У цьому розділі ми детально поговоримо про такі специфічні вузлах силової електроніки, як драйвери управління потужними ключовими елементами, і, зокрема, силовими транзисторами MOSFET і IGBT Як показує практика, якісні технічні показники драйверних вузлів в значній мірі визначають надійність функціонування статичних перетворювачів Чому Справа в тому, що надійна робота електронної техніки може бути забезпечена тільки якістю елементної бази, закладеної при її проектуванні, а також фізичним виконанням цієї елементної бази Іншими словами, чим менше номенклатура і кількість елементів у складі електронного пристрою, тим надійніше його робота Крім того, важливим для забезпечення надійності є заміна дискретних елементів на вузли, виконані в інтегральному (або хоча б гібридному) виконанні Добре відомо, що з появою інтегральних мікросхем різко скоротилося число незахищених межелементних електричних звязків, а тому стало менше причин до виникнення відмов Красномовне тому свідчення – стрімке зменшення мас і габаритів персональних компютерів при зростанні їх продуктивності і функціональних можливостей

На жаль, вузли силової перетворювальної техніки в більшості випадків слабко інтегруються, що веде до додаткових складнощів при її розробці, виробництві та експлуатації Однак і в цій області намітилися суттєві зрушення, втім, в основному стосуються схем управління Розроблені та застосовуються спеціалізовані інтегровані мікроконтролери, що формують керуючі послідовності, здійснюють плавний пуск, стабілізацію, різні види захистів Проте слід визнати, що елементи силової частини перетворювальної техніки по даний час розробляються на основі дискретної бази, тому в кінцевому підсумку якість функціонування розробки залежить не тільки від якості елементної бази, але також і від того, наскільки кваліфіковано розробник зєднає ці елементи, наскільки повно він врахує вплив паразитних параметрів

Проектуючи схему керування силовими транзисторними збірками, досвідчений розробник відмінно знає, що:

а) необхідно забезпечувати «плаваючий» потенціал управління верхнім силовим ключем у полумостовой схемі

б) вкрай важливо створити швидке наростання і спад керуючих сигналів, що надходять на затвори силових елементів для зниження теплових втрат на перемикання

в) необхідно забезпечити високу величину імпульсу струму управління затворів силових елементів для швидкого перезаряда вхідних (затворних) ємностей

г) у переважній більшості випадків потрібна електрична сумісність вхідної частини драйвера зі стандартними цифровими сигналами TTJI / КМОП (як правило, надходять від мікроконтролерів)

Досить тривалий час розробники були змушені проектувати схеми драйверів управління на дискретних елементах Ці схеми, залежно від кваліфікації і досвіду розробників, виходили більш-менш вдалими, але, швидше, все-таки «менш» Першою важливою подією на шляху інтеграції драйверів управління стала поява мікросхем серій IR21xx і IR22xx (а потім їх більш сучасних модифікацій IRS21xx, IRS22xx), розроблених фірмою «International Rectifier» Ці мікросхеми сьогодні знайшли найширше застосування в малопотужної перетворювальної техніки, оскільки відповідають усім вищезгаданим вимогам Рідкісний досвідчений розробник силової перетворювальної техніки не має досвіду застосування даних мікросхем – настільки вони популярні

Але перш ніж розповісти про ці драйверних мікросхемах, пояснимо, у чому полягають їх чудові властивості, завдяки яким вони стали настільки популярними у розробників Справа в тому, що схема управління силовими ключами завжди будується так, що її вихідний сигнал (у вигляді широтно-модульованих імпульсів) задається щодо «спільного» провідника схеми Як видно з рис 231, а, на якому показано полумостовой силовий каскад, для ключового транзистора VT2 цього цілком достатньо – сигнал «Упр2» можна безпосередньо подавати на затвор (базу) транзистора через формувач G2, так як його джерело (емітер) повязаний з «загальним» провідником схеми, і керування здійснюється щодо «спільного» провідника

Але як бути з транзистором VT1 який працює в верхньому плечі напівмоста Якщо транзистор VT2 знаходиться в закритому стані, а VT1 відкритий, на витоку VT1 присутня напруга живлення UnilT Поетомудля комутації транзістораУТ1 необхідно гальванічно розвязане з «загальним» схеми пристрій G1, яке чітко буде переда-

Рис 231 До поясненням проблеми управління силовими ключами в полумостовой схемах

вать імпульси схеми управління «Упр1», не вносячи в сигнали спотворень Класичне рішення цієї проблеми полягає у включенні управляющеготрансформатораТ1 (рис 231, б), який, з одного боку, гальванічно развязиваетуправляющіе ланцюга, асдругой – передає комутаційні імпульси Не випадково це технічне рішення вважається «класикою жанру»: воно відомо не одне десятиліття Ми не будемо в подробицях розглядати цей метод, так як він безнадійно застарів, а бажаючі познайомитися з ним докладніше без праці розшукають літературу з проектування сигнальних трансформаторів

Ми звернемося до порівняно новому способу управління силовими транзисторними ключами, званому бутстрепним Власне, спосіб цей був розроблений досить давно (перші рекомендації щодо його використання можна знайти в літературі, виданій на початку 80-х рр. XX в), Проте широке поширення в практичних конструкціях він отримав після появи драйверних мікросхем, оскільки його реалізація на дискретних елементах досить складна Відразу відзначимо, що бутстрепний метод можливо ефективно використовувати тільки для транзисторів MOSFET і IGBT, які вимагають незначних витрат потужності в ланцюзі управління Мікросхеми IRS2110 і IRS2113, що випускаються фірмою «International Rectifier», побудовані саме із застосуванням бутстрепной схемотехніки, випускаються в стандартних корпусах для монтажу в отвір і поверхнево-монтовані Зовнішній вигляд мікросхем показаний на рис 232

Вхідним сигналом служить сигнал мікросхеми управління стандартної амплітуди логічного рівня, причому з допомогою напруги, що подається на висновок Vdd, Можна забезпечити сумісність з класичною 5-вольтової логікою, і більш сучасною 3,3-вольтової На виході драйвера є напруги управління «верхнім» і «нижнім» силовими транзисторами 6 драйвері вжито заходів щодо забезпечення необхідних керуючих рівнів, створений еквівалент гальванічної розвязки (псевдоразвязка), є додаткові функції – вхід відключення, вузол захисту від пониження напруги живлення, фільтр коротких керуючих імпульсів

Як видно з структурної схеми (рис 233), драйвер складається з двох незалежних каналів, які призначені для управління верхнім і нижнім плечем полумостовой схем На вході драйвера передбачені формувачі, побудовані на основі тригерів Шміта Входи Vcc і Vdd призначені для підключення живлячої напруги силовий і керуючої частин схеми, «земляні» шини силової частини і керуючої частини розвязані (різні «загальні» висновки – Vss і СОМ) У переважній більшості випадків ці висновки просто зєднують разом Передбачена також можливість роздільного харчування керуючої і силової частини для узгодження вхідних рівнів з рівнями схеми управління Вхід SD – захисний Вихідні каскади побудовані на компліментарних польових транзисторах У складі мікросхеми є додаткові пристрої, що забезпечують її стійку роботу в складі перетворювальних схем: цей пристрій зсуву рівня керуючих сигналів (VdcyVcc level shift), пристрій придушення коротких імпульсних перешкод (pulse filter), пристрій затримки перемикання (delay) і детектор зниженої напруги живлення (UV detect)

Типова схема включення драйверів наведена на рис 234 Конденсатори C1 і C3 – фільтруючі Фірма-виробник рекомендує розташовувати їх якомога ближче до відповідних висновків Конденсатор C2 і діод VD1 – бутстрепний каскад, що забезпечує живлення схеми управління транзистора «верхнього» плеча Конденсатор – фільтр в силовий ланцюга Резистори R1 і R2 – затворні Ці резистори також «рятують» драйвер від такого неприємного явища, як защелкивание вихідних силових каскадів мікросхеми (не плутати з защелкиванием в IGBT транзисторах) Явище замикання вихідних каскадів ми розберемо трохи пізніше

Рис 234 Типова схема включення IRS2110 і IRS2113

Іноді керуючий широтно-модульований сигнал може бути сформований не по двох керуючим входам окремо, а поданий на один вхід у вигляді меандру з шпаруватістю, що змінюється Такий спосіб управління може зустрітися, наприклад, в перетворювачах, що формують синусоїдальний сигнал заданої частоти У цьому випадку досить задати паузу «мертвий час» між закриттям одного транзистора напівмоста і відкриттям другий Такий драйвер з вбудованим вузлом гарантованого формування паузи «мертвий час» в номенклатурі фірми «International Rectifier» є – це мікросхема IRS2111 Мікросхема випускається в 8-вивідному корпусі DIP (або SOIC) Структурна схема приведена на рис 235

На структурній схемі видно, що драйвер має вбудовані вузли формування паузи «мертвий час» (deadtime) для верхнього і нижнього плечей напівмоста Згідно документації виробника, величина «мертвого часу »задана на рівні 650 нс (типове значення), що цілком достатньо для управління напівміст, що складаються з потужних MOSFET транзисторів На жаль, задана величина «мертвого часу» не підлягає коригуванні ззовні, тому використовувати цей драйвер для управління транзисторами IGBT в цілому не представляється можливим (ну хіба що вдасться знайти екземпляри з невеликою тривалістю залишкового токового «хвоста»)

Рис 235 Функціональні вузли мікросхеми IRS2111

Так як драйвери, що випускаються фірмою «International Rectifier», широко відомі і активно застосовуються розробниками силової техніки, ми не будемо докладніше зупинятися на інших типах драйверних мікросхем цієї фірми, а наведемо їх основні найменування (реально номенклатура випуску значно ширше), які, на погляд автора книги, найбільш цікаві для вітчизняних розробників (табл 231) Бажають подробиць можуть звернутися до оригінальної документації на сайті виробника [27]

Таблиця 231 Параметри деяких драйверних мікросхем серії IRS

Дуже важливий параметр будь-якого драйвера – це максимальний струм включення / відключення (/0+//0_) Від величини цього струму залежить швидкість перемикання силового приладу, яка, як ми вже знаємо, визначається величиною ємності затворів На превеликий жаль, драйвери фірми «International Rectifier» не вдається використовувати при розробці потужної перетворювальної техніки (їх доля-перетворювачі потужністю до 2 .. 3 кВт) Чому По-перше, недостатні для управління потужними силовими приладами максимальні струми перезаряда вхідних (затворних) ємностей По-друге, відсутність гальванічної розвязки між керуючою і силовий частинами драйвера По-третє, можливе виникнення ефекту заблокувати (блокування) вихідних компліментарних структур драйвера через наявність наведених струмів

При проектуванні схем управління зазвичай вважається, що вихідний каскад керуючих драйверів складається з двох комплементарних польових транзисторів VT1 і VT2 (рис 236), який посилює струм управління затвором силового ключа і має дуже низький вихідний імпеданс

Рис 236 Умовне позначення вихідного каскаду драйверной мікросхеми

Насправді, завдяки специфіці технології виготовлення вихідних компліментарних каскадів (рис 237), крім керуючих польових транзисторів MPI і MNI в структурі кристала є паразитні біполярні транзистори QP1, QP2, QN1, QN2, які утворюють паразитную тиристорну р-п-р-п-структуру

Тепер нам необхідно згадати, що в польових транзисторах не останню роль відіграє ефект Міллера Ми вже зясували, що якщо транзистор комутується занадто швидко, а опір ланцюга управління велике, напруга на затворі може «підскакувати» на значну (і навіть небезпечну) величину Затвор, приєднаний до виходу драйвера, прикладає це наведену напругу до тиристорної р-п-р-п-структурі Якщо прикладена напруга виявиться вище напруги живлення керуючого каскаду всього-навсього на 0,3 В (величина напруги «база-емітер» біполярного транзистора у відкритому стані), настає ефект «перекидання» паразит-

Рис 237 Реальна структура вихідного каскаду драйверной мікросхеми

ної тиристорної структури, виведення живлення замикається на «загальний» схеми Клямка не може відновитися автоматично, поки не буде зняте живлення з мікросхеми, і вихідний каскаддрайвера вигоряє Та ж сама ситуація може виникнути, якщо на вихід драйвера буде наведено напруга, на 0,3 В нижче потенціалу «загального» схеми, як показано на рис 238 Величина «затікає» на вихід драйвера струму визначається швидкістю перемикання транзистора – чим швидкість більше, тим і струм більше Максимальне значення «затікає» струму, при якому драйвер працює стійко, для різних мікросхем управління може бути різним Для мікросхем серії IRS цей наведений струм не повинен перевищувати 0,5 А Підвищити стійкість мікросхем управління до защелкивание від наведених струмів можна двома способами, і обидва вони повязані з обмеженням швидкості перемикання транзисторів Перший спосіб полягає в застосуванні снаббера (спеціальної ланцюжка пасивних компонентів, яка уповільнює динамічні процеси перемикання) Другий – в установці між

Рис 238 До поясненням замикання вихідного каскаду драйвера від «затікає струмів»

керуючим виводом драйвера і затвором ключового транзистора невеликого опору, що обмежує наведений струм У цьому випадку наводиться струм буде замикатися через ємності Cgd і C ^, не затікаючи» в мікросхему управління Величина резистора Rg не повинна бути занадто великою, щоб дільник напруги, утворений зазначеними ємностями, не сприяв мимовільного відкриття силового транзистора У фірмовій документації на драйверні мікросхеми серії IRS вказується максимальний струм, який може «видати» на керуючий висновок конкретний тип мікросхеми Якщо при виборі резистора мікросхему використовувати по струму не більше ніж на 70-80% від максимального значення струму, то в більшості випадків ефект замикання проявлятися не буде

Другою причиною, яка може призвести до замикання драйвера, зазвичай є погана розводка друкованих провідників (рис 239) Розглянемо приклад невдалої і вдалою розводки На рис 239, а показано нижнє плече полумостового каскаду Загальний висновок мікросхеми управління підключений не безпосередньо до витоку силового транзистора, а так, що струм управління і силовий струм протікають по одному провіднику Будь провідник, як ми знаємо, має паразитної індуктивністю (в даному випадку позначимо її як Z /nap) При досить швидкій зміні падіння напруги на транзисторі (Uds) У часі, стрибок напруги на паразитної індуктивності може «загорнути» точку «А» схеми вище напруги живлення мікросхеми управління, типове значення якого co-

ставлять 15 В Це, як ми вже знаємо, може призвести до замикання вихідний структури драйвера

На щастя, паразитні транзистори в вихідному каскаді драйверной мікросхеми мають дуже поганими частотними властивостями, тому, якщо енергія імпульсного кидка невелика (амплітуда імпульсу може бути великий за умови малості його тривалості), защелкивание може і не відбутися – паразитная тиристорна структура просто не встигне відреагувати на такий імпульс Дослідним шляхом встановлено, що при тривалості наведеної імпульсу до 1 мкс ймовірність замикання вельми мала

Убезпечити свою розробку від замикання, викликаного поганим монтажем, можливо Для цього необхідно розробляти топологію друку за наступним правилом: висновок «загальний» мікросхеми управління повинен бути безпосередньо приєднаний до витоку потужного ключового транзистора, а потім ця точка приєднується до негативної клеми мережевого блокувального конденсатора згладжує фільтра (рис 239, б)

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил