSFETها و IGBTها را به دلیل تنوع ولتاژها و جریان ها و همچنین قابل دسترس بودن آنها در بازار ترجیح می دهد.
ماسفت یک کلید ولتاژ محور با ولتاژ آستانه معمولاً بین 3 ولت تا 7 ولت میباشد.[3]بنابراین این موضوع خیلی مهم است که Vgs - ولتاژ گیت سورس - ماسفت بیشتر از ولتاژ آستانه،برای روشن نگه داشتن آن به مدت طولانی باشد.در این طراحی،از ماسفت IRF730 برای مدار اینورتر،جهت عملکرد بهینه آن همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است،استفاده شده و مقدار Vgs برای روشن شدن کامل دستگاه بین 10 ولت تا 20 ولت خواهد بود .[3]روشن شدن بخشی از ماسفت می تواند ناشی از Vgs پایین بدلیل Rds بالا باشد که اتلاف بیش از اندازه حرارت نیز به همین دلیل خواهد بود که جریان از طریق آن جاری می شود،بدین ترتیب ولتاژ گیت مناسب باید اعمال شود تا ماسفت به حالت اشباع خود در طول حالت روشن نرود
شکل.1اینورتر پل H
روشن کردن ماسفتهای S1 و S3میتواند کاملاً امری ترفندی باشد.به عنوان مثال،S1 که روشن شود،ولتاژ بار برابر ولتاژ منبع +Vcc است.در این حالت ولتاژ گیت - Vgs - باید ولتاژی بیشتر از ولتاژ آستانه باشد یعنی حداقل 7 ولت برای روشن کردن نیمه هادی S1 برای گیت لازم است.به این ترتیب،ولتاژ Vgs باید حداقل 7 ولت بالاتر از +Vcc باشد.
.2 روش پیشنهادی
یک مدار برای کلید زنی ماسفت S1 طراحی شده است. شکل 2 مدار پیشنهادی را نشان میدهد.به طور مشابه میتوان مدار یکسانی برای کلیدزنی S3 نیز هم زمان پیشنهاد شود.
شکل .2مدار پیشنهادی برای کلید زنی ماسفت S1
اهمیت مدار طراحی شده در المانهای به کار برده شده در آن است که قابل تعویض و دسترسی هستند.در این مدار المانهای حساس آن به طورعمده شامل C1 و D1 و D3 و D4 و ترانزیستورها می باشند.عملکرد تعویض کننده سطح نیز برای اضافه کردن ولتاژ از قبل ذخیره شده در C1 به ولتاژ منبع +Vcc توسط ترانزیستورهای Q1 وQ2 انجام میشود.
وقتی ورودی پالس،+5 ولت است درمقداری پایین تر از آن و در ولتاژ صفر ولت، ترانزیستورQ3 خاموش خواهد بود.در نتیجه ترانزیستورهای Q1 وQ2 روشن خواهند شد و در این زمان ماسفت S2 خاموش است در این حالت ولتاژ از طریق Q1و بدلیل روشن بودن S1 به زمین متصل است.به طور متناوب اگر ورودی پالس در مقدار 5 ولت باشد،Q3روشن خواهد شد از این رو Q1 وQ2 و S3 نیز روشن می شود سپس Q1 خاموش خواهد شد و ولتاژ منبع 24 ولت در کلکتور Q1 از طریق دیود D1 و اضافه کردن ولتاژ از قبل ذخیره شده در خازن ،ایجاد خواهد شد.
بنابراین ولتاژها در نقطه ی A و B همانطور که در شکل 2 می بینید،نسبت به زمین،36 ولت خواهند بود.از دیتاشیت IRF730 مشخص شده است که ولتاژ آستانه گیت 3 - Vgs - ولت است.
.3 نتایج
یک ولتاژ تریگر مستقیم،5 ولت به ورودی مدار اعمال شده است،در ترانزیستورهای Q1 - وQ2 و - Q3 ولتاژ کلکتور 12 17 ولت و 24 39 Vcc ولت میباشد .
ولتاژها در نقاط خاص اشاره شده در مدار شکل 2 اندازه گیری شده است و به ترتیب برابر: ولتاژ در نقطه36.56 v =A ولتاژ در نقطه36.56 v =B ولتاژ آستانه - 3.60 v = - Vgs زمانی ولتاژ تریگرمستقیم،5 ولتی در ورودی وجود نداشته باشد ولتاژها در نقاط گفته شده به ترتیب برابر: ولتاژ در نقطه11.58 v = A ولتاژ در نقطه0.625 v = B ولتاژ آستانه - 0 v = - V gs
