Высоковольтный изолированный драйвер затвора IGBT-транзисторов

№ 2’2020
PDF версия
В статье приведена краткая информация о структуре и основных характеристиках высоковольтного изолированного драйвера затвора IGBT-транзисторов со встроенным контроллером обратноходового DC/DC-преобразователя ADuM4138, выпускаемого компанией Analog Devices. Представлена типовая схема включения драйвера, а также даны общие сведения об оценочной плате для тестирования драйвера.

ADuM4138 — это одноканальный драйвер затвора, оптимизированный для управления биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT) или полевыми транзисторами [1]. Гальваническая развязка между входами и выходами драйвера выполнена по технологии компании Analog Devices iCoupler. Высокочастотные трансформаторы, встроенные в чип, поддерживают надежную гальваническую развязку цепей (рис. 1).

Конструкция изолятора iCoupler

Рис. 1. Конструкция изолятора iCoupler

В составе ИМС имеется контроллер изолированного обратноходового преобразователя, обеспечивающего питание на вторичной стороне драйвера.

Система обнаружения перегрузки по току и высоко­скоростная двухуровневая система отключения, встроенные в ADuM4138, создают защиту IGBT при отсутствии насыщения или перегрузки по току.

Два вывода для подключения внешнего датчика температуры (TS1 и TS2) позволяют осуществлять контроль температуры системы с IGBT на вторичной стороне. Блокировка минимального напряжения питания вторичной стороны VDD2 (UVLO) установлена на уровне 11,2 (типовое значение) в соответствии с пороговыми уровнями IGBT. Встроенная система ULVO удерживает выход драйвера на низком уровне до тех пор, пока напряжение питания не превысит необходимый порог, что предотвращает выход из строя управляемого транзистора.

Управление коэффициентами усиления усилителей и токов смещения для датчиков температуры осуществляется на первичной стороне через интерфейс SPI. Значения установленных параметров хранятся в электрически стираемой программируемой постоянной памяти (EEPROM), расположенной на вторичной стороне устройства. Кроме того, доступно программирование значения напряжения VDD2, интервала времени между сеансами передачи сообщений о температуре и времени, когда произошло отключение по току.

ADuM4138 предоставляет отдельные отчеты для каждой из неисправностей: перегрузки по току, перегрева, блокировки работы IGBT при уменьшении напряжения питания на вторичной стороне (UVLO), отключения из-за перегрева (TSD) и обнаружения ненасыщенности IGBT.

Основные параметры ADuM4138 [1]:

  • пиковый ток управления затвором IGBT: 6 А (типовое значение).
  • защита от перегрузки по току.
  • защита от выхода транзистора из насыщения (DESAT).
  • интегрированный ключ активного ограничения эффекта Миллера.
  • встроенный контроллер изолированного DC/DC-преобразователя.
  • мониторинг напряжения питания на первичной и вторичной стороне (защита UVLO).
  • мониторинг сигналов ошибки.
  • изолированный выход сигнала ошибки.
  • длина пути утечки/электрического зазора (Сreepage/Сlearance) по корпусу и между выводами составляет 8,3 мм.
  • возможность подключения двух внешних датчиков температуры на вторичной стороне.
  • встроенный в ИМС датчик температуры.
  • время задержки распространения сигнала:
    • фронта: 95 нс (типовое значение);
    • спада: 100 нс (типовое значение).
  • минимальная длительность импульсов управления: 74 нс.
  • диапазон рабочих температур перехода: –40…+150 °C.
  • напряжение питания вторичной стороны: 12–25 В, ток потребления 14 мА.
  • частота коммутации ключа обратноходового DC/DC-преобразователя: 200 кГц.
  • соответствие требованиям стандартов и сертификатов:
    • уведомление о принятии компонента CSA 5A;
    • соответствует сертификатам безопасности на усиленную изоляцию и стандартам DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10), UL 1577.
  • рабочее напряжение изоляции: VIORM = 849 В (пиковое значение).
  • прочность изоляции: 5000 В (среднеквадратическое значение) в течение 1 мин.
  • сертифицирован для автомобильных приложений.

Функциональная схема ADuM4138 приведена на рис. 2.

Функциональная схема ADuM4138

Рис. 2. Функциональная схема ADuM4138

Установка значения пикового тока транзистора V1 обратно­ходового преобразователя осуществляется с помощью резистора RS, подключенного к выводу ISENSE. Значение тока рассчитывается по формуле:

IPEAK (мА) = 100 мВ/RS,

где IPEAK — максимальное значение пикового тока, мА; RS — сопротивление в Ом резистора, используемого для установки пикового тока.

Типовая схема включения драйвера показана на рис. 3.

Типовая схема включения ADuM4138

Рис. 3. Типовая схема включения ADuM4138

Рекомендуемое значение сопротивления резистора RCL (ограничения тока) составляет 20 кОм. В процессе работы уравнение для значения пикового тока имеет вид:

IPEAK = (VI_SENSEII_SENSE × RCL)/RS,

где VI_SENSE = 500 мВ (типовое значение); II_SENSE  = 20 мкА (типовое значение); RCL = 20 кОм (рекомендуемое значение).

Управление параметрами драйвера ADuM4138 и программирование памяти EEPROM осуществляется через последовательный интерфейс SPI. Доступ к программированию памяти осуществляется установкой на выводе CS нулевого потенциала. Программирование по интерфейсу выполняется с использованием стандартного соглашения SPI. Временные диаграммы сигналов в режимах записи и считывания из памяти и рекомендации по программированию приведены в [1]. На время программирования отключаются выходы управления затвором IGBT. Сигналы управления затвором вновь начинают формироваться при установке на входе CS высокого потенциала.

Системы контроля напряжения питания ADuM4138 выполняют контроль как на первичной, так и на вторичной стороне. Если напряжение питания первичной стороны VDD1 падает ниже 4,13 В (типовое значение), передача сигналов на вторичную сторону прекращается, в результате устанавливается низкий уровень сигнала управления затвором IGBT. Рекомендуется, чтобы значение напряжения VDD1 было не менее 6 В.

Для контроля температуры используются цепочки из четырех последовательно соединенных диодов (рис. 3), подключенных к выводам TS1 и TS2. Ток через диоды равен 5 мА, а напряжение на этих выводах составляет 2,35–2,45 В.

 

Обнаружение перегрузки по току

ADuM4138 предназначен для работы с IGBT с разделенными эмиттерами или с MOSFET с разделенными истоками. Используя резистор, включенный между эмиттером и общим проводом, можно контролировать ток, протекающий через транзистор. При перегрузке по току инициируется отключение транзистора. На первичной стороне формируется сообщение об ошибке через время tdOC (типовое значение 920 нс) и запускается таймер сброса. Если перегрузка по току устраняется до начала процесса отключения транзистора, на выводе VOUT_ON формируется высокий уровень напряжения и таймер сброса прекращает свою работу.

Значение порогового напряжения перегрузки по току задается значением бита T_RAMP_OP регистра пользователя. Если бит T_RAMP_OP установлен в 1, пороговое значение максимального тока устанавливается равным 2 В (типовое значение) для всех условий работы. Если бит T_RAMP_OP установлен в 0, пороговое значение напряжения VOCD_TH_EN устанавливается равным 2,69 В (типовое значение). При изменении напряжения на датчике температуры (вывод TS1) в пределах 1,55–1,75 В напряжение VOCD_TH_EN изменяется по линейному закону (рис. 4).

Зависимость порогового напряжения срабатывания защиты от перегрузок по току от напряжения на датчике температуры

Рис. 4. Зависимость порогового напряжения срабатывания защиты от перегрузок по току от напряжения на датчике температуры

 

Высокоскоростная система двухуровневого отключения

Если напряжение на входах OC1 или OC2 превысит заданный порог (перегрузка по току), двухуровневая схема отключения установит низкий уровень напряжения на затворе IGBT. Внутренний полевой МОП-транзистор с n-каналом (рис. 2) открывается, и напряжение на выводе GATE_SENSE уменьшается до 11,9 В (типовое значение). Время, необходимое выходному сигналу от момента обнаружения перегрузки по току до снижения напряжения до 11,9 В, обозначено как tdOCR (рис. 5). По истечении времени обнаружения (tdOC) неисправность регистрируется, и сигнал об этом (FAULT) передается на первичную сторону (рис. 5).

Пример двухуровневого выключения

Рис. 5. Пример двухуровневого выключения

Если за время tdOC напряжение VOCx упадет ниже порогового значения напряжения VOCD_TH, то внутренний МОП-транзистор с р-каналом (PMOS), сток которого подключен к источнику питания VDD2, открывается и напряжение на затворе IGBT возрастает, а таймер сбрасывается (рис. 6) и сигнал FAULT не формируется.

Пример восстановления двухуровневого таймера

Рис. 6. Пример восстановления двухуровневого таймера

 

Компенсация влияния емкости Миллера

ADuM4138 формирует управляющий сигнал на выводе MILLER_OUT для уменьшения скачков напряжения на затворе IGBT из-за влияния емкости Миллера во время отключения IGBT. Когда входной стробирующий сигнал вызывает отключение IGBT (низкий уровень), сигнал MOSFET на выводе MILLER_OUT отключается. Когда напряжение на выводе GATE_SENSE падает ниже 2 В (типовое значение), схема управления открывает внутренний МОП-транзистор с каналом p-типа и вывод MILLER_OUT соединяется с общим проводом вторичной стороны GND2, создавая второй путь для тока затвора IGBT. Уровень нуля на выводе MILLER_OUT сохраняется до тех пор, пока входной сигнал не изменится с низкого на высокий. На рис. 7 показан пример формы сигнала на затворе IGBT-транзистора при различных значениях сигнала на входе драйвера ADuM4138.

Пример формы сигнала на затворе IGBT-транзистора при различных значениях сигнала на входе драйвера ADuM4138

Рис. 7. Пример формы сигнала на затворе IGBT-транзистора при различных значениях сигнала на входе драйвера ADuM4138

 

Отключение драйвера из-за перегрева

Преобразователь ADuM4138 содержит две системы отключения при перегреве (TSD). Если внутренняя температура вторичной стороны ADuM4138 превышает +150 °C, ADuM4138 формирует сигнал ошибки TSD, и посредством мягкого отключения напряжение на затворе IGBT устанавливается равным нулю. Система TSD сохраняет нулевое напряжение на затворе, пока температура кристалла не упадет до +130 °C.

Если температура первичной стороны превышает +154 °C, отключаются все узлы первичной стороны, обратноходовой преобразователь и узлы вторичной стороны. Система TSD восстанавливает работоспособность драйвера при понижении внутренней температуры первичной стороны устройства до +135 °C.

Основной причиной перегрева является слишком большая нагрузка из-за высокой температуры окружающей среды, как правило, вторичной стороны драйвера.

 

Рассеяние мощности

При управлении затвором IGBT-драйвер рассеивает значительную мощность. Это может привести к перегреву. Затвор IGBT представляет собой емкостную нагрузку. Из-за емкости Миллера и других факторов обычно для практических расчетов входную емкость (CISS) IGBT умножают на пять, чтобы получить приблизительное значение для аппроксимации нагрузки драйвера. При этом значении общая расчетная рассеиваемая мощность (PDISS) в системе определяется уравнением:

PDISS = CEST × (VDD2)2 × fS,

где CEST = 5CISS; VDD2 — напряжение питания вторичной стороны; fS — частота переключения IGBT.

Рассеивается мощность на транзисторах внутренних ключей и на сопротивлении затвора RGON и RGOFF. Рассчитать рассеиваемую мощность можно по формуле:

PDISS_ADUM4138 = PDISS × 0,5[RDSON_P / (RGON + RDSON_P) + (RDSON_N / (RGOFF + RDSON_N)] + PQUIESCENT,

где PDISS_ADUM4138 — рассеиваемая мощность ADuM4138; RGON — сопротивление IGBT-затвора при включенном транзисторе; RGOFF — сопротивление IGBT-затвора при выключенном транзисторе; PQUIESCENT — мощность, потребляемая в режиме покоя.

Температуру кристалла можно рассчитать по формуле:

TADuM4138 = qJA × PDISS_ADuM4138 + TAMB,

где qJA = 62,4 (в корпусе RN-28-1 на четырехслойной печатной плате); TAMB — температура окружающей среды.

 

Устойчивость к внешним магнитным полям

ADuM4138 устойчив к внешним магнитным полям. Ограничение помехоустойчивости магнитного поля ADuM4138 устанавливается условием, при котором индуцированное напряжение в приемной катушке трансформатора достаточно велико, чтобы привести к сбоям в работе драйвера. На рис. 8 приведен график зависимости максимально допустимой плотности внешнего магнитного потока от частоты изменения магнитного поля, а на рис. 9 — графики зависимостей максимально допустимого тока от частоты изменения магнитного поля при испытаниях в поле индукционной катушки.

Зависимость максимально допустимой плотности внешнего магнитного потока от частоты изменения магнитного поля

Рис. 8. Зависимость максимально допустимой плотности внешнего магнитного потока от частоты изменения магнитного поля

Графики зависимостей максимально допустимого тока от частоты изменения магнитного поля при испытаниях в поле индукционной катушки

Рис. 9. Графики зависимостей максимально допустимого тока от частоты изменения магнитного поля при испытаниях в поле индукционной катушки

Все изоляционные материалы в конечном итоге разрушаются при воздействии высокого напряжения в течение достаточно длительного времени. Скорость ухудшения параметров изоляции зависит от характеристик напряжения, приложенного к изоляции. В дополнение к испытаниям, проводимым регулирующими органами, компания Analog Devices, с целью повышения надежности, проводит собственное ускоренное тестирование для определения срока службы изоляции в ADuM4138, используя уровни напряжения выше номинального постоянного рабочего напряжения.

Драйвер может найти применение в автомобильной, аэрокосмической, нефтедобывающей, энергетической и других отраслях, где требуется надежное преобразование энергии, а именно в интеллектуальных силовых модулях, электроприводах, инверторах, импульсных источниках питания и т. п.

Компания Analog Devices выпускает оценочную плату EVAL-ADuM4138EBZ [2] и программное обеспечение для работы с ней [3]. Внешний вид платы приведен на рис. 10.

Внешний вид отладочной платы EVALADuM4138EBZ

Рис. 10. Внешний вид отладочной платы EVALADuM4138EBZ

 

Использование SPI

Оценочная плата ADuM4138 соединяется с ПК с помощью кабеля USB-SDP-CABLEZ (рис. 11). В [2] приведены указания по установке перемычек в таком режиме работы.

Кабель USBSDPCABLEZ для связи оценочной платы с ПК

Рис. 11. Кабель USBSDPCABLEZ для связи оценочной платы с ПК

В качестве альтернативы вместо ПК можно подключить любое другое устройство с интерфейсом SPI для программирования платы. Для этого предусмотрены штыри оценочной платы P18–P21, обозначение которых нанесено на плате. В [2] даны подробные рекомендации по работе с платой и ее программированию.

Подробнее ознакомиться с характеристиками изолированного драйвера затвора ADuM4138 и другими ИМС аналогичного назначения можно на сайте компании Analog Devices.

Литература
  1. analog.com/media/jp/technical-documentation/data-sheets/ADuM4138_jp.pdf www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/EVAL-ADuM4138EBZ-UG-1194.pdf
  2. analog.com/media/en/evaluation-boards-kits/evaluation-software/ADuM4138_eval_program_01.zip

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *