У цьому невеликому розділі ми поговоримо про просте вирішенні такої серйозної проблеми, що виникає при використанні полумостовой і мостових силових схем, як пробій силових елементів в результаті дії «наскрізних» струмів У попередньому розділі ми детально говорили про те, що силові транзистори IGBT і MOSFET (як, втім, і будь-які інші керовані ключові елементи) мають кінцевий час перемикання зі стану відсічення в провідний стан і навпаки Наслідки виникнення «наскрізних» струмів практично завжди фатальні – вони в переважній більшості випадків призводять до виходу з ладу перетворювальної техніки Тому розробники приділяють досить багато уваги заходам щодо недопущення виникнення подібних аварійних режимів, вдаючись до різних схемотехнічними хитрощів, часом вельми і вельми складним, щоб ввести гарантовану паузу між моментом закривання одного ключового елемента і відкриванням другого Автору цієї книги одного разу довелося (в силу деяких причин) реалізовувати схему цифрового формування захисної паузи «мертвий час» («deadtime») на вітчизняних дискретних елементах «жорсткої логіки» У результаті завдання було вирішено з використанням 16 корпусів мікросхем, які розміщувалися на окремій друкованій платі Ось така «ціна питання» захисту від наскрізних струмів

Значно спростити завдання формування захисної паузи «мертвий час» дозволяють мікросхеми IXDP630 і IXDP631, вироблені американською фірмою «IXYS» [26] Ця фірма, крім усього іншого, спеціалізується на виробництві компонентів для силової перетворювальної техніки: у її номенклатурі є транзистори MOSFET, біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT, діоди FRED з малим часом зворотного відновлення, діоди-сапрессори захисту від високовольтних індуктивних викидів напруги, потужні тиристори і т д Саме тому фахівці фірми не з чуток знають про проблеми силової електроніки і прагнуть випускати продукцію, що відповідає всім сучасним вимогам

В оригінальній технічної документації ці мікросхеми мають найменування «inverter interface and digital deadtime generator for 3-phase

PWM controls », що відносить їх до класу цифрових інтерфейсних схем з генератором паузи« мертвий час »для трифазних схем з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) керуючих сигналів Уточнимо: в трифазних схемах можливості мікросхем використовуються найбільш повно, але їх також з легкістю можна застосувати для управління мостових і полумостовой однофазних схем Перевага цифрового (таймерного) формування захисної паузи «мертвий час» очевидно – цей спосіб гарантує помехоустойчивое формування «мертвого часу» зі стабільною тривалістю і його регулювання в широких межах Крім цього, у складі мікросхеми є вузли, що дозволяють легко організувати захисне відключення силових каскадів статичного перетворювача при виникненні аварійних ситуацій, таких, як коротке замикання (КЗ), перевантаження, зниження напруги живлення

На рис 221 показана функціональна схема внутрішнього устрою мікросхем IXDP630 і IXDP631 Як видно з малюнка, мікросхема

складається з трьох ідентичних осередків DTG (deadtime generator), а також єдиного ціфровоготактового генератора OSC Осередки DTG мають індивідуальні входи управління каналами R, S, T (сигнали DATA IN R, DATA IN S, DATA IN T), індивідуальні входи відключення каналів R, S, T (сигнали ENABLE ENAR, ENABLE ENAS, ENABLE ENAT), груповий вхід відключення каналів R, S, T (сигнал OUTPUT ENABLE OUTENA), вхід відключення тактової частоти (сигнал RESET) Тактовий генератор має висновок підключення времязадающіх компонентів (сигнал OSCIN) і зовнішній вхід тактової частоти (сигнал OSCOUT) Діаграми, що відображають процес функціонування мікросхеми, наведені нарис 222 Етідіаграмми показиваютработутолько каналу R, оскільки інші канали (S і T) функціонують аналогічно

Спочатку розглянемо діаграму, показану на рис 222, а Після установки сигналу RESET у високе (high) стан сигнали CLK тактового генератора OSC надходять на схему відліку імпульсів у вузлах DTG, вихідні сигнали RU і RL перебувають у стані низького (low) рівня Після установки сигналів OUTENA і ENAR включаються виходи RU і RL, починається відпрацювання сигналу керування, що надходить на вхід IN R При установці вхідного сигналу у високе стан відбувається установка високого рівня на виході RU, а на виході RL зберігається низький рівень При переході сигналу IN R в низький (low) рівень, на виході RU встановлюється низький рівень і запускається процедура формування паузи «мертвий час», для-

щаяся 8 тактів генератора OSC По закінченні тимчасового інтервалу вихідний сигнал RL набуває високий рівень Далі, при зміні вхідного сигналу на виводі IN R, процедура формування паузи «мертве час »повторюється

На рис 222, б показана процедура відпрацювання сигналів OUTENA і ENAR З діаграми видно, що реакція мікросхеми на ці сигнали однакова: при установці OUTENA і ENAR в низьке (low) стан відбувається скидання сигналів RU і RL в низький стан Діаграма також ілюструє реакцію процедури відпрацювання паузи «мертвий час» на шум (noise), який наводиться на вхідний керуючий сигнал з виведення IN R: при наявності перемикань сигналу пауза «мертвий час» затягується Разом з тим, сигнали OUTENA і ENAR не запускати цю процедуру

Останнім часом значна увага приділяється модульним принципом нарощування потужності перетворювальної техніки, при реалізації якого необхідна потужність приладу забезпечується паралельної синхронної роботою однакових перетворювальних осередків При проектуванні силових осередків із застосуванням описуваних мікросхем дуже корисним може виявитися сигнал генератора OSCOUT Цей сигнал може синхронізувати роботу генераторів декількох паралельно включених IXDP630 або IXDP631, якщо один з корпусів буде обраний «провідним», а решта – «веденими» Сигнал OSCOUT «провідною» мікросхеми в такому випадку досить підключити до входів OSCIN «відомих» мікросхем

Поговоримо про електричних і конструктивних параметрах мікросхем IXDP630 і IXDP631 Обидва найменування виготовляються на основетехнологіі КМОП з низьким енергоспоживанням (1 мАсобственного споживання струму), харчуються стандартним напругою 5 В, що позволяетлегко сполучати їх каксдругімі тіпономіналов мікросхем «жорсткої логіки», так і з микроконтроллерами (а також з ПЛІС) Вихідні струми управління допускаються до 25 мА на один висновок, тому до виходів мікросхем можна безпосередньо підключати драйверні мікросхеми з оптичною розвязкою (наприклад, HCPL3120), на вході яких є світлодіод Але взагалі- рекомендоване номінальне значення вихідних струмів становить 8 .. 10 мА Вхідні каскади мікросхем оснащені тригерами Шміта, що підвищує їх стійкість Згідно фірмової специфікації, максимальне напруга живлення мікросхем становить 7 В, і його, як показала практика роботи з мікросхемою, ні в якому разі не можна перевищувати (навіть короткочасно) – мікросхема однозначно вийде з ладу

До цих пір ми говорили про мікросхемах IXDP630 і IXDP631 як про ідентичні, маючи на увазі їх функціональні можливості Але відмінності все-таки є, і вони полягають у способі формування тактового сигналу У першому випадку використовується частотозадающіх RC-це

нирка, а у другому – кварцовий резонатор (або генератор) Зрозуміло, що застосування кварцового елемента значно підвищує тимчасову стабільність формування паузи «мертвий час» Частота генератора задається в діапазоні від 0,001 до 16 МГц для виконання IXDP630 і в межах від 0,1 до 24 МГц для виконання IXDP631 Випуск мікросхем здійснюється в пластикових корпусах DIP-18, що забезпечують роботу в діапазоні температур від мінус 40 до +85 ° С Розташування висновків показано на рис 223

Щодо процедури вибору частотозадающіх елементів виробник надає наступну технічну інформацію Для мікросхем виконання IXDP630 необхідне включення всього двох компонентів частотозадающей «Обвязки»: конденсатора Cosc і резистора Л05С Схема підключення частотозадающіх елементів показана на рис 224

Виробник попереджає, що при виборі тактової частоти більше 1 МГцтемпературная нестабільність відпрацювання паузи «мертвий час» може досягати 5% Крім цього, при коливаннях напруги живлення мікросхеми в діапазоні 4,5 .. 5,5 В також буде спостерігатися нестабільність частоти генерації в межах 5% Не рекомендується використовувати номінал резистора Rosc опором менше

Рис 223 Розташування висновків мікросхем IXDP630 і IXDP631

1 кОм, тому що в противному випадку зросте чутливість схеми до дестабілізуючих чинників (температура, коливання напруги живлення) Нижній висновок конденсатора Cosc необхідно зєднати з висновком 9 мікросхеми по найбільш короткому шляху, а також рекомендується максимально скоротити довжину звязку між елементами і виводами 10 і 11 мікросхеми для мінімізації паразитної монтажної індуктивності

а в діапазоні більше 1 МГц за формулою

Розрахувати величину частотозадающіх елементів можна за такими формулами, які виробник наводить у технічній документації Частота генерації fosc в діапазоні до 1 МГц визначається за формулою

Однак можна скористатися і графічними даними, наведеними в тій же технічної документації та визначити номінали частотозадающіх елементів без математичних обчислень Номограма для визначення Rosc і С05С приведена на рис 225

Розраховуючи (або визначаючи) номінали елементів частотозадающей ланцюга, слід памятати, що величина паузи «мертвий час» становить тривалість, рівну 8 тактам задає генератора

На рис 226 показана схема підключення частотозадающіх елементів до мікросхеми IXDP631, там же зазначені рекомендовані номінали «обвязки» До речі, і в цьому випадку виробник рекомендує обережно поставитися до топології друкованої плати і скоротити до мінімуму довжину електричних звязків

Рис 226 Підключення частотозадающей ланцюга до IXDP631

Найбільш перспективною на сьогоднішній момент є ідеологія максимального використання покупних виробів високої інтеграції при розробці та виготовленні статичних перетворювачів У результаті такого підходу вдається обійтися без розробки і виготовлення трудомістких і наукомістких вузлів, але, тим не менш, створювати високотехнологічні та конкурентоспроможні зразки перетворювальної техніки Далі ми будемо говорити про такі комбінованих елементах силової електроніки, як драйвери керування силовими ключами, де згадаємо, що в більшості з випускаються на сьогоднішній момент драйверах вже передбачені вузли завдання паузи «мертвий час» Ну а якщо з якихось причин використовувати готовий драйвер не вдасться, то описувані в цьому розділі мікросхеми вже точно виручать розробника

Не слід забувати, що перетворювальна силова техніка завжди була джерелом сильних електромагнітних перешкод Особливо гостро проблема завадостійкості варто відносно високочастотних статичних перетворювачів, так як при перемиканні силових елементів з високою частотою і крутизною фронтів виникають викиди електромагнітної енергії, наводимой на малосигнальні керуючі ланцюга Авторський досвід застосування мікросхеми IXDP630 говорить про те, що при вбудовуванні її в схему управління важливо вжити додаткових заходів щодо забезпечення завадостійкості Сигнальні висновки R, S, T бажано «підтягнути» до «спільного» провіднику керуючої схеми через резистори опором 5,1 .. 10,0 кОм, а входи відключення (в силу того, що зміна рівнів сигналу на них відбувається рідко) – також «підтягти» на «загальний» через блокувальні конденсатори ємністю 820 .. 1000 пФ

Областю можливого застосування мікросхем може служити розробка потужних регульованих джерел постійного струму, перетворювачів частоти, що формують вихідні сигнали різної форми, джерел безперебійного живлення з синусоїдальним вихідним сигналом Зокрема, ця мікросхема використовується для серійного виробництва ряду статичних перетворювачів частоти з вхідною напругою 3 x 380 В 50 Гц і вихідним напругою 3 x 220 В 400 Гц потужністю 6 кВА Такі перетворювачі стрімко завойовують області спеціальної техніки, так як поставляються натомість обертових перетворювачів серій ATO і ATT

У розробленому статичному перетворювачі СТТ-6-400, функціональна схема якого показана на рис 227, виявилося достатнім сформувати модульований за синусоїдальним законом ШІМ-сигнал (трифазного виду, із зсувом 0, 120 і 240 електричних градусів) за допомогою синхронізованих по фазі генераторів пилкоподібної напруги ГПН1 .. ГПНЗ, генераторів синусоїдального напруги ГСН1 .. ГСНЗ, компараторів КП1 .. КПЗ, і подати його на входи мікросхеми IXDP630 До виходів мікросхеми підключені

драйвери з опторазвязкамі типу HCPL-3120 (на малюнку не показані), які управляють полумостовой IGBT транзисторними збірками VTl .. VT6 На виході IGBT збірок включені Г-подібні LC-фільтри L1C1, L2C2, L3C3 (Ф2) придушення високочастотної ШІМ-модуляції і трансформатор гальванічної розвязки T1 типу TCBM-6 ,3-0 ,4-74 0 M5 220/230 В (виробляється ВАТ «Електрозавод») Внутрішня керуюча схема перетворювача охоплена необхідними зворотними звязками по вихідному струму і напрузі, а також по напрузі живильної мережі, що забезпечує стабільність підтримки вихідних параметрів на заданому рівні Сигнал відключення по короткого замикання в навантаженні подається на вхід OUTENA мікросхеми IXDP630, а сигнал відключення з перевантаження – на обєднані електрично висновки ENAR, ENAS, ENAT Сигнал RESET жорстко встановлений на високий рівень

Інший статичний перетворювач з номінальною вихідною потужністю 12 кВт типу СРТ-12 (рис 228) призначений для постачання натомість обертових електромашинних перетворювачів серій ЕМУ, АТПР Перетворювач трансформує змінна трифазна напруга 3 x 380 В 50 Гц у постійну напругу з номінальним значенням ± 230 В, яке регулюється від нульового значення в обидві сторони Відмінною особливістю такого перетворювача є, по-перше, висока лінійність регулювання статичної характеристики, складова не більше 1,5%, а по-друге, низький рівень пульсацій вихідного струму – не більше 0,02 % Навантаження перетворювача – активно-індуктивна

У цьому перетворювачі також використовується мікросхема IXDP630, але включена з керуванням R і S Вхід T приєднаний до «спільного» проводу схеми і для управління не використовується Сам перетворювач побудований за схемою автогенераторного мостового інвертора зі стабілізацією значення вихідного струму Застосування в ньому описуваної мікросхеми дозволило в процесі розробки уникнути багатьох аварійних ситуацій, повязаних з виходом з ладу дорогих транзисторних ключів

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