Силовая электроника №4'2007

Новая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET силовых транзисторов на основе технологии встроенного трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)

Николай Лишманов
Андрей Копылов

Приведены примеры построения внешней схемотехники для ИМС-драйвера 2ED020I12-F и описание работы его функций по защите.

Возможные реализации цепи электропитания драйвера

Классическим решением для питания драйвера верхнего плеча считается «бутстрепная» схема. Как вариант, можно применить плавающее питание от отдельного источника питания. В первом приближении «бутстрепная» цепь состоит из диода и конденсатора (рис. 10). Выбор их параметров зависит от следующих факторов:

  • Обратное напряжение диода должно превышать напряжение питающей шины инвертора. Например, для системы, работающей от 800 В постоянного тока, наилучшим образом подойдет диод с номинальным напряжением 1200 В.
  • Напряжение на конденсаторе должно быть больше по значению, чем минимальное пороговое рабочее напряжение драйвера. Величина емкости может быть с достаточной точностью определена по приведенной ниже формуле:

где QG — заряд затвора управляемого IGBT или MOSFET; Iq — ток покоя микросхемы драйвера; IL — ток утечки конденсатора (стоит учитывать только для электролитических конденсаторов); ƒS — частота переключения; VDD — напряжение питания; VF — прямое падение на «бутстрепном» диоде; VCE — падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер IGBT или сток-исток MOSFET-транзистора нижнего плеча.

«Бутстрепная» цепь питания драйвера

В инверторах средней мощности драйвер нижнего плеча может работать и в условиях колебаний напряжения в нейтрали. И, тем не менее, выводы драйвера GND и GNDL необходимо соединять с основной схемой инвертора максимально короткими проводниками (рис. 11). При таком подключении паразитное влияние помех значительно снижается. Таким образом, в этом случае организация электрической опорной «земли» драйвера будет корректна.

Схема привязки опорной «земли» к эмиттеру транзистора нижнего плеча

Например:

  • Если не используется шунтирующий резистор, то общая точка драйвера должна быть соединена с эмиттером IGBT или истоком MOSFET нижнего плеча.
  • При наличии шунтирующего резистора общая точка драйвера все равно привязана к эмиттеру или истоку транзистора нижнего плеча и отделена, соответственно, от точки заземления микроконтроллера этим резистором. Такое подключение гарантирует, что ток через резистор, вызывающий падение напряжение на нем, не будет открывать транзистор.

В противном случае общая точка драйвера находится на одном потенциальном уровне с точкой заземления микроконтроллера, а шунтирующий резистор будет работать как общий эмиттерный или истоковый резистор.

В маломощных преобразователях и даже в системах средней мощности на базе драйвера 2ED020I12-F в цепи затворов IGBT или MOSFET устанавливаются резисторы, номинал которых можно вычислить по формуле:

где RG (min) — минимальное сопротивление резистора затвора с учетом встроенного резистора драйвера или IGBT/MOSFET, если таковой имеется; ΔVGE — максимальный уровень напряжения; IG (max) — максимально допустимый пиковый ток затвора.

Для однополярного управления 0 В/15 В ΔVGE = 15 В. Падение напряжений на элементах цепи вольтдобавки (такие как VF и VCE) также снижает суммарное максимальное напряжение.

Некоторые решения в областях средней мощности могут потребовать ток управления больший, чем +1 A / -2 A. В таком случае целесообразно применить буферный усилитель, схема которого приведена на рис. 13.

Пример схемы привязки опорной «земли» к отрицательной шине питания
Пример схемы буферного усилителя

Внутренний набор функций защиты драйвера

Встроенные операционный усилитель (ОУ) и компаратор, о которых упоминалось ранее, позволяют реализовать функции определения токовой перегрузки (ТП) и тока короткого замыкания (ТКЗ). На рис. 14 показан пример модуля с открытым эмиттером, в котором в нижнем плече каждого полумоста установлен добавочный резистор. В случае перегрузки или короткого замыкания (КЗ) положительного плеча резистор работает как датчик тока, и сигнал с него через ОУ поступает на компаратор, опорный уровень которого задается резисторами R7 и R8. Таким образом, микросхема драйвера может быть задействована не только для управления силовыми ключами, но и для активного мониторинга неисправностей и режимов. А значит, отпадает необходимость в установке дополнительных внешних ОУ и компараторов.

Детекторы ТП и ТКЗ

Кроме того, преобразователь чаще всего представляет собой нечто более сложное, чем простой полумост. Соответственно и число драйверов возрастает до 2–3 и более. Имея в своем распоряжении несколько ОУ и компараторов (например для трехфазного моста), можно реализовать независимый мониторинг как перегрузки, так и КЗ (рис. 15). Более того, очень просто задать приоритет поступления сигналов, изменяя постоянные времени цепочек R6, C2 и R7, C3.

Организация детекторов ТП и ТКЗ в многофазных цепях

Для исключения одновременного открытия обоих плеч полумоста, а также появления ложного сигнала с микроконтроллера или из-за помехи, 2ED020I12-F содержит встроенную блокировочную функцию, предотвращающую КЗ полумоста. Кроме того, микросхема определяет просадки напряжения и ограничивает воздействие на то плечо инвертора, уровень питания которого не соответствует номиналу. Это предотвращает работу мощных ключей в режимах со значительными потерями, повышая таким образом надежность и эффективность. На логических входах ИМС установлены цифровые фильтры низкой частоты (ЦФНЧ). Такое решение обеспечивает устойчивость системы в целом к различного рода помехам, при этом не ухудшая ее быстродействия.

Кроме того, интересным достоинством 2ED020I12-F является наличие логического входа общего управления, который позволяет включать в работу или полностью отключать оба плеча инвертора. Этим входом можно управлять, например, через звено задержки, принципиальная схема которого приведена на рис. 16. Постоянная времени такого триггера определяется соотношением

Триггерная схема блокировки неисправности на ИМС LMC 555

Входной сигнал на вывод Trigger in может поступать со схем слежения, приведенных на рис. 14 и 15.

Возможные внешние дополнительные цепи защиты

Кроме рассмотренных выше мероприятий в некоторых случаях можно вводить дополнительные внешние цепи, улучшающие характеристики системы:

  • Резистор RGE между затвором и эмиттером предотвращает неконтролируемый разряд входной паразитной емкости Cies IGBT или MOSFET.
  • Ограничительный стабилитрон, установленный между затвором и эмиттером, ограничивает управляющее напряжение VGE на безопасном уровне (рис. 17).
Примеры дополнительных внешних защитных цепей

Обзор перспектив

В настоящее время разработки направлены на совершенствование ИМС-драйверов IGBT и MOSFET с использованием CLT-микротрансформаторов со стойкостью изоляции 1200 В. Тем не менее, сочетание прочной изоляции, высокой надежности и низкой производственной стоимости является привлекательным для построения высококачественных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). В частности, разработан сигма-дельта АЦП на основе технологии CLT. Его применение совместно с датчиком тока, индивидуальным для каждого плеча инвертора, независимый контроль напряжений на элементах схемы и уровня питания позволяют увеличить надежность и гибкость всей системы, не расширяя номенклатуру деталей и, следовательно, снижая общую стоимость конструкции.

Заключение

Огромный потенциал технологии CLT, реализованный в микросхеме 2ED020I12-F — как в драйверном режиме, так и при использовании в качестве АЦП с высококачественной изоляцией, предоставляет разработчикам дополнительные преимущества при построении мало- и среднемощных систем благодаря удобству, простоте, высокой надежности и глубокой интеграции множества необходимых элементов в одном компактном корпусе.

Литература

  1. Mьnzer M. Coreless transformer a new technology for half bridge driver IC’s. PCIM Nuremberg. Eupec GmbH. 2003.
  2. Hornkamp M. Current shunt resistors integrated in IGBT power modules for medium power drive application. PCIM China. Eupec GmbH. 2004.
  3. Strzalkowski B. Silesian University of Technology: Analysis of features, optimizing and model building of highly isolated planar transformer, integrated on chip and manufactured in BiCMOS semiconductor process. PhD Thesis. 2004.
  4. EiceDRIVER™ 2ED020I12-F Datasheet and Application. Eupec GmbH. http://www.eicedriver.com. 2003.
  5. National Semiconductor: LMC555. http://www.national.com. 2002.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_04_24.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо