Для управління сучасними силовими ключами ΙΡΜ необхідні схеми управління затворами ключів – драйвери До них предявляються такі вимоги:

– напруга затвора при відмикання має бути на 10 .. 15 В вище напруги стоку OSFET (колектора IGBT), тобто для транзистора верхнього плеча напруга управління має бути на 0 .. 15 В вище напруги живлення

– драйвер повинен управлятися логічним сигналом, повязаним з сигнальною шиною загального проводу, відповідно драйвер верхнього плеча повинен мати високовольтний каскад зсуву рівня

– потужність, що розсіюється схемою управління, повинна бути пренебрежимо малої в порівнянні з загальною потужністю розсіювання

схема управління повинна забезпечувати струми перезаряда ланцюзі затвора, що гарантують динамічні характеристики транзистора

– час включення ton і виключення t0jf мікросхем повинно становить 25 .. 120 не й для 15 .. 80 не відповідно до, що забезпечує роботу драйверів в діапазоні частот до сотень кілогерц

Основні особливості драйверів:

– висока стійкість до перехідних перенапряжениям dU / dt (до 75 кВ / мкс)

– можливість регулювання часу затримки перемикання Or, рівня напруги спрацьовування захисту DESAT, опорів ланцюга затвора Rg0n/0ff,

– вбудовані ізольовані джерела живлення

– Можливість підключення волоконно-оптичної лінії звязку

– рівень вхідного сигналу TTL / CMOS

– вбудований ізольований IX УIX – ко н вертор

– режим SSD

– Двуполярность сигнал управління затвором Ugm/0ff = 15/-8 В

– формування часу затримки перемикання транзисторів напівмоста

Gr,

– нормування фронтів вхідних сигналів

Особливості і принципи дії драйверів розглянемо на прикладі структурної схеми полумостового драйвера пристрою управління IPM (рис 63)

Рис 63 Структурна схема полумостового драйвера 1РМ

Аналізований драйвер володіє наступними особливостями:

– високою стійкістю до навіяного dU / dt (до 75 кВ / мкс) завдяки використанню імпульсних трансформаторів

– низьким рівнем перешкод, що наводяться в схемі управління, завдяки використанню імпульсних трансформаторів і імпульсних фільтрів

– високою напругою ізоляції (до 4 кВ)

– високим вихідним струмом (до 30 А)

– можливістю регулювання часу затримки перемикання Gr, рівня напруги спрацьовування захисту DESAT, опорів ланцюга затвора Rgonioff

– запамятовуванням сигналів несправності

– вбудованими ізольованими джерелами живлення

– можливістю підключення волоконно-оптичної лінії звязку

– рівнем вхідних сигналів TTL / CMOS

Драйвери інтелектуальних модулів виконують всі функції, необхідні для безпечної роботи модуля, виробляючи постійний моніторинг вихідного струму, напруги силовий шини живлення і температури модуля Вони мають аналогові виходи, сигнали на яких пропорційні току, температурі модуля і напрузі силовий шини живлення Ці сигнали надходять на керуючий процесор і можуть бути використані для аналізу стану системи Для гальванічної розвязки вхідних ланцюгів в драйверах використовуються імпульсні трансформатори Напруга ізоляції конкретного модуля залежить від граничного робочого напруги Вбудована схема формування часу затримки перемикання (формувач G) виключає одночасне відкривання транзисторів напівмоста і блокує перемикання напівмоста на час, необхідний для закінчення перехідних процесів і виключення наскрізного струму Цей час залежить від конкретного типу застосованих силових кристалів, і може регулюватися зовнішнім резистором Імпульсні фільтри разом з імпульсними ізолюючими трансформаторами виконують ще одну дуже важливу функцію Високі швидкості перемикання і великі значення наведеної перенапруги dU / dt можуть призводити до збоїв в роботі контролера Така ситуація часто спостерігається при використанні оптичної гальванічної розвязки, так як оптичний барєр має порівняно велику перехідну ємність, через яку піки напруги можуть проникати в схему управління Імпульсні трансформатори набагато менш чутливі до шумів, ніж оптопари, а імпульсні фільтри драйверів пригнічують шумові сигнали як в прямому напрямку, так і в зворотному, не дозволяючи пікам наведеної напруги впливати на роботу керуючих контролерів В ізольованих джерелах живлення, вбудованих в драйвери, також використовуються імпульсні трансформатори з низьким значенням прохідний ємності для зменшення рівня перехідних перешкод Слід відзначити також, що імпульсні трансформатори в порівнянні з оптопарами мають набагато більш високу стабільність параметрів при роботі в умовах, високих перепадів напруги

Структурна схема драйвера гальмівного транзистора (чоппера) IPM наведена на рис 64 У режимі динамічного гальмування двигуна двохпозиційний контролер з гистерезисной характеристикою регулювання виробляє сигнали включення і виключення гальмівного транзистора в залежності від напруги на шині живлення

| Рис 64 Структурна схема драйвера гальмівного транзистора

Мінімальний час знаходження гальмівного транзистора у включеному режимі – 30 мкс Значення напруг, при яких відбувається комутація гальмівного транзистора, наведені на малюнку Модуль забезпечений зовнішнім входом управління чоппером, який може використовуватися, наприклад, для розряду накопичувальних конденсаторів Пріоритет має вбудована автоколивальна схема управління гальмівним каскадом, максимальна частота комутації – 5 кГц Драйвер управління чоппером здійснює описані вище захисні функції, крім того, він має функцію захисту від перенапруг в ланцюзі харчування 15 В Включення чоппера можливо, якщо засувка схеми не спрацювала При спрацьовуванні захисту вихід ERROR (відкритий колектор оптопари) має високий логічний рівень Для скидання схеми засувки необхідно відсутність будь-якої несправності і наявність сигналу скидання RESET протягом не менше 300 мс Засувка скидається також і при відключенні харчування Для живлення драйвера служить вбудований IX УIX – кон вертор, який живиться від нестабілізованого напруги 24 В (20 .. 30 В) або стабілізованого 15 В При наявності на вході RESET логічної одиниці конвертор відключається

Оскільки драйвери призначені для управління ключами силових перетворювачів змінного і постійного струму різного схемного побудови, то і вони виготовляються для управління одиночним ключем верхнього і нижнього плеча перетворювача, полумостовой і трифазні мостові драйвери Як правило, на вході в драйвер встановлюється тригер Шмідта, який здійснює нормування фронтів вхідних сигналів і має ширину гистерезиса, приблизно рівну 10% від напруги живлення Udd (рис 65) Полумостовой драйвери можуть мати незалежні входи верхнього і нижнього плеча або забороняти одночасне включення обох транзисторів напівмоста Як правило, такі мікросхеми формують час затримки перемикання (Ж), необхідне для виключення наскрізних струмів Час Ж може бути фіксованим або задаватися за допомогою зовнішніх елементів Час затримки включення / відключення для каналів драйвера має бути узгоджене, рівень узгодження вказується в технічних характеристиках

Рис 65 Структурна схема драйвера

Ряд мікросхем має вхід стробування SD, призначений для відключення вихідних сигналів Після тригера Шмідта вхідні сигнали надходять на транслятори рівня Ці вузли, що мають високу перешкодозахищеність, дозволяють узгодити логічний сигнал, повязаний з сигнальним загальним проводом, з силовою мінусовій шиною живлення Транслятори рівня також містять імпульсний фільтр, що не пропускає сигнали з тривалістю менше 50 ні Каскад зсуву рівня призначений для передачі логічного сигналу схемою управління транзистором верхнього плеча Мікросхеми повинні бути розраховані на перепад напруги від -5 до 600 і 1200 В Каскад зсуву рівня містить генератор, що виробляє вузькі імпульси, що збігаються з фронтами вхідного логічного сигналу, дискримінатор імпульсів і тригер-засувку (RS), що формує сигнал управління вихідним каскадом Така схема дозволяє різко знизити струм споживання верхнього каскаду драйвера Дискриминатор потрібно для підвищення стійкості драйвера до впливу перехідних перенапруг dU / dt, що виникають через великих швидкостей перемикання Завдяки наявності дискримінатора драйвери здатні стійко працювати при значних dU / dt до 50 В / нс При більш високих швидкостях може відбутися защелкивание драйвера – це одна з найсерйозніших проблем, властивих високовольтним схемами управління, які не мають гальванічної розвязки Оскільки для надійного відкривання транзистора верхнього плеча напруга живлення верхнього каскаду драйвера повинно бути вище шини живлення, як мінімум, на величину UVLO, зазвичай для живлення верхніх каскадів драйверів застосовують ізольовані джерела Важливим для драйверів є надзвичайно мале власне споживання струму Тоді для його харчування можуть використовуватися бутстрепние ємності, номінал яких залежить від характеристик затвора транзистора і максимальної необхідної тривалості імпульсу управління Вони забезпечують необхідний струм перезаряду ємностей затвора керованого транзистора Це допустимо тільки в імпульсному режимі роботи Заряд бутстрепной ємності С boot відбувається через діод VD від низьковольтного джерела живлення Ucc, Коли закривається транзистор верхнього плеча напівмоста і вихід напівмоста (висновок US драйвера) виявляється (при індуктивному навантаженні) нижче потенціалу силового загального проводу на величину напруги відмикання діода Зсув виведення US щодо виведення СОМ допускається на мінус 5 В Бутстрепний діод повинен бути високовольтним, його зворотна напруга визначається напругою живлення силовий шини Крім того, для нормальної роботи в режимі ШІМ він повинен бути швидкодіючим, мати малий струм витоку і зворотного відновлення Вихідні каскади повинні забезпечити струм включення / виключення MOSFET затвора в діапазоні 0,12 .. 2 А, вистачає для управління транзисторами і IGBT з струмом кіл-лектора до 50 А У схемах високовольтних драйверів присутні паразитні біполярні двухколлекторие транзистори, повязані з активними КМОП-транзисторами і їх внутрішніми діодами, які формують триггерную структуру, що приводить до замикання Підвищення стійкості до защелкивание (latch immunity) і навіяного перенапруження (dU / dt immunity) досягається застосуванням захисту від замикання (Lutch-Up Protected) Найбільш небезпечними з точки зору замикання є режими короткого замивання SC або перевантаження по струму ОС, при яких значення dl / dt, а відповідно, і dU / dt, максимальні

Як приклад розглянемо роботу драйвера, структурна схема якого (МС33153) наведена на рис 66 Особливістю даного драйвера є можливість використання двох способів захисту (по струму і напрузі насичення) і розділення режиму перевантаження ОС і режиму короткого замикання SC Висновок SENSE призначений для підключення токового вимірювального резистора, що є входом двох компараторів – З напругою спрацьовування 65 і 130 мВ Таким чином, в драйвері аналізується стан перевантаження і короткого замикання При перевантаженні спрацьовує компаратор ОС і він відключає сигнал управління затвором При цьому сигнал несправності на висновок Fault-Output не подається Якщо струм перевищує заданий в два рази, це розцінюється як коротке замикання При цьому перекидається компаратор SC, і на контрольному виведенні зявляється сигнал високого рівня За даним сигналу контролер, керуючий роботою схеми, повинен провести відключення всієї схеми Скидання захисту проводиться при подачі замикаючого сигналу високого рівня, так як вхід Input інвертуючий Час повторного включення має визначатися теплової постійної часу силових транзисторів Висновок DESAT призначений для реалізації захисту по напрузі насичення Напруга спрацьовування по даному входу – 6,5 В Цей же вхід використовується для підключення конденсатора Сиапдо, формуючого час затримки спрацьовування захисту

Така затримка необхідна, оскільки після подачі відмикає напруги на затвор на транзисторі деякий час, поки йде відновлення оппозит-ного діода, підтримується висока напруга

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р