Когда «deadtime» перестает быть проблемой

September 3, 2013 by admin Комментировать »

В этом небольшом разделе мы поговорим о простом решении такой серьезной проблемы, возникающей при использовании полумостовых и мостовых силовых схем, как пробой силовых элементов в результате действия «сквозных» токов. В предыдущем разделе мы подробно говорили о том, что силовые транзисторы IGBT и MOSFET (как, впрочем, и любые другие управляемые ключевые элементы) имеют конечное время переключения из состояния отсечки в проводящее состояние и наоборот. Последствия возникновения «сквозных» токов практически всегда фатальны — они в подавляющем большинстве случаев приводят к выходу из строя преобразовательной техники. Поэтому разработчики уделяют достаточно много внимания мерам по недопущению возникновения подобных аварийных режимов, прибегая к различным схемотехническим ухищрениям, порой весьма и весьма сложным, чтобы ввести гарантированную паузу между моментом закрывания одного ключевого элемента и открыванием второго. Автору этой книги однажды пришлось (в силу некоторых причин) реализовывать схему цифрового формирования защитной паузы «мертвое время» («deadtime») на отечественных дискретных элементах «жесткой логики». В результате задача была решена с использованием 16 корпусов микросхем, которые размещались на отдельной печатной плате. Вот такова «цена вопроса» защиты от сквозных токов.

Значительно упростить задачу формирования защитной паузы «мертвое время» позволяют микросхемы IXDP630 и IXDP631, производимые американской фирмой «IXYS» [26]. Эта фирма, кроме всего прочего, специализируется на производстве компонентов для силовой преобразовательной техники: в ее номенклатуре есть транзисторы MOSFET, биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT, диоды FRED с малым временем обратного восстановления, диоды-сапрессоры защиты от высоковольтных индуктивных выбросов напряжения, мощные тиристоры и т. д. Именно поэтому специалисты фирмы не понаслышке знают о проблемах силовой электроники и стремятся выпускать продукцию, отвечающую всем современным требованиям.

В оригинальной технической документации эти микросхемы имеют наименование «inverter interface and digital deadtime generator for 3-phase

PWM controls», что относит их к классу цифровых интерфейсных схем с генератором паузы «мертвое время» для трехфазных схем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) управляющих сигналов. Уточним: в трехфазных схемах возможности микросхем используются наиболее полно, но их также с легкостью можно применить для управления мостовых и полумостовых однофазных схем. Преимущество цифрового (таймерного) формирования защитной паузы «мертвое время» очевидно — этот способ гарантирует помехоустойчивое формирование «мертвого времени» со стабильной длительностью и его регулировки в широких пределах. Кроме этого, в составе микросхемы имеются узлы, позволяющие легко организовать защитное отключение силовых каскадов статического преобразователя при возникновении аварийных ситуаций, таких, как короткое замыкание (КЗ), перегрузка, снижение напряжения питания.

На рис. 2.2.1 показана функциональная схема внутреннего устройства микросхем IXDP630 и IXDP631. Как видно из рисунка, микросхема

состоит из трех идентичных ячеек DTG (deadtime generator), а также единого цифровоготактового генератора OSC. Ячейки DTG имеют индивидуальные входы управления каналами R, S, T (сигналы DATA IN R, DATA IN S, DATA IN T), индивидуальные входы отключения каналов R, S, T (сигналы ENABLE ENAR, ENABLE ENAS, ENABLE ENAT), групповой вход отключения каналов R, S, T (сигнал OUTPUT ENABLE OUTENA), вход отключения тактовой частоты (сигнал RESET). Тактовый генератор имеет вывод подключения времязадающих компонентов (сигнал OSCIN) и внешний вход тактовой частоты (сигнал OSCOUT). Диаграммы, отражающие процесс функционирования микросхемы, приведены нарис. 2.2.2. Этидиаграммы показываютработутолько канала R, поскольку остальные каналы (S и T) функционируют аналогично.

Вначале рассмотрим диаграмму, показанную на рис. 2.2.2, а. После установки сигнала RESET в высокое (high) состояние сигналы CLK тактового генератора OSC поступают на схему отсчета импульсов в узлах DTG, выходные сигналы RU и RL находятся в состоянии низкого (low) уровня. После установки сигналов OUTENA и ENAR включаются выходы RU и RL, начинается отработка сигнала управления, поступающего на вход IN R. При установке входного сигнала в высокое состояние происходит установка высокого уровня на выходе RU, а на выходе RL сохраняется низкий уровень. При переходе сигнала IN R в низкий (low) уровень, на выходе RU устанавливается низкий уровень и запускается процедура формирования паузы «мертвое время», для-

щаяся 8 тактов генератора OSC. По окончании временного интервала выходной сигнал RL приобретает высокий уровень. Далее, при изменении входного сигнала на выводе IN R, процедура формирования паузы «мертвое время» повторяется.

На рис. 2.2.2, б показана процедура отработки сигналов OUTENA и ENAR. Из диаграммы видно, что реакция микросхемы на эти сигналы одинаковая: при установке OUTENA и ENAR в низкое (low) состояние происходит сброс сигналов RU и RL в низкое состояние. Диаграмма также иллюстрирует реакцию процедуры отработки паузы «мертвое время» на шум (noise), который наводится на входной управляющий сигнал по выводу IN R: при наличии переключений сигнала пауза «мертвое время» затягивается. Вместе с тем, сигналы OUTENA и ENAR не запускают эту процедуру.

В последнее время значительное внимание уделяется модульному принципу наращивания мощности преобразовательной техники, при реализации которого необходимая мощность прибора обеспечивается параллельной синхронной работой одинаковых преобразовательных ячеек. При проектировании силовых ячеек с применением описываемых микросхем очень полезным может оказаться сигнал генератора OSCOUT. Этот сигнал может синхронизировать работу генераторов нескольких параллельно включенных IXDP630 или IXDP631, если один из корпусов будет выбран «ведущим», а остальные — «ведомыми». Сигнал OSCOUT «ведущей» микросхемы в таком случае достаточно подключить ко входам OSCIN «ведомых» микросхем.

Поговорим об электрических и конструктивных параметрах микросхем IXDP630 и IXDP631. Оба наименования изготавливаются на основетехнологии КМОП с низким энергопотреблением(1 мАсобственного потребления тока), питаются стандартным напряжением 5 В, что позволяетлегко сопрягать их каксдругими типономиналами микросхем «жесткой логики», так и с микроконтроллерами (а также с ПЛИС). Выходные токи управления допускаются до 25 мА на один вывод, поэтому к выходам микросхем можно непосредственно подключать драйверные микросхемы с оптической развязкой (например, HCPL3120), на входе которых имеется светодиод. Но вообще-то рекомендованное номинальное значение выходных токов составляет 8…10 мА. Входные каскады микросхем оснащены триггерами Шмита, что повышает их помехоустойчивость. Согласно фирменной спецификации, максимальное напряжение питания микросхем составляет 7 В, и его, как показала практика работы с микросхемой, ни в коем случае нельзя превышать (даже кратковременно) — микросхема однозначно выйдет из строя.

До сих пор мы говорили о микросхемах IXDP630 и IXDP631 как об идентичных, имея в виду их функциональные возможности. Но отличия все-таки есть, и они заключаются в способе формирования тактового сигнала. В первом случае используется частотозадающая RC-це

почка, а во втором — кварцевый резонатор (или генератор). Понятно, что применение кварцевого элемента значительно повышает временную стабильность формирования паузы «мертвое время». Частота генератора задается в диапазоне от 0,001 до 16 МГц для исполнения IXDP630 и в пределах от 0,1 до 24 МГц для исполнения IXDP631. Выпуск микросхем осуществляется в пластиковых корпусах DIP-18, обеспечивающих работу в диапазоне температур от минус 40 до +85 °С. Расположение выводов показано на рис. 2.2.3.

Относительно процедуры выбора частотозадающих элементов производитель предоставляет следующую техническую информацию. Для микросхем исполнения IXDP630 необходимо включение всего двух компонентов частотозадающей «обвязки»: конденсатора Cosc и резистора Л05С. Схема подключения частотозадающих элементов показана на рис. 2.2.4.

Производитель предупреждает, что при выборе тактовой частоты более 1 МГцтемпературная нестабильность отработки паузы «мертвое время» может достигать 5 %. Кроме этого, при колебаниях напряжения питания микросхемы в диапазоне 4,5…5,5 В также будет наблюдаться нестабильность частоты генерации в пределах 5 %. Не рекомендуется использовать номинал резистора Rosc сопротивлением менее

Рис. 2.2.3. Расположение выводов микросхем IXDP630 и IXDP631

1 кОм, так как в противном случае возрастет чувствительность схемы к дестабилизирующим факторам (температура, колебания напряжения питания). Нижний вывод конденсатора Cosc необходимо соединить с выводом 9 микросхемы по наиболее краткому пути, а также рекомендуется максимально сократить длину связи между элементами и выводами 10 и 11 микросхемы для минимизации паразитной монтажной индуктивности.

а в диапазоне более 1 МГц по формуле

Рассчитать величину частотозадающих элементов можно по следующим формулам, которые производитель приводит в технической документации. Частота генерации fosc в диапазоне до 1 МГц определяется по формуле

Однако можно воспользоваться и графическими данными, приведенными в той же технической документации и определить номиналы частотозадающих элементов без математических вычислений. Номограмма для определения Rosc и С05с приведена на рис. 2.2.5.

Рассчитывая (или определяя) номиналы элементов частотозадающей цепи, следует помнить, что величина паузы «мертвое время» составляет длительность, равную 8 тактам задающего генератора.

На рис. 2.2.6 показана схема подключения частотозадающих элементов к микросхеме IXDP631, там же указаны рекомендуемые номиналы «обвязки». Кстати, и в этом случае производитель рекомендует осторожно отнестись к топологии печатной платы и сократить до минимума длину электрических связей.

Рис. 2.2.6. Подключение частотозадающей цепи к IXDP631

Наиболее перспективной на сегодняшний момент является идеология максимального использования покупных изделий высокой интеграции при разработке и изготовлении статических преобразователей. В результате такого подхода удается обойтись без разработки и изготовления трудоемких и наукоемких узлов, но, тем не менее, создавать высокотехнологичные и конкурентоспособные образцы преобразовательной техники. Далее мы будем говорить о таких комбинированных элементах силовой электроники, как драйверы управления силовыми ключами, где упомянем, что в большинстве из выпускаемых на сегодняшний момент драйверах уже предусмотрены узлы задания паузы «мертвое время». Ну а если по каким-либо причинам использовать готовый драйвер не удастся, то описываемые в этом разделе микросхемы уж точно выручат разработчика.

Не следует забывать, что преобразовательная силовая техника всегда являлась источником сильных электромагнитных помех. Особенно остро проблема помехоустойчивости стоит в отношении высокочастотных статических преобразователей, так как при переключении силовых элементов с высокой частотой и крутизной фронтов возникают выбросы электромагнитной энергии, наводимой на малосигнальные управляющие цепи. Авторский опыт применения микросхемы IXDP630 говорит о том, что при встраивании ее в схему управления важно принять дополнительные меры по обеспечению помехоустойчивости. Сигнальные выводы R, S, T желательно «подтянуть» к «общему» проводнику управляющей схемы через резисторы сопротивлением 5,1…10,0 кОм, а входы отключения (в силу того, что смена уровней сигнала на них происходит редко) — также «подтянуть» на «общий» через блокировочные конденсаторы емкостью 820…1000 пФ.

Областью возможного применения микросхем может служить разработка мощных регулируемых источников постоянного тока, преобразователей частоты, формирующих выходные сигналы различной формы, источников бесперебойного питания с синусоидальным выходным сигналом. В частности, эта микросхема используется для серийного производства ряда статических преобразователей частоты с входным напряжением 3 x 380 В 50 Гц и выходным напряжением 3 x 220 В 400 Гц мощностью 6 кВА. Такие преобразователи стремительно завоевывают области специальной техники, так как поставляются взамен вращающихся преобразователей серий ATO и ATT.

В разработанном статическом преобразователе СТТ-6-400, функциональная схема которого показана на рис. 2.2.7, оказалось достаточным сформировать модулированный по синусоидальному закону ШИМ-сигнал (трехфазного вида, со сдвигом 0, 120 и 240 электрических градусов) посредством синхронизированных по фазе генераторов пилообразного напряжения ГПН1…ГПНЗ, генераторов синусоидального напряжения ГСН1…ГСНЗ, компараторов КП1…КПЗ, и подать его на входы микросхемы IXDP630. К выходам микросхемы подключены

драйверы с опторазвязками типа HCPL-3120 (на рисунке не показаны), которые управляют полумостовыми IGBT транзисторными сборками VTl…VT6. На выходе IGBT сборок включены Г-образные LC-фильтры L1C1, L2C2, L3C3 (Ф2) подавления высокочастотной ШИМ-модуляции и трансформатор гальванической развязки T1 типа TCBM-6,3-0,4-74.0M5 220/230 В (производится ОАО «Электрозавод»). Внутренняя управляющая схема преобразователя охвачена необходимыми обратными связями по выходному току и напряжению, а также по напряжению питающей сети, что обеспечивает стабильность поддержания выходных параметров на заданном уровне. Сигнал отключения по короткому замыканию в нагрузке подается на вход OUTENA микросхемы IXDP630, а сигнал отключения по перегрузке — на объединенные электрически выводы ENAR, ENAS, ENAT. Сигнал RESET жестко установлен на высокий уровень.

Другой статический преобразователь с номинальной выходной мощностью 12 кВт типа СРТ-12 (рис. 2.2.8) предназначен для поставки взамен вращающихся электромашинных преобразователей серий ЭМУ, АТПР. Преобразователь трансформирует переменное трехфазное напряжение 3 x 380 В 50 Гц в постоянное напряжение с номинальным значением ±230 В, которое регулируется от нулевого значения в обе стороны. Отличительной особенностью такого преобразователя является, во-первых, высокая линейность регулировки статической характеристики, составляющая не более 1,5 %, а во-вторых, низкий уровень пульсаций выходного тока — не более 0,02 %. Нагрузка преобразователя — активно-индуктивная.

В этом преобразователе также используется микросхема IXDP630, но включенная с управлением R и S. Вход T подсоединен к «общему» проводу схемы и для управления не используется. Сам преобразователь построен по схеме автогенераторного мостового инвертора со стабилизацией значения выходного тока. Применение в нем описываемой микросхемы позволило в процессе разработки избежать многих аварийных ситуаций, связанных с выходом из строя дорогостоящих транзисторных ключей.

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