Сергей Копытин

Новое поколение драйверов SCALE для мощных MOSFET- и IGBT-модулей

Фирма CT-Concept Technologie AG (Швейцария) в течение десяти лет занимается разработкой и производством интеллектуальных драйверов и плат управления для мощных MOSFET- и IGBT-модулей. Новая серия драйверов SCALE (рис. 1) построена на основе заказного чипсета с различными вариантами входного логического интерфейса (электрический/оптический), различным числом выходных каналов и компактным конструктивным исполнением (возможностью монтажа непосредственно на IGBT-модуль). Драйверы Concept в ходе эксплуатации (в электроприводах, инверторных преобразователях, устройствах управления и защиты, вторичных источниках питания и системах бесперебойного электропитания) зарекомендовали себя наилучшим образом. Все это позволяет на сегодняшний день считать драйверы фирмы Concept промышленным стандартом.

Драйверы SCALE

Рис. 1. Драйверы SCALE

Фирма Concept изготавливает драйверы SCALE для IGBT-модулей в диапазоне напряжений от 600 до 6500 В и токов о т 75 до 2400 A, характеристики которых приведены в табл. 1, где Trafo означает трансформаторную развязку каналов управления, а Fiber — оптическую развязку. Новые продукты в таблице выделены.

Таблица 1. Характеристики драйверов SCALE для IGBT-модулей

Кроме перечисленных в таблице, все драйверы SCALE имеют следующие характеристики:

• Напряжение питания +15 В.
• Программируемый уровень входного сигнала +5…15 В.
• Обычный режим или режим полумоста с синхронизацией и генерацией интервала мертвого времени (опционально).
• Защита от перегрузки по току и от короткого замыкания.
• Мониторинг уровня напряжения питания.
• Гальваническая развязка каналов адресации и распознавания ошибок (через трансформатор).
• Интеллектуальный DC/DC преобразователь.
• Высокая функциональная интеграция, большая гибкость.

Драйверы SCALE HVI (High Voltage IGBTs) для IGBT-модулей 3300 и 6500 В — это новое поколение драйверов для высоковольтных IGBT-модулей (серия 1SD418FI). Комбинации драйвера SCALE HVI- и IGBT-модуля представляют собой принципиально новое решение — интеллектуальный модуль IPM (Intelligent Power Module). Данные драйверы являются законченным устройством, содержащим встроенную защиту, что определяет высокую надежность системы в целом. Монтаж драйвера предельно прост — следует только зафиксировать драйвер на модуле с помощью трех винтов (рис. 2). Компактность решения и сокращение потерь в силовой части определяют хорошую перспективу для будущих разработок.

Рис. 2. Монтаж драйвера SCALE на IGBT-модуле

Ключевые свойства драйверов SCALE

Драйверы SCALE — последнее поколение интеллектуальных драйверов для силовых MOSFET- и IGBT-приборов уже завоевали широкое признание. Проект SCALE стал победителем конкурса, организованного Technology Center Switzerland 1998. ABB Switzerland AG отметил разработку драйверов SCALE как «Лучший проект силовой электроники 1998 года». Название SCALE составлено из первых букв их ключевых свойств:

SCALE = Scaleable, Compact, All purpose, Low cost and Easy to use.

Scaleable — Гибкость

Одним из важнейших свойств чипсета драйверов SCALE является гибкость. В отличие от существовавшего ранее подхода к проектированию схем управления, разработанный набор микросхем может использоваться для весьма широкого круга приложений с различными управляющими токами и мощностями, подходит практически для любой частоты переключения, любого вида модуляции и величины напряжения изоляции. Драйверы SCALE предназначены для использования в силовых блоках мощностью от кило- до мегаватт.

Compact — Компактность

В драйвере SCALE все необходимые компоненты размещены на минимальной площади. При этом драйвер осуществляет управление, мониторинг, квитирование состояния, содержит изолированный импульсный источник питания (преобразователь DC/DC) для внутренней логики и обеспечивает электрическую изоляцию всех сигналов управляющей части и силового блока. При таком наборе функций драйверы SCALE на сегодня являются наиболее компактным решением.

All purpose — Многоцелевой

Драйвер SCALE обеспечивает максимальную гибкость операций и позволяет осуществить выбор между режимом полумоста и обычным режимом. В режиме полумоста может генерироваться интервал мертвого времени. В стандартном (direct) режиме отдельные каналы имеют общий драйвер, но работают автономно.

Low cost — Низкая стоимость

Драйверы SCALE имеют замечательное соотношение цена/производительность. Они содержат все необходимые компоненты: собственно драйвер, мониторинг, подтверждение приема (квитирование), источник питания (преобразователь DC/DC) и электрическую изоляцию всех сигналов и являются наиболее дешевыми драйверами из всех имеющих подобные характеристики.

Easy to use — Легкость в использовании

Интерфейс к электронной части работает при всех стандартных логических уровнях от 5 до 15 В. Входы имеют характеристики триггеров Шмидта, что смягчает требования к входным сигналам. Сигналы квитирования состояния выдаются через выходы с открытым коллектором. Шины источника питания полностью изолированы от силового блока. SCALE обладает всеми функциями интеллектуального драйвера, что сильно облегчает их использование со стандартными модулями IGBT.

Технология драйверов SCALE

Драйверы SCALE фирмы Concept построены на специально разработанном наборе микросхем, что позволило их сделать более компактными, менее дорогими и в то же время достичь значительно лучших технических характеристик, чем у других продуктов, существующих сегодня на рынке.

Чтобы удовлетворить разнообразные требования по производительности, числу каналов, характеристикам изоляции, драйверы SCALE были разработаны в различных версиях. На блок-схеме, представленной на рис. 3, показан двухканальный драйвер. В трехфазной версии все компоненты представлены в утроенном объеме, плюс осциллятор ШИМ. В каждом канале присутствует электрическая развязка между управляющей и силовой частью, защита силовых транзисторов по току и от короткого замыкания, схема мониторинга питания, распознавания статуса, а также изолированный импульсный источник питания для управляющей логики (преобразователь DC/DC).

Рис. 3. Блок-схема 2-канального драйвера SCALE

Первым строительным блоком чипсета драйверов SCALE является интерфейс к блоку электронного управления LDI (Logic to Driver Interface). Блок LDI управляет каждым из двух каналов через соответствующий импульсный трансформатор, на входы которого поступают сигналы ШИМ. Импульсные трансформаторы служат не только для электрической развязки управляющей информации, но и для передачи в обратном направлении статусной информации по каждому из каналов на LDI. Вторым блоком чипсета является интеллектуальный драйвер IGD (Intelligent Gate Driver) для каждого из каналов, который принимает импульсно-кодовый сигнал от трансформатора и переводит его в форму ШИМ. Затем сигнал ШИМ проходит через усилитель для достижения вентильным током величины, достаточной для управления силовой частью. Кроме того, IGD выполняет функции защиты, предохраняющей силовые ключи от опасных условий функционирования.

Импульсный трансформатор

В состав драйверов SCALE входят миниатюрные импульсные трансформаторы, которые обеспечивают очень хорошую изоляцию каналов и малые паразитные емкости. Технология трансформаторов фирмы Concept основана на десятилетнем опыте проектирования сигнальных трансформаторов для интеллектуальных драйверов. Импульсные трансформаторы обладают следующими преимуществами: минимальные времена задержки, стабильность параметров, требуемое напряжение изоляции и максимальный срок службы. Вероятность отказа (MTBF) импульсного трансформатора в 20 раз ниже, чем у оптопары, и до 200 раз ниже, чем у оптоволоконного стыка. Исключительно высокая помехоустойчивость (dV/dt і 100 кВ/мкс) позволяет использовать драйверы SCALE для приложений с высокими значениями разностей и скачков потенциалов между силовым блоком и управляющей частью. Напряжения изоляции для различных версий драйверов SCALE указаны в соответствующих Data Sheets.

Времена задержки

Драйверы Concept вне конкуренции ввиду беспрецедентного качества передачи сигналов управления. Время распространения сигналов у драйверов SCALE составляет около 300–350 нс, что меньше, чем у конкурирующих продуктов. Задержки по положительному и отрицательному фронтам полностью симметричны и постоянны во всем рабочем температурном диапазоне. Практически нет отличий между временами задержки для различных драйверов, что весьма важно при запараллеливании устройств. Прохождение сигнала происходит практически без дребезга, благодаря чемурешаются все проблемы калибровки в приводных и конверторных приложениях.

Надежность

Вентильное управление с биполярным напряжением ±15 В обеспечивает надежное функционирование IGBT модулей. Ввиду высокой помехоустойчивости драйвера несколько силовых MOSFET или IGBT модулей могут быть подключены к нему параллельно. Драйвер спроектирован таким образом, что его подключение осуществляется очень просто и поддерживается беспрепятственное прохождение логического сигнала (входной сигнал -> схема управления -> силовые транзисторы).

Концепция защиbы драйверов SCALE

В каждом Канале драйвера SCALE предусмотрено устройство мониторинга Vce, которое иначе называется коллекторным датчиком. Резистор Rth на рис. 4 используется для определения порога выключения.

Рис. 4. Принцип мониторинга Vce

В течение времени отклика между включением транзистора и его переходом в состояние насыщения устройство мониторинга Vce неактивно. При возникновении Vce или ошибки уровня напряжения срабатывает блокировка силового ключа, и драйвер становится невосприимчив к управляющим сигналам. Это выполняется автономно в каждом из каналов драйвера и без участия блока IGD 001. Блокировка срабатывает незамедлительно при достижении порога напряжения на резисторе Rth. При одновременном изменении управляющего сигнала на блок LDI 001 передается информация об ошибке для запоминания. После этого драйвер игнорируeт любой управляющий сигнал в течение интервала блокировки. При отсутствии изменений сигнала управления инфорация об ошибке продолжает сохраняться на LDI 001 после окончания блокировки и стирается коротким отрицательным импульсом на входе VL/Reset. Информация об ошибке стирается также автоматически при поступлении управляющего сигнала после интервала блокировки. Последний случай показан на рис. 5.

Рис. 5. Защита от короткого замыкания и холостого хода. Время блокировки

Режимы работы

Драйверы SCALE могут работать в одном из двух режимов: стандартном (direct mode) и полумостовом (half-bridge mode).

Стандартный режим

Рис. 6. Ассиметричный мост - пример включения в стандартном режиме

В стандартном режиме оба канала всегда управляются одновременно, как это показано для асимметричного полумоста на рис. 6. По этой причине входы InA и InB соединены вместе и запрограммированы на уровень 15 В. Вход VL/Reset подключен к шине VCC через сопротивление. Для выбора стандартного режима вход режима MOD также подключен к VCC. Выводы RC1 и RC2 в стандартном режиме обязательно подключены к шине GND. Для генерации интервала мертвого времени в стандартном режиме могут использоваться внешние регуляторы. Выходы статуса SO1 и SO2 работают раздельно, так что устройство контроля может определить, какой из каналов выдает ошибку. Временные диаграммы для данной схемы приведены на рис. 7.

Рис. 7. Временные диаграммы схемы на рис. 6

Режим полумоста с генерацией инbервала мертвnго времени

В режимe полумоста задействованы оба канала драйвера SCALE, и он формирует требуемый интервал мертвого времени от 100 мс до единиц мкс, который определяется постоянной времени подключаемых внешних RC-цепей. Оба силовых ключа выключаются при подаче на вход разрешения InB логического нуля. Пример схемы включения драйвера в режиме полумоста с генерацией интервала мертвого времени приведен на рис. 8. Поскольку силовая часть представляет собой типичную полумостовую схему инвертора напряжения, то IGBT транзисторы не могут переключаться одновременно. Для выбора режима полумоста вход MOD подключен к шине GND. Вход InA является входом ШИМ, а вход InB — входом разрешения. С помощью стабилитрона 4V7, подключенного ко входу VL/Reset, триггеры Шмидта на входах InA и InB программируются на уровни TTL. Два выхода статуса SO1 и SO2 соединены вместе для получения сигнала ошибки по обоим каналам одновременно. Ко входам RC1 и RC2 подключены RC-цепи 10 кОм/ 100 пФ, что позволяет получить интервал мертвого времени около 500 нс. Временные диаграммы для данной схемы приведены на рис. 9.

Рис. 8. Пример включения в режиме полумоста с генерацией интервала мертвого времени

Рис. 9. Временные диаграммы схемы на рис. 8

Фирмы Concept и eupec являются участниками программы стратегической кооперации, которая предполагает взаимную продажу продуктов и совместную разработку новых изделий. Фирма eupec является мировым лидером в производстве силовых компонентов и предлагает широкую гамму силовых IGBT-модулей с различной внутренней конфигурацией, диодные и тиристорные модули.

Изделия eupec используются в мощных приводах, источниках питания, на электротранспорте, в медицинской технике, в сварочном оборудовании, установках индукционного нагрева. С другими продуктами фирм Concept и eupec можно ознакомиться на сайтах www.igbt-driver.com и www.eupec.de, на наших Интернет-страницах или же в руководствах пользователя.

info@microcontroller.ru

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы