Денис Гжелин

Более половины вырабатываемой в мире электроэнергии, как известно, потребляют электродвигатели. Чтобы добиться существенной экономии электроэнергии и упростить конструкцию ненадежных редукторов, сегодня за рубежом трехфазные асинхронные двигатели подключают к выпрямленному сетевому напряжению через мощные электронные ключи.

Фирма Motorola, вернее, ее отделение полупроводников предлагает комплект для построения схем управления двигателем мощностью до 10 кВ.А, который позволяет плавно и точно регулировать скорость вращения. В основе комплекта  -  силовые ключи на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Нет, никакой ошибки здесь нет, именно так  -  Insulated Gate Bypolar Transistor (IGBT). Для простоты далее мы будем его называть биполярным МОП-транзистором (БМОП).

Система управления двигателем

Свои преимущества есть у ключей на биполярных и полевых транзисторах и на тиристорах. БМОП-транзистор чем-то похож на каждый из этих приборов. В нем можно выделить тиристорную структуру p-n-p-n, найти самый настоящий изолированный затвор и области коллектора с эмиттером. Важно то, что новая полупроводниковая структура допускает очень большую плотность тока. Это позволяет уменьшить площадь кристалла и, следовательно, снизить стоимость прибора.

Отметим основные свойства БМОП-транзистора. Все, кому доводилось подключать симисторы, управляемые отрицательным напряжением, оценят то, что на высокоомную цепь затвора нужно подавать положительное относительно эмиттера напряжение. БМОП-транзистор обладает большим быстродействием, чем тиристоры, и устойчивее работает при высокой скорости изменения коммутируемого напряжения. Его сопротивление при больших токах растет с повышением температуры, поэтому приборы можно соединять параллельно. Кроме того, при индуктивной нагрузке образуется автоматическая защита от перегрева. Величина прямого падения напряжения зависит от тока нелинейно. В любом случае она меньше, чем напряжение на канале полевого транзистора. В структуре БМОП нет паразитного обратносмещенного диода. В тех случаях, когда диод может понадобиться, его формируют рядом на кристалле.

Недостаток БМОП-транзистора  -  довольно большое время выключения (порядка 1 мкс)  -  ограничивает рабочую частоту ключей значением около 25 кГц. Однако для управления двигателями этого во многих случаях достаточно.

Условное обозначение и упрощенная эквивалентная схема БМОП-транзистора

Motorola выпускает приборы, рассчитанные на максимальные напряжения 600 и 1200 В и ток 5 - 20 А, в корпусах для поверхностного монтажа DPAK (например, MGD5N60E) и в обычных корпусах TO (MGW20N120). В сборках VersaPower БМОП-транзисторы совмещены с мостом сетевого выпрямителя.

Кроме ключевых приборов в комплект входит еще ряд устройств:

- недорогой однокристальный микроконтроллер семейства 68HC05 или 68HC08. Микроконтроллер управляет работой двигателя и имеет встроенный АЦП, выходы с повышенной нагрузочной способностью, порт для подключения клавиатуры, широтно-импульсный модулятор, контроллер ЖКИ и другие полезные для управляющих устройств элементы;

- оптопары HCPL0453, разработанные в расчете на большие броски напряжения на двигателе, развязывают микроконтроллер и высоковольтные схемы. Типовое время задержки оптопар не превышает 600 нс;

- микросхема MC33153 не только обеспечивает оптоэлектронную развязку, но и управляет силовым ключом, защищая его от перегрузок. Микросхему удобно применять с ключевыми транзисторами любых типов;

- полевой транзистор MTB3 N120E, выдерживающий напряжение 1200 В, служит импульсным источником питания вычислителя;

- разработчику также могут пригодиться 600 В оптосимисторы MOCZ500, рассчитанные на ток нагрузки до 500 мА, и мощные симисторы MAC15S с током управления всего 5 мА.

В системе управления двигателем могут понадобиться различные датчики. Компания выпускает датчики давления и ускорения, обещает скоро представить датчики присутствия в воздухе различных химических веществ.

Дополнительную информацию о продукции компании Motorola для разработчиков вы найдете в Web по адресу: www.mot.com.               

С автором статьи можно  связаться по телефону:  (095) 535-9367 или по адресу: elves@ftri.extech.msk.su.