№5 / 2013 / статья 6

Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Андрей Булычев (г. Москва), Кирилл Автушенко (КОМПЭЛ)

От надежной работы выходных каскадов силовых электронных устройств зависит, в конечном итоге, работа всей производственной линии, где эти устройства применяются. Для надежного и качественного переключения управляющих силовых ключей — высоковольтных MOSFET- и IGBT-транзисторов — необходимо обеспечить выполнение ряда условий:

1) напряжение на затворе должно быть выше напряжения истока транзистора на 5…10 В для MOSFET и 10…15 В для IGBT. Задача усложняется тем, что в высоковольтной системе напряжение истока (т.е. в основной шине устройства) может достигать нескольких сот или тысяч вольт;

2) транзистор в составе системы должен иметь возможность прямого управления от логической низковольтной части системы, обычно измеряемого относительно общей шины. Таким образом, напряжение низковольтной части должно иметь смещение относительно источника питания высоковольтной части системы, которое, в свою очередь, часто является двуполярным;

3) мощность, потребляемая схемой управления затвором, не должна существенно влиять на общую производительность системы коммутации.

Основной задачей драйвера для обеспечения указанных выше требований является преобразование уровней напряжения и согласование низковольтной части системы управления, имеющей, как правило, однополярное питание, и высоковольтной части, к которой часто приложено двуполярное напряжение с высоким потенциалом.

Второй задачей, решаемой с помощью специализированных драйверов, является обеспечение высоких значений токов затвора, переключающих силовые транзисторы. Дело в том, что высоковольтные силовые ключи, как правило, имеют значительные паразитные емкости, способные накапливать большие заряды в области затвора. Для полноценного переключения таких транзисторов этот заряд необходимо рассосать или накачать, что и обеспечивается с помощью больших выходных токов драйвера.

Кроме того, драйверы силовых ключей, в отличие от простых преобразователей уровня, снабжены множественными механизмами защиты как самого драйвера, так и управляемых ключей, что позволяет выполнять формирование выходных управляющих сигналов согласно определенным алгоритмам, чтобы предотвратить выход системы из строя в аварийной ситуации.

Интегральные драйверы, производимые компанией International Rectifier, предоставляют широкий набор функций, необходимых для управления силовыми MOSFET- или IGBT-ключами.

 

Типы драйверов компании IR

В зависимости от функциональной насыщенности и выполняемых функций, изделия компании International Rectifier можно разделить на несколько типов:

  • драйверы нижнего и драйверы верхнего ключа;
  • драйверы, совмещающие управление верхним и нижним ключом;
  • полумостовые драйверы;
  • трехфазные драйверы.

Познакомимся подробнее с типами драйверов и особенностями их применения.

В зависимости от базового включения силового транзистора в систему, он является верхним или нижним ключом. На рисунке 1 представлена схема, в которой силовой транзистор является верхним ключом. Если нагрузка включена между плюсом силовой шины и стоком силового транзистора, подключенного истоком к общей шине, то в такой схеме транзистор будет являться силовым нижним ключом.

 

Пример схемы включения силового транзистора в качестве верхнего ключа

 

Рис. 1. Пример схемы включения силового транзистора в качестве верхнего ключа

Компания International Rectifier выпускает такие драйверы в одноканальном и двуканальном исполнении, с различными значениями выходных токов (до 4 А) и вариантами конфигураций инвертированных входов. Перечень доступных микросхем представлен в таблице 1.

Таблица 1. Микросхемы драйверов верхнего/нижнего ключей   

Наименование Кол-во каналов Напря-жение на шине, В Io+, мA Io-, мA Ton ном., нс Toff ном., нс Инверти-рованные входы Корпус
Драйверы нижнего ключа
IR2121 1   5   1600   3200   150   200   —   8-Lead SOIC  
IRS44273 1   25   1500   1500   50   50   —   5-Lead SOT23  
IR25600 2   25   2300   3300   85   65   IN1 / IN2   8-Lead SOIC  
IRS4426 2   25   2300   3300   50   50   IN1 / IN2   8-Lead SOIC  
IRS4427 2   25   2300   3300   50   50   —   8-Lead SOIC  
IRS44262   2   25   2300   3300   50   50   IN1 / IN2   8-Lead SOIC  
IRS4428 2   25   2300   3300   50   50   IN1   8-Lead SOIC  
Драйверы верхнего ключа
IRS2609D 1   600   200   350   750   250   —   8-Lead SOIC  
IRS2128 1   600   290   600   150   150   IN   8-Lead SOIC  
IRS21281 1   600   290   600   150   150   IN   8-Lead SOIC  
IR2125 1   500   1000   2000   170   200   —   8 or 16 Lead SOIC  
IRS2127 1   600   290   600   150   150   —   8-Lead SOIC  
IRS21271 1   600   290   600   150   150   —   8-Lead SOIC  
IRS2118 1   600   290   600   125   105   IN   8-Lead SOIC  
IRS2117 1   600   290   600   125   105   —   8-Lead SOIC  
IRS21850 1   600   4000   4000   160   160   —   8-Lead SOIC  
IRS21858 1   600   290   600   160   160   —   16 Lead SOIC  
IRS21962 2   600   500   500   90   90   —   16 Lead SOIC  
IRS21853 2   600   2000   2000   170   170   —   16 Lead SOIC  

Следует отметить, что любой драйвер верхнего ключа может быть использован в качестве драйвера нижнего ключа, если применение доступных драйверов нижнего ключа не может обеспечить требуемых рабочих характеристик системы.

 

Драйверы полумостов

Большинство микросхем из номенклатуры драйверов компании International Rectifier содержат в одном корпусе два выходных канала для управления верхним и нижним ключом. Эти драйверы управляют входными каналами независимо, что может быть использовано для одновременного открытия обоих ключей, или зависимо — это подразумевает невозможность одновременного открытия ключей (даже на короткий период за счет встраиваемой паузы между переключением ключей — так называемый Dead-Time (DT)), что обеспечивает принципиальное отсутствие сквозного тока через ключи. Во втором случае драйверы носят название полумостового драйвера (Half-Bridge driver).

Механизм встроенного временного промежутка Dead-Time обеспечивает гарантированное закрытие одного силового ключа до момента начала открытия ключа в противоположном плече. Гарантией надежного закрытия противоположного транзистора является встроенная схема, контролирующая состояние ключей, и наличие схемы задержки, формирующей промежуток времени, в течение которого закрыты оба транзистора в плечах полумоста.

Большинство драйверов обоих типов имеет структуру, представленную на рисунке 2 на примере структурной схемы драйвера IRS2110.

 

Внутренняя структурная схема драйвера IRS2110

 

Рис. 2. Внутренняя структурная схема драйвера IRS2110

Как видно из рисунка 2, сигналы управления верхним и нижним ключами поступают через соответствующие входы Hin и Lin на триггеры Шмитта, затем через элемент «3ИЛИ-НЕ» — на преобразователи уровня и формирователи ШИМ. Благодаря наличию элементов логического «ИЛИ» существует возможность заблокировать работу драйвера с помощью входного сигнала (Shut-Down), а имеющиеся на входе элементов RS-триггеры исключают неопределенное состояние входов после подачи напряжения питания на устройство.

Входные сигналы совместимы по уровням с сигналами микросхем, выполненных по стандартам технологии ТТЛ/КМОП. Некоторые драйверы интерпретируют как логическую единицу входной сигнал, уровень которого составляет не менее 10% от напряжения питания драйвера (например, IRS211x). Другие драйверы (например, серий IRS210x, IRS212x и IRS213x) имеют фиксированный диапазон напряжений, соответствующий переходному состоянию между логическими уровнями. Для указанных типов драйверов он соответствует интервалу 1,5…2 В.

Микросхемы обеспечивают одинаковую временную задержку прохождения сигнала для обоих каналов и имеют дополнительный функционал — возможность перехода в неактивное состояние (при наличии входа SD), разделение силовой и сигнальной «земель», ограничение максимального рабочего тока транзисторов и т.п. Типовые схемы включения драйверов представлены на рисунке 3.

 

Типовые схемы включения полумостовых драйверов

 

Рис. 3. Типовые схемы включения полумостовых драйверов: без Dead-Time (а) и с Dead-Time (б)

Номенклатура полумостовых драйверов в портфеле IR очень широка. В следующих сводных таблицах 2 и 3 приводится информация о микросхемах, представляющих наибольший интерес для пользователя.

Таблица 2. Полумостовые драйверы без встроенной функции Dead-Time   

Наименование Напря-жение на шине, В Ток Io+, мA Ток
Io-, мA
Время вклю-чения Ton ном., нс Время выклю-чения Toff ном., нс Инверти-рованные входы Разделены сигнальная и силовая «земли» Вход отклю-чения (SD) Корпус
IRS2001M 200   130   270   160   150   —       PQFN 4 x 4  
IRS2001 200   290   600   160   150   —       8-Lead SOIC  
IRS2011 200   1000   1000   60   60   —       8-Lead SOIC  
IRS2110 500   2500   2500   130   120   —   Да   Да   16-Lead SOIC  
IR25604 600   200   350   220   200   LIN / HIN       8-Lead SOIC  
IRS2301 600   200   350   220   200   —       8-Lead SOIC  
IRS2302 600   200   350   220   200   —       8-Lead SOIC  
IRS26072D 600   200   350   200   200   —       8-Lead SOIC  
IRS2607D 600   200   350   515   500   —       8-Lead SOIC  
IRS2101 600   290   600   160   150   —       8-Lead SOIC  
IRS2106 600   290   600   220   200   —       8-Lead SOIC  
IRS21064 600   290   600   220   200   —       14-Lead SOIC  
IRS2112 600   290   600   135   130   —   Да   Да   16-Lead SOIC  
IRS21856 600   500   500   150   160   LIN/HIN       14-Lead SOIC  
IRS2181 600   1900   2300   180   220   —       8-Lead SOIC  
IRS21814 600   1900   2300   180   220   —   Да   Да   14-Lead SOIC  
IRS21814M 600   1900   2300   180   220   —   Да   Да   PQFN 4 x 4  
IR25607 600   2500   2500   120   94   LIN/HIN       16-Lead SOIC  
IRS2113 600   2500   2500   130   120   —   Да   Да   16-Lead SOIC  
IRS2113M 600   2500   2500   130   120   —   Да   Да   PQFN 4 x 4  
IRS2186 600   4000   4000   170   170   —       8-Lead SOIC  
IRS21864 600   4000   4000   170   170   —   Да   Да   14-Lead SOIC  
IRS21867 600   4000   4000   170   170   —       8-Lead SOIC  
IR2213 1200   2000   2500   280   225   —   Да   Да   16-Lead SOIC  

 

Таблица 3. Полноценные полумостовые драйверы (с Dead-Time)   

Наименование Напря-жение на шине, В Ток Io+, мA Ток Io-, мA Время задержки переклю-чения плечей полумоста ном., нс Время вклю-чения Ton ном., нс Время выклю-чения Toff ном., нс Инверти-рованные входы Разделены сигнальная и силовая «земли» Корпус
IRS2003 200   290   600   520   680   150   LIN     8-Lead SOIC  
IRS2004 200   290   600   520   680   150   —     8-Lead SOIC  
IR25601 600   120   260   100   220   220   LIN/HIN     8-Lead SOIC  
IR25606 600   200   350   540   220   200   LIN/HIN     8-Lead SOIC  
IRS2509S 600   200   350   530   750   250   IN     8-Lead SOIC  
IRS2608D 600   200   350   530   250   250   LIN     8-Lead SOIC  
IR25602 600   210   360   520   680   150   LIN     8-Lead SOIC  
IRS2103 600   290   600   520   680   150   LIN     8-Lead SOIC  
IRS2104 600   290   600   520   680   150   —     8-Lead SOIC  
IRS2108 600   290   600   540   220   200   HIN     8-Lead SOIC  
IRS21084 600   290   600   540…5000   220   200   HIN   Да   14-Lead SOIC  
IRS2109 600   290   600   540   750   200   —     8-Lead SOIC  
IRS21091 600   290   600   540…5000   750   200   —     8-Lead SOIC  
IRS21094 600   290   600   540…5000   750   200   —   Да   14-Lead SOIC  
IRS2111 600   290   600   650   750   150   —     8-Lead SOIC  
IRS2304 600   290   600   100   150   150   —     8-Lead SOIC  
IRS2308 600   290   600   540   220   200   —     8-Lead SOIC  
IRS2183 600   1900   2300   400   180   220   LIN     8-Lead SOIC  
IRS21834 600   1900   2300   400…5000   180   220   LIN   Да   14-Lead SOIC  
IRS2184 600   1900   2300   400   680   270   —     8-Lead SOIC  
IRS21844 600   1900   2300   400…5000   680   270   —   Да   14-Lead SOIC  
IRS21844M 600   1900   2300   400…5000   680   270   —   Да   PQFN 4 x 4  
IR2114 600   2000   3000   330   440   440   —   Да   24 Lead SSOP  
IR21141 600   2000   3000   330   440   440   —   Да   24 Lead SSOP  
IR2214 1200   2000   3000   330   440   440   —   Да   24 Lead SSOP  
IR22141 1200   2000   3000   330   440   440   —   Да   24 Lead SSOP  

 

Трехфазные драйверы

Для управления электродвигателями часто применяются трехфазные системы электропривода. Естественно, такую систему управления силовыми транзисторами можно реализовать с помощью трех полумостовых драйверов. Но, при всей своей очевидности, данное решение получается довольно габаритным, различие значений некоторых параметров драйверов разных фаз может приводить к «перекосам» системы, снижению эффективности управления и понижению общего КПД системы.

Поэтому компания IR предлагает готовые решения данной задачи, реализованные в виде трехфазных драйверов. Наиболее интересным примером такого драйвера является микросхема IRS26302D, представленная на рисунке 4. Драйвер имеет семь выходных каналов, управляемых независимыми входами. Шесть каналов используются для построения самого трехфазного моста, а седьмой канал может применяться для реализации корректора коэффициента мощности (ККМ) или системы защиты и рекуперации.

 

Типовая схема включения семиканального трехфазного драйвера

 

Рис. 4. Типовая схема включения семиканального трехфазного драйвера

 

Если с функционалом ККМ вопросов у читателя, вероятно, не возникнет, то описание работы системы защиты может быть полезным. Итак, при управлении мощным мотором с высокой механической инерционностью, при снятии управляющих воздействий с драйвера (для остановки мотора) мотор может продолжить свое вращение по инерции, выполняя тем самым роль генератора электроэнергии — потенциал силовой шины системы начнет повышаться. Если мотор достаточно мощный, то напряжение может вырасти настолько, что превысит все допустимые уровни рабочих напряжений как драйвера, так и транзисторов моста, что приведет к их пробою и выходу из строя. Для предотвращения такой ситуации может использоваться дополнительный седьмой канал драйвера. Микросхема постоянно отслеживает значение тока на силовой шине с помощью токоизмерительного резистора, и в момент, когда будет детектирован большой обратный ток в шине (ситуация генерации электроэнергии мотором), транзистор, управляемый седьмым каналом, откроется и начнет «сливать» избыточную мощность на защитном диоде (или резисторной сборке). Если же вместо пассивного сжигания энергии в резисторном модуле в виде тепла использовать рекуператор, включенный в цепь вместо этих резисторов, то можно запасать избыточную энергию в аккумуляторных батареях для ее последующего использования (например, при работе двигателя на повышенной нагрузке).

Естественно, одной этой микросхемой семейство трехфазных драйверов, производимых компанией IR, не исчерпывается. Более полный перечень микросхем с указанием их ключевых параметров приводится в таблице 4.

Таблица 4. Трехфазные драйверы и их ключевые параметры   

Наименование Число каналов Напря-жение на шине, В Ток Io+, мA Ток Io-, мA Время задержки пере-ключения плечей полумоста ном., нс Время вклю-чения Ton ном., нс Время выклю-чения Toff ном., нс Инверти-рованные входы Корпус
IR3230S 6   65   350   350   —   250   250   LIN/HIN   28 Lead SOIC  
IRS2334M 6   600   120   250   290   530   530   LIN/HIN   28-Lead MLPQ  
IRS2334S 6   600   120   250   290   530   530   LIN/HIN   20-Lead SOIC  
IRS23365D 6   600   180   380   275   530   530   LIN/HIN   48 Lead MLPQ  
IR21363 6   600   200   350   290   425   400   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR21364 6   600   200   350   290   500   530   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR21365 6   600   200   350   290   425   400   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR21368 6   600   200   350   290   425   400   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IRS2336 6   600   200   350   275   530   530   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IRS23364D 6   600   200   350   270   530   530   —   28 or 44 Lead  
IRS2336D 6   600   200   350   270   530   530   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IRS26310DJ 6   600   200   350   290   530   530   —   44 Lead PLCC  
IR2130 6   600   250   500   2500   675   425   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR2131 6   600   250   500   700   1300   600   —   28 or 44 Lead  
IR2132 6   600   250   500   800   675   425   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR2133 6   600   250   500   250   750   700   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR2135 6   600   250   500   250   750   700   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR2136 6   600   250   500   290   425   400   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IRS2330 6   600   250   500   2000   500   500   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IRS2330D 6   600   250   500   2000   500   500   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IRS2332 6   600   250   500   700   500   500   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IRS2332D 6   600   250   500   700   500   500   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR2233 6   1200   250   500   250   750   700   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR2235 6   1200   250   500   250   750   700   LIN/HIN   28 or 44 Lead  
IR2238Q 6   1200   350   540   1000   550   550   HIN   64 Lead MQFP  
IRS26302DJ 7   600   200   350   290   530   530   LIN/HIN   44 Lead PLCC  

 

Драйверы измерения тока

При использовании вышеуказанных интегральных драйверов остается открытым вопрос о контроле тока, потребляемого нагрузкой. Если интегральная микросхема драйвера имеет функцию контроля тока, то, как правило, она просто сообщает о возникновении неисправности, используя дополнительный выход сигнализации об ошибке, никак не расшифровывая причину ее возникновения. Одной из причин аварийной ситуации может быть перегрузка по току выходного каскада.

Для контроля тока, потребляемого нагрузкой, компания International Rectifier выпускает интегральные микросхемы, позволяющие реализовать данную функцию. На рисунке 5 приведены схемы контроля тока, потребляемого нагрузкой, на микросхеме, совмещенной с драйвером (а), и специализированной микросхеме измерения тока (б).

Примеры включения драйверов, контролирующих ток в нагрузкеПримеры включения драйверов, контролирующих ток в нагрузке

Рис. 5. Примеры включения драйверов, контролирующих ток в нагрузке

Микросхемы IR22771 широко применяются при управлении двигателями и включаются индивидуально в каждую фазу. Микросхема не является драйвером в классическом смысле, т.к. не управляет выходными транзисторами, а только обеспечивает измерение тока и вырабатывает управляющие воздействия для центрального управляющего узла (чаще всего — DSP-контроллера).

 

Расчет параметров цепи вольтодобавки (bootstrap)

Для стабильной работы любой коммутационной схемы важен правильный выбор необходимых элементов обвязки. Для драйверов верхнего плеча и любого типа драйверов полумостов одной из важнейших внешних цепей является цепь вольтодобавки, элементами которой являются диод и конденсатор. Эти два элемента обеспечивают разность напряжения «затвор-исток», необходимую для гарантированного открывания внешнего выходного транзистора. Расположенные локально развязывающие конденсаторы на силовых и слаботочных шинах питания позволяют в значительной степени уменьшить уровень излучаемых помех, компенсируя индуктивность проводников.

Выбор номинального рабочего напряжения конденсатора вольтодобавки Cboot должен основываться на максимальном значении напряжения питания микросхемы Vcc. Емкость конденсатора выбирается, исходя из следующих параметров:

  • требуемое напряжение для управления транзистором;
  • максимальный сквозной ток IQBS для схем управления верхним ключом;
  • токи цепей смещения в пределах драйвера;
  • ток утечки «затвор-исток» IQBS транзистора;
  • ток утечки самого конденсатора вольтодобавки.

Последнее условие актуально только для электролитических конденсаторов. При использовании конденсаторов других типов им можно пренебречь. Поэтому неэлектролитические конденсаторы более предпочтительны для применения в цепи вольтодобавки.

Минимальная емкость компенсационного конденсатора может быть вычислена по следующей формуле:

 

 [1]

 

где:

Qg — заряд затвора МДП-транзистора верхнего ключа,

f — частота переключения ключа,

ICbs — ток утечки компенсирующего конденсатора,

Iqbs max — максимальный сквозной ток затвор-исток МДП-транзистора верхнего ключа,

Vcc — напряжение слаботочной, «цифровой» части схемы,

Vf — прямое падение напряжения на компенсационном диоде,

Vls — падение напряжения на нижнем ключе или на нагрузке,

Vmin — минимальное напряжение между шинами VB и VS (рисунок 2),

Qls — заряд, необходимый для создания смещения в каждом цикле переключения (обычно 5 нКл для драйверов, предназначенных для управления MOSFET с максимальным рабочим напряжением 500 В/600 В, и 20 нКл для драйверов, предназначенных для управления MOSFET на напряжение 1200 В).

Диод вольтодобавки должен выдерживать максимальное напряжение, существующее на силовой шине. Например, такая ситуация возникает, когда верхний ключ открыт, и к диоду оказывается приложено все напряжение шины. Значение прямого тока через диод зависит от частоты переключения силового ключа, то есть, от частоты заряда затворной емкости. Например, для транзистора IRF450, работающего на частоте 100 кГц, ток через диод составит примерно 12 мА.

Ток утечки при повышенной температуре для этого диода является важным критерием в приложениях, где конденсатор должен поддерживать заряд в течение длительного времени. Поэтому необходимо, чтобы этот диод быстро восстанавливался с целью уменьшения заряда, попадающего обратно в цепь питания с конденсатора вольтодобавки.

 

Борьба с отрицательными выбросами в цепи Vs

При работе с мощной индуктивной нагрузкой (мощные электродвигатели), а также при недостаточно грамотной трассировке выходного каскада мощных систем, на выходе системы можно столкнуться с высокоамплитудными выбросами обратной полярности. Описанная ситуация продемонстрирована на рисунке 6.

 

Появление на выходе выброса обратной полярности

 

Рис. 6. Появление на выходе выброса обратной полярности

Почему возникает такая ситуация и чем она может быть опасна? Рассмотрим случай работы системы на индуктивную нагрузку: когда открыт верхний ключ, через нагрузку протекает некоторый ток. При закрытии верхнего ключа вплоть до момента открытия нижнего (Dead-Time) ток в индуктивную нагрузку продолжает течь через диод нижнего транзистора, т.к. ток через индуктивность не может скачком упасть до нуля. Исток нижнего транзистора подключен к общей шине «земля», а поскольку ток течет от точки с большим потенциалом к точке с меньшим, то получается, что выброс напряжения на линии Vs имеет обратную полярность (эпюра напряжения на линии Vs приведена на рисунке 6). Этот обратный выброс через внутреннюю структуру драйвера начинает перезаряжать емкости микросхемы, что может привести к ложному отпиранию верхнего ключа. А исходя из алгоритма управления, по прошествии интервала времени Dead-Time будет открыт нижний транзистор. В этом случае возникнет сквозной ток через оба плеча системы, что наверняка приведет к выходу системы из строя, а возможно, и к возгоранию элементов устройства. Опасность выбросов отрицательного напряжения значительно возрастает с увеличением площади кристалла силового транзистора и повышением плотности тока, коммутируемого транзистором в течение короткого времени.

Интегральные микросхемы-драйверы компании International Rectifier гарантированно выдерживают отрицательные выбросы на шине Vs как минимум, до -5 В относительно общего провода. В случае, если выброс превышает указанное значение, выход управления верхнего ключа временно блокируется в текущем состоянии. Оставаясь в пределах максимально допустимых значений для Vs, эта ситуация не вызывает повреждений интегральной микросхемы, тем не менее, выходной буферный каскад не будет реагировать на изменения входного сигнала до тех пор, пока отрицательный выброс не завершится.

Для оценки устойчивости схемотехнического решения к таким экстремальным ситуациям, как короткое замыкание нагрузки или перегрузка по току (в обоих случаях отношение di/dt ® max), необходимо отслеживать поведение сигналов в двух точках:

1) смещение верхнего ключа относительно общего провода Vs — COM;

2) величину напряжения «плавающего» источника питания Vb — Vs.

Измерения следует проводить непосредственно на выводах микросхемы драйвера для того, чтобы были отражены все параметры соединений, включая паразитные воздействия линий связи и взаимного размещения, как указано на рисунке 7.

 

Точки измерения критических параметров сигнала при возникновении отрицательных выбросов на шине Vs

 

Рис. 7. Точки измерения критических параметров сигнала при возникновении отрицательных выбросов на шине Vs

Следующие мероприятия позволяют гарантировать стабильную работу системы, несмотря на воздействия импульсных помех.

1. Минимизация паразитных влияний:

а) использование коротких проводников максимально возможной толщины между ключами и драйвером, без петель и отклонений;

б) избегание пересечений трасс и межслойных переходов — они вносят дополнительно существенную паразитную индуктивность в цепь;

в) снижение индуктивности выводов электрорадиоэлементов за счет снижения высоты расположения их корпусов над поверхностью печатной платы;

г) размещение обоих ключей локализовано в «силовой» части в непосредственной близости от драйвера для максимального сокращения длины трасс.

2. Снижение воздействий на управляющую микросхему драйвера:

а) соединения цепей Vs и COM рекомендуется выполнять так, как изображено на рисунке 8;

 

Рекомендуемая топология соединений драйвера и силовых ключей

 

Рис. 8. Рекомендуемая топология соединений драйвера и силовых ключей

б) минимизация паразитных параметров цепей управления затворами транзисторов путем использования коротких трасс типа «точка-точка»;

в) следует размещать управляющую микросхему драйвера как можно ближе к силовым ключам с целью минимизации длины трасс.

3. Улучшение развязки:

а) увеличение емкости конденсатора вольтодобавки до величины более 0,47 мкФ наряду с использованием как минимум одного конденсатора с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПС). Это уменьшит степень перезарядки конденсатора в результате значительного повышения Vs при выбросе напряжения;

б) использование второго конденсатора с низким ЭПС в качестве фильтрующего в цепях Vs и COM. Так как этот конденсатор будет обеспечивать поддержку обоих выходных буферов и перезарядку конденсатора Сboot, то его емкость должна быть как минимум в 10 раз больше емкости конденсатора вольтодобавки;

в) если требуется включение резистора последовательно с диодом вольтодобавки, то необходимо убедиться, что напряжение шины VB не будет опускаться ниже значения общего провода COM, особенно в момент включения и максимальных значений частоты и скважности.

Следование приведенным рекомендациям позволяет значительно сократить уровень помех, возникающих в результате отрицательных выбросов напряжения. Однако, если уровень выбросов остается достаточно велик, то может оказаться необходимым снижение скорости нарастания выходного напряжения dV/dt.

В дополнение к приведенным выше рекомендациям, в целях повышения устойчивости микросхем драйверов компанией International Rectifier разработана технология повышения стойкости драйверов к отрицательным выбросам напряжения (NTSOA — Negative Transient Safe Operation Area). На рисунке 9 приведена диаграмма допустимых мощностей импульсов выбросов отрицательного напряжения, для которых компания IR гарантирует сохранение работоспособности микросхемы драйвера.

 

Область безопасной работы драйверов IR при появлении выбросов обратной полярности

 

Рис. 9. Область безопасной работы драйверов IR при появлении выбросов обратной полярности

Устойчивость к выбросам отрицательного напряжения является определяющим фактором при выборе управляющей микросхемы драйвера.

 

Заключение

Как следует из статьи, выбор драйвера для коммутации силовых MOSFET или IGBT не является трудной задачей. Достаточно определить требуемые энергетические показатели разрабатываемой системы и выбрать ее топологию. Следование указаниям по схемотехнике и топологии, приводимым в документации на микросхему и рекомендациях по применению, избавит от проблем, возникающих при работе системы. Современные интегральные драйверы компании International Rectifier 5-го поколения имеют защитные цепи и не подвержены выходу из строя при возникновении кратковременных выбросов отрицательного напряжения.

Широкая номенклатура изделий International Rectifier и их высокое качество позволяют построить надежную силовую систему любого уровня сложности с минимальными затратами как на этапе проектирования схемотехники, так и на этапе изготовления конечного устройства.

 

Литература

1. Материалы семинаров International Rectifier, Session 3: HVIC, 2013.

2. AN-978 Rev. D, International Rectifier, 2007.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

Наши информационные каналы

Теги: ,
Рубрики: