Отечественные драйвера управления IGBT транзисторами и транзисторными сборками

August 22, 2013 by admin Комментировать »

Одним из интересных и перспективных шагов на пути интегрирования силовой элементной базы можно считать появление отечественных драйверов управления IGBT транзисторами и транзисторными сборками. Технические характеристики поставляемыхдрайверов находятся на уровне (а в чем-то даже и превосходят) лучших зарубежных разработок аналогичного плана. О зарубежных драйверах мы будем говорить в этом разделе чуть ниже, а сейчас расскажем об отечественной продукции, и в частности, о модульных интегральных драйверах, серийно изготавливаемых ЗАО «Электрум АВ» [22] (г. Орел). Номенклатура драйверов, производимых этой фирмой, чрезвычайно широка: выпускаются драйверы управления одиночными силовыми ключами, драйверы управления полумостами, в бескорпурном исполнении (в виде печатной платы) и в защитных корпусах с размерами не более 60 x 46 x 12,5 мм, оснащенные широким набором сервисных функций, со встроенными DC/DC преобразователями и без них (с обеспечением их внешнего подключения). Фирмой также выпускаются драйверы IGBT с гальванической развязкой цепи управления и питания, с рабочим напряжением до 4500 В и рабочими токами силовых цепей ключевых приборовдо 2000 А, с частотами коммутациидо 100 кГц. В составе этихдрайверов можно встретить следующие сервисные узлы, выполняющие защитные функции:

•  контроль напряжения насыщения «коллектор—эмиттер» силовых транзисторов;

•  регулировка порога отключения по напряжению насыщения «коллектор—эмиттер»;

•  регулировка длительности запрета контроля напряжения насыщения на время активного состояния управляемого транзистора в диапазоне от 2,8 до 100 мкс;

•  гарантированный запрет контроля напряжения насыщения управляемого транзистора при нахождении его в активной фазе (при переключениях) на минимальное время 1 мкс;

•  регулировка времени переключения силового транзистора;

•  номинальный контроль внутренних питающих напряжений (мониторинг питания);

•  блокировка управления при возникновении аварийного режима;

•  автосброс схемы управления по управляющему сигналу;

•  наличие инверсных и прямых входов управления драйверами;

•  плавное аварийное отключение управляемого транзистора за время 7 мкс;

•  блокировка одновременного включения транзисторов «верхнего» и «нижнего» плеч полумоста;

•  встроенные DC/DC преобразователи;

•  регулировка величины «мертвого времени»;

•  управление с помощью сигналов стандартных уровней ТТЛ/ КМОП;

•  внешняя сигнализация о возникновении аварийного режима;

•  раздельное задание токов управления затворами силовых транзисторов в фазах включения и отключения.

Конечно, обо всех исполнениях драйверов в этой книге мы поговорить не сможем, поэтому рассмотрим технические характеристики и устройство некоторых типономиналов в защитных корпусах. Внешний вид драйверов показан на рис. 2.3.25, а типовая структурная схема приведена на рис. 2.3.26.

В составе драйверов имеются следующие основные схемные узлы: схема согласования уровней управляющих сигналов, схема управления затворами транзисторов, схема питания. Соответственно, по признаку назначения выводы драйвера можно скомпоновать в функциональные группы:

•  входы управления переключением («вхГ», «вх2+», «вхГ», «вх2‘») — принимают от схемы управления статическим преоб-

Рис. 2.3.25. Внешний вид драйверов, производимых ЗАО «Электрум АВ»

разователем модулированные ШИМ-сигналы; подача может осуществляться как в прямом виде (входы со значком «+»), так и в инвертированном виде (входы со знаком «-»);

•  вход принудительной блокировки управления переключением («БЛОК»);

•  статусные выходы аварии управляемых транзисторов «верхнего» и «нижнего» плеча («СТ1», «СТ2»);

•  выходы управления затворами транзисторов «верхнего» и «нижнего» плеча по высокому и низкому уровню («ВыхГ», «ВыхГ», «Вых2+», «Вых2»);

•  входы настройки времени переключения каналов драйвера («Сз1», «Сз2»);

•  входы контроля напряжения насыщения силовых транзисторов с настройкой порога и времени блокировки каналов («ИКнастр1», «ИКнастр2»);

•  выходы встроенных источников питания каналов силовой части драйвера («+Епит1», «~Епит1», «+Епит2», «_Епит2»);

•  входы питания интерфейсной (входной) части схемы («ипит», «Общий»).

На взгляд автора, наибольший интерес для применения в конкретных разработках преобразовательной техники представляют драйверы серии МД2ХХП-Б, поскольку они выполнены в защитном корпусе, а также имеют наиболее оптимальный набор сервисных функций:

•  контроль напряжения насыщения силового транзистора;

•  запрет контроля напряжения насыщения на время переключения;

•  контроль снижения напряжения питания ниже 11 В;

•  блокировка управления при возникновении аварийной ситуации;

•  наличие входов раздельного управления «верхним» и «нижним» плечом полумоста;

•  наличие собственного источника питания гальванически развязанных цепей;

•  плавное аварийное отключение силовых транзисторов.

Структурная схема драйвера серии МД2ХХП-Б показана на

рис. 2.3.27.

Входной сигнал управления поступает на выводы 4 и 8 драйвера, обозначенные на структурной схеме как «Управление 1» и «Управление 2». Обратите внимание: драйвер не имеет инвертированных управляющих входов, а «возвратным» общим проводником служит вывод 9. Выводы 2 и 3 отведены под питание схемы. К выводам 14, 15, 16, 17, 18, 19 подключаются внешние емкости, которые выполняют функцию сглаживающих для внутренних источников питания. Управление затворами IGBT транзисторов — раздельное. К выводам 12 и 21 драйвера подключаются резисторы, ограничивающие ток открытия затворов,

а к выводам 13 и 20 — резисторы, ограничивающие токи закрытия. Контроль насыщения силовых транзисторов выполняется через выводы 10 и 23. К выводам 11 и 22 подключаются конденсаторы, задающие время блокировки контроля насыщения транзисторов. С помощью резисторов, подключаемых к выводам 5 и 7, осуществляется настройка величины «мертвого времени» между переключениями транзисторов. Вывод 6 — сигнализация о возникновении аварийного состояния.

В цепи контроля насыщения силовых транзисторов могут включаться диоды VD1, VD2 (или последовательно включаемые цепочки диодов), которые снижают пороговое напряжение контроля в соответствии с формулой:

где Umc — порог напряжения насыщения;

n — количество последовательно включенных диодов.

Диоды должны использоваться с обратным напряжением не ниже 1000 В и временем обратного восстановления не более 100 нс, например, типа UF4006.

Настройка «мертвого времени» осуществляется резисторами RJdI и RJd2, номиналы которых можно рассчитать из соотношения для величины «мертвого времени» ttd:

где Rtd — сопротивление соответствующего резистора.

В формулу (2.3.4) номинал резистора Rtd нужно подставлять в кОм, тогда величина «мертвого времени» ttd будет вычислена в мкс.

Еще один настраиваемый параметр драйвера — время задержки срабатывания защиты, которое может быть отрегулировано величиной конденсатора Стс. Рассчитать время задержки срабатывания защиты tmc можно по формуле:

Подстановка величины Стс осуществляется в пФ, тогда время задержки tmc получится в мкс. Минимальное значение Стс для данного типа драйвера составляет 100 пФ.

Каким образом «работает» схема контроля напряжения насыщения открытого транзистора? Идея здесь достаточно простая: в случае возникновения короткого замыкания (КЗ) или перегрузки в силовой цепи напряжение на открытом транзисторе резко возрастает, что и отслеживается соответствующей схемой контроля (выводы 10 и 23), запирающей силовой транзистор. Диаграммы работы схемы контроля напряжения насыщения приведены на рис. 2.3.28. Обратите внимание: снижение напряжения на затворе выполняется не мгновенно, а плавно — в целях исключения скачка напряжения на затворе от наведенных токов коллекторной цепи.

Рис. 2.3.28. Диаграмма работы схемы контроля насыщения

Основные электрические данные драйвера следующие:

•  диапазон напряжения питания — 13,5… 16,5 В;

•  устойчивость к испытательному напряжению изоляции — 4000 В;

•  импульсный ток управления силовыми транзисторами (в зависимости от исполнения) — 1,5 А; 5,0 А; 8,0 А;

•  ток потребления по питанию — не более 200 мА;

•  рабочий диапазон температур — минус 40…+100 °С.

На рис. 2.3.29 приведена рекомендуемая электрическая схема на основе данного драйвера, которая была опробована в процессе авторских разработок преобразователя с номинальной выходной мощностью 12 кВт.

Напряжение 15 В, питающее драйвер, поступает на контакты 1— 2 платы. Управление осуществляется сигналами с контактов 3—4 относительно «общего» сигнального контакта 5. На контакты 6—7 выведен сигнал «авария» в виде замыкаемого «сухого» контакта твердотельного реле, который транслируется на схему управления статическим преобразователем. Контакты 8—9—10 предназначеныд ляуправления IGBT транзистором «верхнего» плеча полумоста, а контакты 11—12— 13 — для управления «нижним» IGBT транзистором полумоста. Конденсаторы Cl…C5 — блокировочные по питанию, а конденсаторы C6, C7 устанавливают время запрета контроля напряжения насыщения силовых транзисторов. Резисторы R1, R2 задают «мертвое» время, которое вданном случае установлено

Рис. 2.3.29. Принципиальная схема драйвера на основе модуля МД250П-Б

равным 5 мкс. Резисторы R4…R7 — затворные. Диоды VDl…VD4 снижают величину контролируемого напряжения насыщения.

В результате использования драйвера МД250П-Б вместо схем, построенных на дискретных элементах, удалось существенно (почти в два раза) уменьшить конструктивную высоту узла в сборе, отказаться от трудоемких операций по намотке трансформаторов, повысить надежность преобразователей и в более полной мере оснастить разрабатываемые приборы средствами защиты от аварийных режимов.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты