А тепер ми поговоримо про драйвери, призначених для управління потужними перетворювачами статичними, побудованими на дискретних елементах, але із застосуванням вищеназваних драйверних мікросхем До слова, при розробці автором схем статичних перетворювачів з вихідною потужністю 6 і 12 кВт, було прийнято рішення застосувати драйвери, складені з дискретних елементів, оскільки на момент розробки в наявності не виявилося подходящіхдрайверов в інтегральному виконанні На рис 2321 показана електрична принципова схема драйвера, використовуваного у складі перетворювача трифазного мережевої напруги 380 В 50 Гц в напругу трифазного виду 220 В 400 Гц з вихідною потужністю 6 кВт

Основою схеми служить оптоелектронний драйвер D2 типу HCPL-3120, що забезпечує гальванічну розвязку схеми управління від силової схеми З метою реалізації гальванічної розвязки живлення драйвера встановлений модульний DC / DC перетворювач D1 з вхідним номінальною напругою 15 В і вихідним напругою

24                     В Розробникам, які захочуть використовувати схему у своїх проектах, необхідно врахувати, що зазначений на рис 2321 модульний DC / DC перетворювач забезпечує електричну міцність ізоляції між входом і виходом не менше 1500 В по змінній напрузі частоти 50 Гц і не менш 3500 В по постійному напрузі В умовах роботи перетворювача DC / DC у складі реального приладу між входом і виходом цього джерела гарантовано буде присутній напруга 540 В (випрямлена напруга трифазної мережі 380 В 50 Гц), а якщо взяти до уваги * можливі комутаційні викиди напруги на паразитних індуктивностях, то і все 1000 В

Рис 2321 Перший варіант драйвера на дискретних елементах

Стабилитрон VD1 формує негативне напруга мінус 5 В, «підпирають» затвор IGBT транзистора в закритому стані Резистор R2 задає струм перезарядки затвора, резистор R3 знижує імпеданс затвора і запобігає мимовільне відкриття IGBT приладу в моменти комутації

Описуваний драйвер сполучається з IGBT складанням типу GA125TSl20U Конструктивно він являє собою друковану плату з пелюстками «під пайку», з розмірами 70 x 70 x 25 мм

Осцилограма вихідної напруги драйвера при роботі перетворювача на реальну номінальну активно-індуктивне навантаження

Рис 2322 Осцилограма вихідних сигналів драйвера

(Трифазні високошвидкісні вентилятори) наведена на рис 2322 Частота керуючого ШІМ-сигналу обрано рівної 10 кГц

Фіксується хороша крутизна фронтів і мала величина викидів напруги, що виникають внаслідок проходження силових комутаційних процесів, що свідчить про досить високій якості функціонування драйвера і забезпеченні ним основної функції управління

Тепер настав час влити ложку дьогтю в бочку меду, тобто розповісти про недоліки такого драйвера По-перше, його габаритні розміри оказалісьдостаточно великими: для комплектування перетворювача, що має в своєму складі трифазний керований міст, необхідно шість таких драйверних плат (по дві на управління кожним IGBT модулем) Все б нічого, але коли плата порівнянна за габаритними розмірами з самим IGBT модулем, ця обставина значною мірою ускладнює компонування силового інвертора, скорочує можливості доступу до окремих вузлів для регулювання, ремонту і т д По-друге, описуваний драйвер не має жодних функціональних вузлів захисту від виникнення аварійних режимів, а значить, силову схему перетворювача доведеться «навантажувати» додатковими датчиками, обнаруживающими перевантаження, коротке замикання, вихід силових транзисторів зі стану насичення Крім цього, сигнали датчиків повинні схемотехнически оброблятися для прийняття рішень про відключення або про переведення в режим обмеження

Драйвер, схема якого наведена на рис 2323, має два ідентичних гальванічно розвязаних каналу Харчування каналів здійснюється високочастотним перетворювачем прямоходового типу на основі мікросхеми D7 На елементах Dl .. D4 побудований монітор для схеми від провалів напруги живлення Навіщо він потрібен Справа в тому, що IGBT транзистор, як і будь-який інший транзистор біполярного типу, може переходити з області насичення в активну область роботи, що веде до значного підвищення розсіювання тепла на ньому і, як наслідок, виходу з ладу Працюючий в умовах

Рис 2323 Другий варіант драйвера на дискретних елементах

стабільного живлячої напруги перетворювач однозначно забезпечить ключовий режим комутації, а от при короткочасних провалах мережевої напруги (особливо при живленні його схем управління від швидко скидальних вихідна напруга високочастотних джерел напруги власних потреб) легко може настати відмову Введений в схему драйвера монітор відстежує напругу його живлення і виробляє сигнал відключення при зниженні цього напруги нижче небезпечного рівня

Описуваний тут драйвер здійснює управління IGBT збірками полумостового типу CM200DY-24A (виробник – фірма «Mitsubishi electric»), що володіють досить великий вхідний ємністю затвора, тому потурбувалися умощніть вихід драйвера транзисторними підсилювачами струму на елементах VTl .. VT4 Таким чином, схемотехнически вдалося забезпечити імпульсний струм управління не нижче 5 А

Конструктивно драйвер розміщений на платі з розмірами 80 x 80 мм, що говорить про майже двократне скорочення габаритів у порівнянні з раніше описаним варіантом (див рис 2321) На жаль, в цьому випадку також проглядається ряд недоліків як схемотехнического, так і технологічного характеру Головний технологи чний недолік викликаний необхідністю використання трансформатора T1 власного виготовлення Трансформатор розроблений в малогабаритному виконанні, магнитопроводом служить феритовий сердечник броньового типу Як було вже сказано раніше, межобмоточная ізоляція трансформатора повинна забезпечувати стійкість до випробувального напрузі не менше 1500 В, що реалізувати досить складно, якщо виготовлювач позбавлений можливості виконати якісну вакуумне просочення трансформаторної котушки

Розглянемо тепер схемотехнічні недоліки Вони виражаються у відсутності окремих корисних захисних функцій, якими провідні світові виробники «навантажують» свої драйвери, виходячи з досвіду експлуатації силової техніки Для пояснення звернемося до рис 2324 Як показує практика, більш ефективний варіант управління IGBT транзисторами полягає в роздільному завданні струмів заряду і розряду вхідних затворних ємностей На рис 2324 струми заряду і розряду задаються резисторами R1 і R2 (для «верхнього» плеча), а також резисторами R3 і R4 (для «нижнього» плеча) Крім того, значна увага приділяється контролю величини напруги насичення транзисторів Схемотехнічних ця частина має електричні звязку «контроль 1» і «контроль 2», підключають колектори транзисторів до драйверного вузлам контролю Виправдана Чи ця ідея Безсумнівно, і ось чому Розробникам силової техніки добре відомо, що достатньо важко забезпечити негайне аварійне відключення силової частини перетворювача при виникненні струмового перевантаження Класичний метод контролю заснований на застосуванні датчика струму на основі ефекту Холла (датчика Холла) або резистивних шунтів, сигнал з яких обробляється електронною схемою захисту Але, як показала світова практика, в якості такого датчика можна використовувати безпосередньо силовий перехід «колектор-емітер» IGBT транзистора, відстежуючи величину напруги насичення на ньому (ми про це вже говорили)

У полумостовой перетворювальних схемах необхідно також приймати спеціальні заходи щодо запобігання виникнення «наскрізних» струмів внаслідок одночасного відкриття транзисторів «верхнього» і «нижнього» плеча Ця функція в складі інтегральних драйверів також легко можна реалізувати, причому величину «мертвого часу» (паузи між моментами комутації VT1 і VT2) можна регулювати за допомогою зовнішніх елементів (Резисторів або конденсаторів)

На вітчизняному ринку електронних компонентів сьогодні в достатній кількості присутня широка номенклатура імпортних інтегральних драйверів, що забезпечують всі перераховані вище функції, і навіть деякі інші другорядного властивості, про які ми тут просто не згадуємо Враховуючи це, виробники перетворювальної техніки загальнопромислового виконання не гають часу на розробку унікальних драйверів, а просто купують готові Але розробникам спеціальної техніки, особливо тим, хто працює в рамках держзамовлень, жити в даному достатку нітрохи не легше: спецтехніка традиційно повинна містити лише вітчизняну комплектацію, виготовлену для роботи в жорстких умовах (наприклад, з прийманням «5») Чому не легше – пояснюється просто: одних принципово-важливих вітчизняних елементів поки не розроблено, інші перебувають на стадії розробки, і невідомо, коли закінчиться їх освоєння в серійному виробництві Тому в ряді випадків розробники спецтехніки просто змушені використовувати елементи загальнопромислового виконання, що поставляються з прийманням «1» (прийманням OTK), але фактично – за своїми параметрами – задовольняють жорстким умовам експлуатації Зауважимо також, що вітчизняні елементи можуть бути цікаві і виробникам комерційної електроніки з точки зору скорочення витрат на придбання і зниження кінцевої собівартості продукції

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