Базовые платы драйверов IGBT от CT-Concept
Разработка драйвера «вручную»
Драйвер IGBT/MOSFET полупроводникового ключа — одна из главных функциональных частей любого силового преобразователя, определяющая качество и надежность его работы. Как известно [1], драйвер выполняет следующие основные функции в схеме мощного преобразователя:
- Сопряжение низковольтных маломощных сигналов управляющего контроллера с высоковольтной силовой схемой (управление затворами IGBT/ MOSFET-ключей).
- Гальваническое разделение низковольтной управляющей и высоковольтной силовой части схемы преобразователя.
- Предоставление информации о состоянии силовых ключей с диагностикой аварийных ситуаций с выработкой сигналов, обеспечивающих защиту.
Цикл создания IGBT-драйвера состоит из следующих этапов: разработка функциональной схемы; расчет ключевых параметров драйвера; расчет/ моделирование элементов электрической схемы; выпуск эскизной схемы; разработка топологии печатной платы; изготовление макетов; проведение испытаний; корректировка схемы и топологии т.д. Очевидно, что процесс разработки, результатом которого должна стать рабочая документация на драйвер, достаточно трудоемкий. А если принять во внимание, что драйвер необходимо адаптировать к силовому модулю с его конкретными характеристиками и обеспечить при этом его надежную защиту в аварийных режимах, понятно, что задача разработки усложняется еще больше. Тем не менее разработчики (в частности, отечественные) предпочитают изготавливать собственные IGBT-драйверы — в основном для силовых преобразователей на рабочие напряжения 600, 1200, 1700 В, мотивируя это, прежде всего, тем, что готовый (покупной) драйвер стоит дороже.
Использование в качестве основы схемы базовой платы драйвера новейшего фирменного ядра SCALE-2 [1] позволяет создать недорогой двухканальный драйвер с передовыми характеристиками в кратчайшие сроки. Важно отметить, что такой драйвер имеет электрический интерфейс для работы в составе 2-, 3- и многоуровневых топологий инверторов, а также для управления параллельными соединениями силовых модулей.
Базовая плата — шесть шагов к успеху
Процесс разработки и включения драйвера на основе базовой платы CT-Concept образно назвала «Шесть шагов к успеху» — по количеству подготовительных этапов по включению драйвера. Вот эти шаги:
- Выбор одной из двух базовых плат 2BB0108T или 2BB0435T [5, 6] в зависимости от типа применяемого модуля и рабочего напряжения. Расчет при необходимости резисторов затвора для цепей включения и выключения и их монтаж на базовую плату. В печатной плате предусмотрены места для монтажа резисторов двух типов — с аксиальными выводами и для поверхностного монтажа.
- Подключение платы драйвера к силовому IGBT/ MOSFET-модулю посредством разъемов Х1 (канал1), Х2 (канал2).
- Подключение платы драйвера к управляющей электронике посредством разъема Х3 и к питающему напряжению +15 В.
- Выбор режима работы драйвера посредством коммутации вывода MOD (на землю, либо оставив плавающим +15 В). В первом случае получим режим «полумост» — управление полумостовой топологией силового модуля, во втором — «прямой», т. е. независимое управление каждым из двух каналов.
- Диагностика функционирования базовой платы драйвера: проверка выходного напряжения, подаваемого на затворы в состоянии «выключено» (определяется используемым ядром драйвера — 2SC0108T или 2SC0435T). Выходное напряжение состояния «включено» составляет + 15 В. Измеряется также ток, потребляемый платой в двух режимах — с подачей тактовой частоты и без.
- До запуска системы в работу рекомендуется также проверить каждый силовой модуль на циклическую нагрузку. Обычно достаточно использовать метод одиночного или сдвоенного (double-pulse) импульса. Рекомендуется удостовериться, что режимы работы силового модуля находятся в пределах «Области безопасной работы» (т. н. SOA) для наихудших условий применения. На этом же этапе необходимо провести тест каждого силового модуля на короткое замыкание. После этого система может быть включена в целом.
Основные характеристики базовых плат драйверов
Выпускаются и доступны для заказа 2 типа базовых плат драйверов (БПД) — 2BB0108T и 2BB0435T, внешний вид которых приведен на рис. 1 и 2 соответственно.

Рис. 1. Базовая плата 2BB0108T

Рис. 2. Базовая плата 2BB0435T
Платы принципиально различаются типом использованного ядра драйвера. В первой БПД используется ядро двухканального драйвера на ток затвора до 8 А и с выходной мощностью до 1 Вт на канал типа 2SC0108T. Вторая плата драйвера использует более мощное ядро 2SC0435T с максимальным током в каждом канале 35 А и мощностью 4 Вт на канал. Соответственно этим параметрам отличаются области применения БПД. Плата 2BB0108T предназначена для управления IGBT-модулями 34, 62, 17 мм, сдвоенными (dual) IGBT-модулями и модулями семейства EconoPACK+. Базовая плата 2BB0435T предназначена для работы со следующими типами IGBT-модулей:
- 62-мм IGBT-модули;
- 130×140 мм сдвоенные IGBT-модули;
- 130×140 мм одинарные IGBT модули;
- 190×140 мм одинарные IGBT модули;
- 17-мм сдвоенные IGBT-модули;
- PrimePACK IGBT-модули;
- EconoPACK+ IGBT-модули.
Каждая из базовых плат имеет 3 модификации, отличающиеся рабочими напряжениями IGBT-модулей, для которых они предназначены, три стандартных промышленных градации 600, 1200, 1700 В:
- 2BB0108T2Ax-06;
- 2BB0108T2Ax-12;
- 2BB0108T2Ax-17;
- 2BB0435T2Ax-06;
- 2BB0435T2Ax-12;
- 2BB0435T2Ax-17.
Габаритные размеры платы 2BB0108T 133x46x29 мм, платы 2BB0435T — 133x70x29 мм. Пример габаритного чертежа для платы 2BB0108T приведен на рис. 3.

Рис. 3. Габаритные размеры 2BB0108T
Функциональная схема БПД
Укрупненная функциональная схема БПД приведена на рис. 4 на примере 2BB0108T. Схема построена на основе нового драйвер-ного ядра CT-Concept, получившего название SCALE-2. Новое ядро является развитием широко применяемых в промышленности ядра SCALE и драйверов на его основе. Подробнее о характеристиках и особенностях драйверов SCALE-2 можно почитать в [1, 3, 4]. Отмечу только, что новое ядро драйвера SCALE-2 по сравнению со SCALE имеет существенно меньшее время задержки включения/выключения (<80 нс) при величине джиттера не более 2 нс во всем диапазоне рабочих условий и при полном размахе в 25 В (-10…+ 15 В). В частности, максимальная частота переключения драйвера 2SC0108T составляет 50 кГц.

Рис. 4. Функциональная схема базовой платы 2BB0108T
Базовая плата драйвера содержит все необходимые компоненты для оптимального и безопасного управления IGBT- или MOSFET-модулями:
- элементы ограничения напряжения на затворе каждого канала;
- диоды активной защиты превышения напряжения на затворах при выключении;
- схемы контроля напряжения коллектор-эмиттер Ve с целью защиты силового транзистора от короткого замыкания;
- входной электрический разъем Х3 для связи с контроллером;
- два выходных электрических разъема Х1 и Х2 для подключения силовых ключей;
- компоненты для настройки уровней срабатывания защиты при выключении;
- компоненты настройки времени отклика каналов и времени неперекрытия каналов (dead time) при работе в режиме полумоста.
Для включения платы драйвера в работу требуется только смонтировать на предусмотренные для этого места 4 резисторов затвора Ron/off, ограничивающих ток затвора силовых ключей при включении и выключении, и установить требуемое ядро драйвера, т. к. в комплект поставки базовой платы модуль драйвера не входит и заказыватся отдельно.
Интерфейсные разъемы Х1, Х2, Х3
Как уже упоминалось выше, для связи с внешним элементами преобразователя на базовой плате предусмотрены 3 разъема. В двух 6-контактных Х1 и Х2 задействованы только 3 контакта для соединения с коллектором, эмиттером и затвором силового транзистора каждого из каналов, причем незадействованные контактные штыри разъема не установлены для обеспечения требуемого безопасного зазора по поверхности (creepage distance = 12,9 мм), что определяется максимальным рабочим напряжением силового транзистора. В документации приведен рекомендуемый тип разъемов Х1 и Х2. Третий, X3, является стандартным 20-контактным разъемом DIC20 и имеет следующие группы контактов (рис. 5):
- 10 контактов GND (ОБЩ) — все нечетные контакты соединителя со стороны базовой платы электрически соединены.
- Два контакта Уc для подключения источника питания +15 В.
- 2 контакта INA и INB входных сигналов драйвера каждого канала (PWM1 и PWM2).
- Два контакта Fault1 и Fault2 сигналов статуса выходов каждого канала — сигналы ошибки (аварийного состояния выходов).
- Один контакт MOD выбора режима работы драйвера (режимы «полумост»/«прямой»).
- Один контакт TB регулировки времени блокирования драйвера после поступления сигнала ошибки (например, в случае короткого замыкания). По умолчанию это время составляет 90 мс. Подключением резистора Rb между контактами TB и GND это время можно уменьшить до 9 мс (Rh = 0) со всеми промежуточными значениями.

Рис. 5. Рекомендуемая схема интерфейса пользователя (подключения к разъему Х3) базовой платы 2BB0108T
Все входы интерфейса Х3 имеют защиту от статического электричества, более того, все они обладают характеристикой типа триггер Шмитта.
Специфические характеристики драйверов на основе БПД SCALE-2
Рассмотрим подробнее особенности работы драйвера на основе базовой платы с точки зрения встроенных защитных функций, которые улучшены в драйверном ядре SCALE-2. Конечно, все драйверы на базе этого семейства обладают и стандартными защитными функциями драйверов IGBT, такими как: контроль напряжения коллектор-эмиттер силового транзистора для защиты от короткого замыкания; блокировка канала драйвера в случае аварийной ситуации с последующим восстановлением (Operation inhibit after fault); блокировка в случае понижения питающего напряжения; обеспечение сигнала состояния (статуса) драй-верного канала(ов). Новой защитной функцией драйверов SCALE-2 является так называемое улучшенное активное ограничение (active clamping) напряжения коллектор-эмиттер IGBT-транзистора в режиме выключения, что особенно важно в случае защиты транзистора от короткого замыкания или при коммутации больших токов и постоянных напряжений в инверторных схемах. Суть функции активного ограничения состоит в частичном включении силового ключа на время, когда напряжение на его коллекторе превышает предустановленное значение. Транзистор на время включения переходит в линейный режим работы с существенно меньшей рассеиваемой мощностью. Подробнее эта функция рассмотрена в [7]. Базовая плата 2BB0108T имеет функцию активного ограничения. Оснащение драйвера этой функцией позволяет более эффективно использовать IGBT-модули путем повышения частоты переключения с соответствующим снижением коммутационных потерь.
Функциональная схема контроля напряжения коллектор-эмиттер (Vсе Monitoring), встроенная в базовые платы 2BB0108T и 2BB0435T, приведена на рис. 4. Напряжение коллектор-эмиттер обоих каналов измеряется с помощью резистивных цепей. Отсчет Vсе начинается по истечении некоторого времени задержки (response time) с момента подачи на затвор силовых транзисторов включающего напряжения драйвера (рис. 6). Если величина измеренного напряжения Vсе больше предустановленного порогового значения Vth, драйвер определяет это как состояние короткого замыкания и выставляет сигнал на выводе Sox. Соответствующий силовой транзистор немедленно запирается. IGBT-транзистор остается в выключенном состоянии все время, пока на выходе Sox присутствует сигнал блокировки, который, в свою очередь, определяется наличием соотношения Vсе>Vth. Схемы контроля Vсе действуют независимо по каждому каналу.

Рис. 6. Временные характеристики IGBT при включении
Необходимо отметить, что время задержки, по истечении которого измеряется Vсе, увеличивается с уменьшением постоянного напряжения питания инвертора: ниже 500 В (для версий 1200 и 1700 В) и ниже 400 В (для 600-В версии). Функция контроля напряжения коллектор-эмиттер предназначена только для защиты IGBT-транзистора от короткого замыкания и не предназначена для защиты от перегрузки по току, которая имеет более низкий приоритет и может быть легко реализована в контроллере преобразователя.
Заключение
- Две базовые платы 2BB0108T и 2BB0435T, представляющие собой «конструктор» двухканального драйвера IGBT, позволяют сократить время разработки драйверов силовых ключей и ускорить выход продукции на рынок.
- Для включения базовой платы в работу необходимо смонтировать резисторы затвора и установить ядро драйвера. Резисторы и ядро драйвера не входят в комплект поставки.
- Базовые платы 2BB0108T и 2BB0435T выпускаются для управления IGBT на рабочие напряжения 600, 1200, 1700 В. Выходная мощность драйверов базовой платы составляет 1 и 4 Вт на канал при токах 8 и 35 А на канал соответственно.
- Драйвер базовой платы построен на основе новейшего ядра SCALE-2 и обладает всеми его техническими характеристиками, такими как малое время задержки вкл/выкл (до 80 нс) и низкий джиттер (до единиц наносекунд), включая мониторинг напряжения коллектор-эмиттер и улучшенное активное ограничение напряжения коллектор-эмиттер при выключении и в стационарных режимах работы.
- Платы драйверов 2BB0108T и 2BB0435T поддерживают 2-, 3-, многоуровневые и параллельные топологии соединения силовых ключей.
- Платы укомплектованы документацией, включая электрические схемы, перечень элементов, габаритные чертежи, послойные чертежи топологии, управляющие файлы для изготовления печатной платы.
- Бербенец А. Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2 // Силовая электроника. 2009. № 5.
- www.Igbt-Driver.com. /ссылка устарела/
- Description and Application Manual for SCALE Drivers, CONCEPT.
- Data sheets SCALE-2 driver core 2SC0108T, CONCEPT.
- 2BB0108T Description and Application Manual, CONCEPT.
- 2BB0435T Description and Application Manual, CONCEPT.
- Advantages of Advanced Active Clamping // Power Electronics Europe. 2009. November/ December.