Ваш КПД на высоте? – DC/DC-преобразователи с несимметричным выходом для плавного управления IGBT

8 апреля 2014

RECOM Electronicстатья

IGBT («биполярный транзистор с изолированным затвором») незаменимы при использовании альтернативных источников энергии, в силовой электронике (управляющие схемы электродвигателей), для коммутации нагрузки большой мощности (порядка нескольких тысяч вольт). Для таких приложений компактные DC/DC-инвертеры с отличными изоляционными свойствами являются обязательным условием, так как они обеспечивают продолжительный срок службы, а также доступность «зеленой энергии» следующему поколению.

Фотоэлектрическая станция представляет собой типичный пример применения IGBT. На рисунке 1 представлена функциональная схема системы солнечных батарей с двумя каскадами IGBT-преобразователей (повышающий преобразователь и инвертор должны контролироваться через DC/DC-преобразователи с усиленной прочностью изоляции для обеспечения надежной изоляции со стороны высокого напряжения). Рассмотрим данную область применения подробнее.

Фотоэлектрические панели генерируют колебания напряжения в зависимости от времени суток и погодных условий, вследствие чего необходимо использование промежуточной цепи. Для получения стабильного напряжения промежуточной цепи (обычно 800…1000 В DC) устанавливают повышающие IGBT-преобразователи. Как правило, они оснащены системой MPP (МPP tracking – отслеживание точки оптимальной мощности). MPP гарантирует, что каждый фотоэлектрический модуль работает с оптимальной эффективностью независимо от доступности солнечного света. Модуль IGBT работает при переменной частоте коммутации, которая может превышать 300 кГц. Очевидно, что все остальные компоненты подвергаются при этом повышенной нагрузке.

Так как по понятным причинам промежуточная силовая цепь не может быть подключена напрямую в электросеть, второй модуль IGBT необходимо использовать в качестве инвертора. Две пары IGBT управляются по мостовой схеме противофазным ШИМ-сигналом. Для получения частоты, наиболее приближенной к синусоиде с частотой 50 Гц, управляющая частота должна быть примерно 10…20 кГц. Установленный после IGBT-модулей LC-фильтр сглаживает выходное напряжение так, чтобы его можно было подать непосредственно в электросеть.

 

Управление IGBT – на что следует обратить внимание

Мы рассмотрели принцип работы IGBT-транзисторов, но вопрос необходимости DC/DC-преобразователей остался открытым. Для чего используются DC/DC-модули, становится понятным после детального рассмотрения управляющей схемы IGBT. IGBT-транзисторы управляются IGBT-драйвером. Данный модуль встроен в силовую цепь и работает в пределах рабочего напряжения (рисунок 1). Поэтому его необходимо изолировать от управляющей цепи. Для управляющего сигнала изоляция реализуется с помощью оптопары, а в цепи питания – двумя DC/DC-преобразователями с усиленной прочностью изоляции.

Рис. 1. Функциональная схема системы солнечных батарей с двумя каскадами IGBT-преобразователей

Рис. 1. Функциональная схема системы солнечных батарей с двумя каскадами
IGBT-преобразователей

Для чего нужны два преобразователя? Они необходимы из-за свойств IGBT-транзистора, который, по сути, является гибридом MOSFET (металлооксидный полевой полупроводниковый транзистор) и биполярного транзистора. IGBT-транзистор разрабатывался для коммутации больших мощностей с минимальными потерями, что достигается максимально быстрой зарядкой затвора, приводящей к появлению чрезвычайно высоких пиков тока (dI/dT), а следовательно – к повышению нагрузки на прочие компоненты. Сопротивление затвора RG позволяет достичь максимальной скорости переключения при допустимых значениях dI/dT – такова ситуация при включении. Для выключения затвор, наоборот, необходимо как можно быстрее разрядить, что достигается благодаря отрицательному управляющему напряжению VG. Если рассматривать симметричную схему питания, то с одной стороны напряжение +15 В необходимо для надежного включения IGBT-модуля, а -15 В – для выключения, что представляется вполне разумным. Однако быстрый разряд затвора приводит к чрезвычайно высоким пикам напряжения (dV/dT), что, как правило, негативно влияет на срок службы прочих компонентов. Данную проблему можно решить за счет уменьшения управляющего напряжения при выключении. Опыт показывает, что значение VG = -9 В является наиболее подходящим, так как затвор по-прежнему надежно разряжается, в то время как значения dV/dT остаются на приемлемом уровне.

Рис. 2. Слева – общий дизайн IGBT-драйвера. Справа – кривые тока и напряжения во время включения/выключения

Рис. 2. Слева – общий дизайн IGBT-драйвера. Справа – кривые тока и напряжения во время включения/выключения

Рисунок 2 показывает принцип работы схемы IGBT-драйвера. Кривые тока и напряжения во время включения и выключения наглядно демонстрируют проблемы, возникающие при разработке управляющей схемы IGBT. Кривые, изображенные на рисунке 2 ясно показывают положительный эффект более низкого напряжения выключения на dV/dT-нагрузки. У инженеров, как правило, есть два варианта: выбор в пользу компактной конструкции с одним преобразователем (с двухканальным выходом ±15 В), со всеми недостатками, связанными с выключением, или выбрать более эффективное, но более дорогостоящее решение с двумя преобразователями (+15 В и -9 В соответственно).

 

Критерии выбора подходящего DC/DC-преобразователя

Для преодоления вышеуказанных проблем были разработаны IGBT-преобразователи. Данные модули оснащены асимметричным двухканальным выходом, как правило +15 В/-9 В. Таким образом, IGBT-драйвер можно обеспечить оптимальными рабочими напряжениями и избежать чрезмерных нагрузок.

Вторым важным критерием является прочность изоляции, характеризуемая напряжением изоляции и уровнем или типом изоляции.

На первый взгляд, рассчитать напряжение изоляции кажется достаточно легко. В соответствии с эмпирическим правилом, напряжение изоляции должно быть в два раза выше напряжения промежуточной цепи. Но этого, как правило, недостаточно. Учитывая высокие скорости переключения и связанные с ними крутые фронты импульсов переключения dV/dT, расчетное напряжение изоляции даже не приближено к реально необходимому значению. Поскольку эти пики возникают на протяжении всего нескольких мкс, их влияние на изолирующую емкость преобразователя проявляется не сразу. Тем не менее, как говорится, «вода камень точит», и поэтому нет ничего удивительного в том, что прочность изоляции в долгосрочной перспективе ухудшается, а следовательно – срок службы остальных компонентов значительно сокращается.

Уровень изоляции (т.е. по сути, тип изоляции) характеризуется двумя важными показателями: величиной воздушного зазора и путем утечки. Как правило, изоляция IGBT-драйверов рассчитана на частоту 50 Гц. Тем не менее, гораздо более высокие частоты – до нескольких сотен кГц – нередки в IGBT-приложениях. Такие высокие частоты могут влиять на электромагнитные свойства материала трансформатора абсолютно непредсказуемым образом. Кроме того, часто возникают паразитные емкости, вызванные крутыми фронтами переключения. Следовательно, стандартная изоляция, состоящая из слоя лака на проводах трансформатора, просто недостаточна. Для повышения безопасности необходима двойная изоляция, также называемая «базовой изоляцией». Для этого типа изоляции лакированные провода дополняются добавочными изоляционными барьерами.

Рис. 3. Компакт-диск с «Калькулятором изоляции»

Рис. 3. Компакт-диск с «Калькулятором изоляции»

В итоге напряжение изоляции должно быть значительно выше ожидаемого пикового напряжения, что реализуется при использовании базовой или усиленной (предпочтительно) изоляции. В результате надежность IGBT-преобразователя повышается. Еще одну трудность могут представлять противоречивые характеристики прочности изоляции, указываемые в спецификациях различных производителей. Чтобы прояснить данный вопрос, компания RECOM разработала удобный инструмент – «Калькулятор Изоляции» (рисунок 3), который можно заказать бесплатно. Кроме того, «Калькулятор Изоляции» есть на сайте RECOM: www.recom-international.com. Данный «Калькулятор» поможет разработчиками сравнить подобное с подобным и найти продукты, отвечающие заданным требованиям.

 

Широкий спектр применения современных IGBT-модулей

В соответствии с требованиями отрасли, компания RECOM разработала семь новых серий IGBT-преобразователей, которые были представлены в 2013 г. на выставке PCIM в Нюрнберге. Все модели оснащены асимметричными выходами (+15 В/-9 В), необходимыми для управления IGBT-драйверами, и доступны с входными напряжениями 5, 12 или 24 В (рисунок 4). Данные серии были разработаны для обеспечения оптимальной изоляции на различных уровнях напряжения. Начиная с 3 кВ (RH-xx1509D) и заканчивая 6,4 кВ (RxxP1509D), преобразователи обеспечивают соответствующие напряжения изоляции практически для всех приложений. Инженеры RECOM также уделили пристальное внимание требованиям компактности IGBT-преобразователей. Новые модули доступны в компактом корпусе SIP7 (RP-xx1509D), универсальном корпусе DIP14 (RKZ-xx1509D) или миниатюрном корпусе DIP24mini (RV-xx1509D) для приложений с ограниченным пространством.

Рис. 4. Питание IGBT-драйвера через DC/DC-преобразователь с асимметричным выходом

Рис. 4. Питание IGBT-драйвера через DC/DC-преобразователь с асимметричным выходом

Данные модули мощностью 1 и 2 Вт сертифицированы по EN60950-1 и не содержат опасных веществ (в соответствии с RoHS2 и REACH). Все модули поставляются с гарантией производителя три года. Данный гарантийный срок является стандартным и распространяется на всю продукцию RECOM.

 

Бюджетные 1 Вт DC/DC преобразователи от Recom

recom_micro_fmtКомпания Recom расширила линейку продукции новыми DC/DC-преобразователями невысокой стоимости. Это новая серия E, которая специально разработана для наиболее популярных моделей преобразователей. Снижения стоимости, при неизменном высоком качестве и надежности, удалось достичь оптимизацией производственного процесса на собственных производственных линиях при выпуске изделий в большом объеме.

Новое семейство включает в себя семь преобразователей:

  • R1SE-0505: 1 Вт, нерегулируемый, SMD-монтаж;
  • REE-0505S и RBE-0505S: 1 Вт, нерегулируемый, SIP7 с различным расположением выводов;
  • ROE-0505S: 1 Вт, нерегулируемый, SIP4;
  • RKE-0505S/H: 1 Вт, нерегулируемый, SIP7 с изоляцией 3,75 кВ;
  • R-78E5.0: 500 мА, импульсный преобразователь, SIP3;
  • ROF-78E5.0: 500 мА, импульсный преобразователь, открытая конструкция для SMD монтажа.

Все преобразователи имеют напряжение «вход-выход» 5 В и работают с эффективностью до 75% при температуре окружающей среды -40…85°C. Подобные преобразователи часто используются для изоляции интерфейсов или различных шин. Преобразователи новой серии выпускаются в пяти различных вариантах, различающихся расположением и типом выводов, и совместимы с изделиями low-drop. Несмотря на низкую стоимость, серия E полностью сертифицирована под требования стандарта UL60950.

Серии R-78E и ROF-78E обладают всеми преимуществами импульсных стабилизаторов (высокая эффективность, широкий диапазон входного напряжения и высокая стабильность выходного напряжения) и оптимальной стоимостью. Для преобразователей не требуются внешние компоненты, они обладают повышенным КПД до 92%.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Recom_NE_04_14_opt

•••

Наши информационные каналы

О компании RECOM Electronic

Компания была основана в 1974 г. Головной офис фирмы расположен Германии. Разработка и тестирование преобразователей осуществляются в Германии, производство размещено в Азии. Компания RECOM предлагает широкую гамму высоко качественных DC/DC преобразователей мощностью от 0,25 до 100 Вт. Преобразователи предназначены для применения в телекоммуникационной аппаратуре, приборах управления технологическими процессами, на транспорте, в медицинском оборудовании и т.п. Основная продукция выполнена для ...читать далее