№7 / 2007 / статья 4

G5 HVIC – новое поколение высоковольтных силовых управляющих ИС

Евгений Звонарев

 

 

 

Драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов предназначены для управления мощными полупроводниковыми приборами в выходных каскадах преобразователей электрической энергии. Используются в качестве промежуточного звена между управляющей схемой (контроллером или цифровым сигнальным процессором) и мощными исполнительными элементами, коммутирующими нагрузку. Драйверы — это основная группа высоковольтных ИС International Rectifier. К ней также можно отнести контроллеры электронных балластов.

Этапы развития энергетической (силовой) электроники определяются достижениями в технологиях силовых ключей и схем управления. Динамические и статические параметры силовых приборов постоянно улучшаются, но мощными ключами нужно еще и эффективно управлять. Для сбалансированного взаимодействия между управляющей схемой и выходными каскадами и предназначены новые мощные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов фирмы International Rectifier. Драйверы IR имеют высокие выходные токи (до ±4 А), малые длительности фронта, спада, задержки и другие интересные отличительные особенности. Выпускаемые International Rectifier управляющие микросхемы предназначены для работы в любых конфигурациях силовых каскадов в диапазоне мощности до 3-5 кВт.

Упрощенная структура силового каскада с высоковольтной управляющей микросхемой показана на рисунке 1.

Упрощенная структура полумостового силового каскада с высоковольтным драйвером (HVIC)

Рис. 1. Упрощенная структура полумостового силового каскада с высоковольтным драйвером (HVIC)

Высоковольтный драйвер MOSFET/IGBT должен удовлетворять следующим требованиям:

  • управляться логическим сигналом, связанным с сигнальной шиной общего провода, следовательно, драйвер верхнего плеча должен иметь высоковольтный каскад сдвига уровня;
  • мощность, рассеиваемая схемой управления, должна быть пренебрежимо мала по сравнению с общей рассеиваемой мощностью;
  • схема управления должна обеспечивать токи заряда/разряда цепи затвора, гарантирующие динамические характеристики транзистора.

Производство микросхем управления HVIC вобрало в себя все достижения высоковольтных технологий, но их развитие происходит все более быстрыми темпами, появляются дополнительные функциональные возможности, возрастает степень интеграции при уменьшении площади кристалла и стоимости. Воплощением всех этих достижений стали высоковольтные силовые микросхемы управления 5-го поколения G5 HVIC. На рисунке 2 проиллюстрирован переход от старых серий высоковольтных управляющих микросхем к новому поколению G5 HVIC. Микросхемы предыдущих поколений со временем будут сняты с производства, цена старых драйверов в переходный период будет расти. Из нижних графиков рисунка 2 видно, что со временем отношение функциональность/стоимость будет увеличиваться. Это объясняется дальнейшим снижением цен при улучшении параметров с добавлением дополнительных функций при повышении степени интеграции ИС.

Развитие HVIC (высоковольтных ИС) International Rectifier

Рис. 2. Развитие HVIC (высоковольтных ИС) International Rectifier

Драйверы нового поколения G5 HVIC условно можно разделить на две категории, показанные на рисунке 3:

  • обновленные версии первых поколений;
  • новые драйверы с расширенной функциональностью и улучшенными характеристиками.
Две категории новых высоковольтных драйверов G5 HVIC

Рис. 3. Две категории новых высоковольтных драйверов G5 HVIC

Обновленные версии драйверов новых поколений полностью совместимы по выводам, имеют более жесткие допуски по многим параметрам, благодаря чему расширяется выбор внешних дискретных компонентов и упрощается расчет схемы, дополнительно повышается надежность всей схемы. Во многих случаях новые ИС уже содержат встроенный бутстрепный диод (bootstrap diode), благодаря чему отпадает необходимость в относительно громоздком по сравнению с самой микросхемой драйвера внешнем бутстрепном диоде. Высокая плотность структуры при уменьшенном кристалле, совместимость с логикой 3,3 В, раздельные выводы для сигнальной и силовой «земли», фиксируемое и программируемое время паузы (deadtime) при переключении транзисторов полумостовых и мостовых схем, блокировка по низкому напряжению питания облегчают разработчику проектирование высоконадежных силовых устройств.

Основные параметры новых драйверов и микросхем предыдущих поколений сведены в таблицу 1. Обозначения микросхем новых серий отличаются добавленной буквой «S», похожей на цифру «5» (5-е поколение G5). Наименования некоторых новых микросхем оканчиваются на букву «D», что означает наличие встроенного бутстрепного диода. Некоторые новые драйверы G5 не имеют аналогов в предыдущих поколениях микросхем.

Таблица 1. Замены для высоковольтных микросхем предыдущего поколения из новых серий G5 HVIC

G5 HVIC Наименование предыдущего поколения Корпус (а) Комментарии
Драйверы нижнего и верхнего ключей (High/Low Driver)
IRS2001 SOIC/DIP UVLO VCC
IRS2011 IR2011 SOIC/DIP Выходной ток ±1 А; UVLO VCC и VBS
IRS2101 IR2101 SOIC/DIP UVLO VCC
IRS2106 IR2106 SOIC/DIP UVLO VCC и VBS
IRS21064 IR21064 SOIC/DIP UVLO VCC и VBS
IRS2110 IR2110 SOIC/DIP Выходной ток ±2,5 А; UVLO VCC и VBS, входная логика для режима shutdown
IRS2112 IR2112 SOIC/DIP Выходной ток 290/600 мА; UVLO VCC и VBS, входная логика для режима shutdown
IRS2113 IR2113 SOIC/DIP Выходной ток ±2,5 А; UVLO VCC и VBS, входная логика для режима shutdown
IRS2181 IR2181 SOIC/DIP Выходной ток 1,9/2,3 А; UVLO VCC и VBS
IRS2184 IR21814 SOIC/DIP Выходной ток 1,9/2,3 А; UVLO VCC и VBS
IRS2186 IR2186 SOIC/DIP Выходной ток ±4 А; UVLO VCC и VBS
IRS21664 IR21864 SOIC/DIP Выходной ток ±4 А; UVLO VCC и VBS
IRS2301 IR2301 SOIC UVLO VCC и VBS
Драйверы полумоста (Half-Bridge Driver)
IRS2003 SOIC/DIP UVLO VCC
IRS2004 SOIC/DIP UVLO VCC и VBS, входная логика для режима shutdown
IRS20124 SOIC Выходной ток 1/1,2 А, программируемое время deadtime, UVLO и VBS
IRS20955 SOIC/DIP Выходной ток 1/1,2 А, программируемое время deadtime, UVLO и VBS
IRS2103 IR2103 SOIC/DIP UVLO VCC
IRS2104 IR2104 SOIC/DIP UVLO VCC, входная логика для режима shutdown
IRS2108 IR2108 SOIC/DIP UVLO VCC и VBS
IRS21084 IR21084 SOIC/DIP Программируемое врямя deadtime, UVLO и VBS
IRS2109 IR2109 SOIC/DIP Входная логика для режима shutdown, UVLO VCC и VBS
IRS21091 IR21091 SOIC/DIP Входная логика для режима shutdown, UVLO VCC и VBS
IRS21094 IR21094 SOIC/DIP UVLO VCC, входная логика для режима shutdown, программируемое время deadtime
IRS2111 IR2111 SOIC/DIP UVLO VCC и VBS
IRS2153D IR2153 SOIC/DIP Встроенные бутстрепные диоды, 50% рабочий цикл, deadtime = 1,1 мкс
IRS21531D IR21531 SOIC/DIP Встроенные бутстрепные диоды, 50% рабочий цикл, deadtime = 0,6 мкс
IRS2166D IR2166 SOIC/DIP Встроенные бутстрепные диоды, программируемое время deadtime, ККМ + схема электронного балласта
IRS2168D IR2167 SOIC/DIP Встроенные бутстрепные диоды, программируемое время deadtime, ККМ + схема электронного балласта
IRS2183 IR2183 SOIC/DIP Выходной ток 1,9/2,3 А; UVLO VCC и VBS
IRS21384 IR21834 SOIC/DIP Выходной ток 1,9/2,3 А; UVLO VCC и VBS, программируемое время deadtime
IRS2184 IR2184 SOIC/DIP Выходной ток 1,9/2,3 А; UVLO VCC и VBS, входная логика для режима shutdown
IRS21844 IR21844 SOIC/DIP Выходной ток 1,9/2,3 А; UVLO VCC и VBS, программируемое время deadtime, входная логика для shutdown
IRS2302 IR2302 DIP Входная логика для режима shutdown, UVLO VCC и VBS
IRS2304 IR2304 SOIC/DIP UVLO VCC и VBS
IRS2308 IR2308 SOIC/DIP UVLO VCC и VBS
IRS2540 SOIC/DIP Автоматический перезапуск, deadtime = 140 нс
IRS2541 SOIC/DIP Автоматический перезапуск, deadtime = 140 нс
Драйверы одноканальные (Single Channel Driver)
IRS2117 IR2117 SOIC/DIP Выходной сигнал синфазен с входным
IRS2118 IR2118 SOIC/DIP Выходной сигнал в противофазе с входным
IRS2127 IR2127 SOIC/DIP Наличие входа для подключения датчика тока, входной и выходной сигнал синфазны
IRS2128 IR2128 SOIC/DIP Наличие входа для подключения датчика тока, входной и выходной сигнал в противофазе
IRS21851 SOIC Выходной ток ±4 А
Драйверы нижнего ключа (Low Side Driver)
IRS4426 IR4426 SOIC/DIP Выходной ток 2,3/3,3 А
IRS4427 IR4427 SOIC/DIP Выходной ток 2,3/3,3 А
IRS4428 IR4428 SOIC/DIP Выходной ток 2,3/3,3 А
Мостовой драйвер (Full-Bridge Driver)
IRS2453D SOIC/DIP Встроенные бутстрепные диоды, выходной ток 180/260 мА, микромощная схема запуска

БУТСТРЕПНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Часто из-за слишком большого входного напряжения для транзисторов верхнего плеча применяется относительно простая и недорогая бутстрепная схема управления (схема с «плавающим» источником питания). В такой схеме длительность управляющего импульса ограничена величиной бутстрепной емкости. Кроме того, необходимо обеспечить условия для его постоянного заряда с помощью высоковольтного быстродействующего каскада сдвига уровня. International Rectifier применяет свою запатентованную схему каскада сдвига уровня на высоковольтных транзисторах MOSFET. Каскад сдвига уровня передает логический сигнал схеме управления транзисторам верхнего плеча. International Rectifier выпускает драйверы, рассчитанные на перепад напряжения до 600 В (серия IR21xx и новая серия IRS21xx) и до 1200 В (серия IR22xx и новая серия IRS22xx). Каскад сдвига уровня содержит генератор, формирующий короткие импульсы, совпадающие с фронтами входного логического сигнала, дискриминатор импульсов и RS-триггер (защелку) для формирования сигнала управления выходным транзистором верхнего плеча. Такое построение схемы управления позволяет резко снизить ток потребления верхнего каскада драйвера. Принцип работы бутстрепной схемы управления для полумостового каскада проиллюстрирован на рисунке 4. Красным цветом выделены основные компоненты, активные в рассматриваемый момент работы схемы.

Принцип работы бутстрепной схемы для полумостового каскада

Рис. 4. Принцип работы бутстрепной схемы для полумостового каскада

Кроме формирования тока затвора MOSFET и IGBT драйверы International Rectifier имеют ряд очень важных дополнительных функций:

  • защита от короткого замыкания (Short Circuit Protection);
  • защита от перегрузки по току (Overcurrent Protection);
  • защита от защелкивания при низких напряжениях питания и управления (Under Voltage LockOut — UVLO). Для ключей выходного каскада понижение напряжения управления очень опасно. В этом случае транзистор может перейти в линейный режим и может произойти катастрофический отказ из-за перегрева кристалла. Для исключения такого режима практически во всех современных драйверах MOSFET и IGBT имеется схема UVLO. Все драйверы International Rectifier выдерживают фронты напряжения до 50 В/нс. Этот параметр называется dv/dt immune. Он характеризует высокую устойчивость к режиму защелкивания, который, как известно, очень опасен для высоковольтных импульсных схем.

Поиск на сайте IR (www.irf.com) функционально близких замен из нового поколения G5 для драйверов предыдущих поколений.

Инженеры International Rectifier составили большое количество таблиц для сравнения параметров новых драйверов G5 с высоковольтными микросхемами предыдущих поколений. Например, при поиске сравнительной таблицы для драйверов IR2110 в формате PDF необходимо на сайте IR в окне поиска набрать «PDF G5HVIC IR2110» и отметить "Site Search" (поиск по всему сайту). Необходимо обратить внимание на то, что G5HVIC необходимо набирать слитно. (см. рис. 5). 

Первое окно для поиска параметров новых функционально близких драйверов G5

Рис. 5. Первое окно для поиска параметров новых функционально близких драйверов G5

Поиск по сайту производится средствами известного поискового механизма Google (см. рис. 6 со ссылками на результаты поиска).

Найденные ссылки с результатами поиска сравнительной таблицы параметров новых драйверов G5 и ИС предыдущих поколений

Рис. 6. Найденные ссылки с результатами поиска сравнительной таблицы параметров новых драйверов G5 и ИС предыдущих поколений

Найденный PDF файл содержит несколько страниц. Страница со сравнительной таблицей, фрагмент которой показан на рисунке 7, находится в конце файла. Автор умышленно не стал переводить названия параметров, чтобы не вводить читателя в заблуждение. С другой стороны, есть полная уверенность, что в данном конкретном случае это и не требуется. Аналогичным способом поиска читатель может найти сравнительные таблицы для других драйверов ранних поколений, приведенных в таблице 1.

Найденная сравнительная таблица с параметрами для IR2110 и функционально близких к ним новых драйверов поколения G5

Рис. 7. Найденная сравнительная таблица с параметрами для IR2110 и функционально близких к ним новых драйверов поколения G5

НОВЫЕ G5 ДРАЙВЕРЫ

Необходимо обратить внимание на новые драйверы International Rectifier поколения G5:

  • IRS2453D — мостовой 600-вольтовый драйвер со встроенными бутстрепными диодами и генератором. Выходные токи драйвера составляют 180/260 мА. Микромощная схема запуска, встроенный стабилитрон 15,6 В по питанию Vcc, отличная защита от защелкивания, время паузы (deadtime) составляет 1,5 мкс, наличие входа shutdown;
  • IRS2186, IRS21864 — 600-вольтовые драйверы нижнего и верхнего уровней. Выходные токи драйверов составляют ±4 А, совместимость с логикой управления 3,3 и 5 В, защита от пониженного напряжения, улучшенные показатели надежности;
  • IRS21851S — одиночный 600-вольтовый драйвер верхнего уровня. Выходные токи ±4 А, длительность фронтов при нарастании и спаде напряжения около 170 нс, защита от пониженного напряжения, улучшенные показатели надежности.
Высоковольтные ИС пятого поколения

По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ.
Е-mail:
power.vesti@compel.ru.

Новые 25-вольтовые DirectFET-транзисторы

Корпорация International Rectifier анонсировала три новых 25 В DirectFET® — управляющий МОП-транзистор IRF6622 и МОП-транзисторы синхронного выпрямления IRF6628 и IRF6629. 

Новые транзисторы разработаны для повышения объемной плотности энергии, КПД и тепловых характеристик VRM-модулей и узлов питания процессоров серверов и телекоммуни-
кационного оборудования.

Новые DirectFET более предпочтительны для 12 В приложений благодаря более высокому запасу по напряжению по сравнению с 20 В аналогами и меньшими потерями мощности, чем 30 В транзисторы. Управляющий транзистор IRF6622 обеспечивает минимальные потери на переключение благодаря ультранизкому заряду затвора 12 нК. Транзисторы синхронного выпрямления IRF6628 и IRF6629 оптимизированы для низких потерь на проводимость и имеют очень низкое RDS(on), 1,9 мОм и 1,6 мОм, соответственно. IRF6622 выпускается в корпусе малого типоразмера SQ, а IRF6628 и IRF6629 — в корпусе среднего типоразмера MX.

Новые транзисторы предназначены для применения в DC/DC-конверторах с диапазоном токов в фазе 20-30 А. В 5-фазных конверторах с 12 В питанием и выходным напряжением 1,3 В, работающих на частоте 300 кГц, пара транзисторов IRF6622 и IRF6628 на фазу совместно с ИС XPhase® обеспечивает КПД конвертора 88% на выходном токе 130 A, а пара IRF6622 и IRF6629 дает при тех же условиях КПД 88,5%.

Источник: http://www.irf.com/

 

Наши информационные каналы

Рубрики: