№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.
Там не зря на полевые транзсторы идет еще пара обычных нпн и пнп. Насколько я знаю, tl494 не.
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 510 В для MOSFET и 1015 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 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. 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.
У нас уже на первой форме колебаний частота выше предельной, поэтому новых колебаний добавлять нет необходимости, а лишние тоже можно не убирать т.к. Здесь нам необходимо определить предельное значение частоты собственных колебаний. Расчет рамы программа. П.11.1.10-а СП 20.) f=1.1 Гц. Для 2-го ветрового района и δ=0,3 (см.
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, и IRS213x) имеют фиксированный диапазон напряжений, соответствующий переходному состоянию между логическими уровнями. Для указанных типов драйверов он соответствует интервалу 1,52 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: 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. 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. 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 Следующие мероприятия позволяют гарантировать стабильную работу системы, несмотря на воздействия импульсных помех. 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. 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 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. 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 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. D, International Rectifier, 2007. Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: Рубрика: Метки:, О компании Int.
10 10 Семейство µhvic TM Новое решение для различных топологий и функций Применение оптимальной G5 HVIC и улучшенной G7 HVIC технологий Большая надежность и меньшее количество компонентов по сравнению с дискретными решениями Миниатюрный корпус SOT-23 Простой дизайн, гибкий и удобный использовании Дешевле дискретных решений Сокращение времени разработки Высоковольтные и низковольтные функции µhvic 1-channel low side driver 1-channel high side driver High-voltage startup Current sensing IRS2505 IR(S)44273 IRS25752 IRS25751 IR25750. 14 14 Интегральная или трансформаторная изоляция Сдвиг уровня Изоляция р-n-переходом Junction Isolation (JI) и Кремний на диэлектрике Silicon on Insulator (SOI) Гальваническая изоляция Трансформатор без сердечника Coreless Transformer (CT) Интегральное решение с охранным кольцом (красн.), для отделения входных каскадов от высоковольтных выходов (600 В / 1200 В) Схема сдвига уровня (фиолетовый) внутри защитного кольца для передачи информации переключения между входом и выходом и диагностики в обратном направлении Два изолированных кристалла обеспечивают гальваническую развязку. 16 Основные параметры различных технологий Сдвиг уровня Гальваническая изоляция Изоляция р-n-переходом (JI) Кремний на диэлектрике (SOI) Трансформатор без сердечника (CT) Вольтодобавка на FET (тип. 200 Ом) Защита от защелкивания (-40 В /100 нс) Устойчивость к переходным синфазным помехам (CMTI), тип. 50 В/нс Устойчив к положительным скачкам напряжения. Вольтодобавка на диоде (тип. 40 Ом) Защита от защелкивания (-50 В /500 нс) Устойчивость к переходным синфазным помехам (CMTI), тип.
50 В/нс Гальваническая изоляция Длительная устойчивость к отрицательным и положительным скачкам из-за «плавающего» выхода микросхемы, вплоть до 1200 В Высокая устойчивость к переходным синфазным помехам (CMTI). 23 Двухканальные драйверы верхнего плеча up to 1200 V 5 V VDD VB2 IN1 HIN1 HO2 IN2 HIN2 VS2 to load VSS NC NC NC up to 1200 V NC VB1 15 V VCC HO1 COM VS1 to load Offset Voltage I O+ /I O- typ. ma /2000 UVLO, DESAT, RST, FLT 2ED020I12-F2 600 Features SO-16 SO /500 UVLO, SPLG IRS /2000 UVLO IRS 24 Двухканальные драйверы нижнего плеча to load NC NC INA INA OUTA to load COM VCC INB INB OUTB Offset Voltage I O+ /I O- typ.
ma Features SO-8 DIP / IR25600 IR(S)4426 IR(S)4427 IRS4428 IR25600, IR4426 IR(S)4427 UVLO IRS /5000 UVLO 2EDN7524F 24 25 Двухканальные драйверы верхнего и нижнего плеча V CC up to 1200 V VCC VB HIN HIN HO LIN LIN VS to load COM LO Offset Voltage I O+ /I O- typ. ma /2500 UVLO, SD, SPLG IR2213(WB) IR /350 UVLO IR /2500 UVLO, SPLG, SD IR(S)2110(WB) IR(S) Features SOIC-8 SOIC-14 SOIC-16 PDIP-8 290/600 UVLO IRS2001 IRS2001 IRS /1000 UVLO IR(S)2011 IR(S)2011 PDIP /3000 UVLO, SPLG, SD IR2010(WB) IR2010 MLPQ 4x4 25 26 Двухканальные драйверы верхнего и нижнего плеча Offset Voltage I O+ /I O- typ. ma UVLO, SPLG IR21064 IR21064 UVLO UVLO, IBD IR2106 IR25604 IR(S)2301 IRS2607(2)D IR2106 IR /360 UVLO IR210(1,2) IR210(1,2) 250/500 UVLO, SD IR2112(WB) IR / / /2300 UVLO IRS2101 IRS2101 UVLO, SPLG IRS2106(1)4 IRS IRS2106 IRS2106 UVLO, SPLG, SD IRS2112(WB) IRS2112 UVLO, PDP UVLO, PDP UVLO, PDP, SPLG UVLO 2EDL05I06BF IRS21856 IRS21858(NB) IRS21956(.WB) UVLO, SPLG IR(S)21814 IR(S)21814 UVLO IR(S)2181 IR(S)2181 IRS /2500 UVLO, SPLG, SD 4000/4000 Features SOIC-8 SOIC-14 SOIC-16 PDIP-8 IR(S)2113(WB) IR25607(WB) IR(S)2113 UVLO, SPLG IRS21864 IRS21864 UVLO IRS2186(7) IRS2186 PDIP-14 MLPQ 4x4 IRS. 27 27 Полумостовые драйверы V CC IN VCC IN VB HO up to 1200 V Полумостовой драйвер отличается от драйвера верхнего и нижнего плеча, наличием защиты от сквозных токов SD SD VS to load COM LO Offset Voltage I O+ /I O- SOIC-14 SOIC-16 Features SOIC-8 PDIP-8 PDIP-14 typ. ma SO-18(.) SSOP-24(.) / /3000 UVLO, Comp, OpAmp UVLO, SPLG, FLT, SS, DESAT /2300 UVLO, SD IR /130 UVLO IR7304 2ED020I12-FI(.) IR2214 MLPQ 4x4 28 28 Полумостовые драйверы Offset Voltage 600 I O+ /I O- SOIC-14 SOIC-16 Features SOIC-8 PDIP-8 PDIP-14 typ. 38 38 EiceDRIVER Компактное семейство 2EDL new! Особенности 600V сдвиг уровня, SOI, полумостовой Встроенный низкоимпедансный ультрабыстрый бутсрепный диод Специфические уровни блокировки при снижении питания для IGBT, OptiMOS и CoolMOS Эффективный уровень сдвига до 250 кгц Защита от перегрузки по току, выходы включено и неисправность Схема включения Преимущества Области применения Устойчивость от отрицательных входных напряжений, защита от защелкивания Не требуется бутсрепный диод Оптимальное управление UVLO для различных транзисторов Сокращение количества внешних компонентов позволяет упростить трассировку и ускорить разработку.
39 Семейство 2EDN MOSFET EiceDRIVER Улучшенное охлаждение и надежность new! 40 40 IRS2505L µhvic TM Особенности Оптимальная G5 HVIC технология Для различных топологий Хорошая стабилизация по входу и выходу Режим критической проводимости Работа с LED Стабилизация тока или напряжения Защита по выходному току и напряжению Широкий диапазон V CC Низкий пусковой ток Высокий КМ и малый КНИ Применение: силовая электроника общего назначения PFC Boost Flyback PFC new! Схема включения Buck-Boost Inverted Buck Преимущества Простая схемотехника Ускорение разработки Низкая стоимость Высокий КПД Многофункциональность Не требуется дополнительная обмотка Уменьшенное количество компонентов. 41 41 IR25750L µhvic TM датчик тока Особенности new! 42 42 IRS25752L, IRS20752L, IRS10752L µhvic одноканальные драйверы верхнего плеча new!
46 46 EiceDRIVER 6EDL Compact Family Особенности Схема включения Технология кремний на изоляторе (SOI) предотвращает защелкивание Комплекс защитных функций Защита по току с перезапуском VCC HIN1,2,3 LIN1,2,3 EN FAULT 5V VCC HIN1,2,3 LIN1,2,3 EN FAULT VB1,2,3 HO1,2,3 VS1,2,3 DC-Bus To Load C RCIN RCIN ITRIP VSS LO1,2,3 COM VSS R Sh Преимущества Области применения Входное напряжение до VCC Устойчивость к отрицательным переходным помехам до -50 В Интегрированные бутстрепные диоды Стандартное расположение выводов. 47 IR223x серии 1200 В драйверы трехфазного моста Особенности Схема включения Рабочее напряжение до 1200 В Мягкое выключение при перегрузке по току Встроенная схема защиты от выхода транзисторов из насыщения Двухкаскадный выход для контроля плотности тока выходных ключей Драйвер тормозного IGBT с защитой Блокировка при снижении V CC и V BS Программируемое время паузы Области применения Преимущества Комплекс защитных функций Высокая надежность Защиты повышают надежность устройства Виды корпусов MQFP 64L DIP 28L SOIC 28L PLCC 44L 47. 49 600 В драйверы нижнего и верхнего плеча и полумостовые Особенности Выходные токи (I O+/- ): 200/350mA до 4/4A Защита от снижения V CC и V BS Программируемое время паузы Интегрированные бутстрепные диоды (версия D) Согласованные задержки распространения Низкое собственное потребление Различные логические входы: IN, /IN, HIN, /HIN, LIN, /LIN, SD, /SD, EN Раздельные логическая и силовая «земли» Устойчивы к отрицательным переходным скачкам напряжения +/- 50В/нс, dv/dt и di/dt Стандартное расположение выводов Различные виды корпусов Family I O+ typ. ma I O- typ. 56 56 Параметрический подбор Перейдите по ссылке и выберите Drivers. В настоящее время на сайте Infineon показаны только продукты EiceDRIVER. Поиск по всему номенклатурному ряду будет готов в ближайшие месяцы.
Драйверы International Rectifier можно выбрать на сайте irf.com General-Purpose-Gate-Driver-ICs//N1njcii 57 Система обозначений EiceDRIVER 1ED I 60 I 12 A F Количество каналов 1 = 1-кан. EiceDRIVER 2 = 2-кан. (полумост) EiceDRIVER 3 = 6-кан.