Драйвер представляет собой усилитель мощности и предназначается для непосредственного управления силовым ключом (иногда ключами) преобразователя. Он должен усилить управляющий сигнал по мощности и напряжению и, в случае необходимости, обеспечить его потенциальный сдвиг.
При выборе драйвера необходимо согласовать его выходные параметры с входными параметрами мощного ключа (транзистор MOSFET, IGBT).
1. МДП-транзисторы и IGBT – это приборы, управляемые напряжением, однако для увеличения входного напряжения до оптимального уровня (12-15 В) необходимо обеспечить в цепи затвора соответствующий заряд.
3. Для ограничения скорости нарастания тока и уменьшения динамических помех необходимо использовать последовательные сопротивления в цепи затвора.
Драйверы для управления сложными преобразовательными схемами содержат большое количество элементов, поэтому их выпускают в виде интегральных схем. Эти микросхемы, помимо усилителей мощности, содержат также цепи преобразования уровня, вспомогательную логику, цепи задержки для формирования «мёртвого» времени, а также ряд защит, например, – от перегрузки по току и короткого замыкания, снижения напряжения питания и ряд других. Многие фирмы выпускают многочисленный функциональный ряд: драйверы нижнего ключа мостовой схемы, драйверы верхнего ключа мостовой схемы, драйверы верхнего и нижнего ключей с независимым управлением каждого из них, полумостовые драйверы, которые часто имеют только один управляющий вход и могут использоваться для симметричного закона управления, драйверы для управления всеми транзисторами мостовой схемы.
Типовая схема включения драйвера верхнего и нижнего ключей фирмы International Rectifier IR2110 с бутстрепным принципом питания приведена на рис.3.1, а. Управление обоими ключами независимое. Отличие данного драйвера от других заключается в том, что в IR2110 введена дополнительная схема преобразования уровня как в нижнем, так и верхнем каналах, позволяющая разделить по уровню питание логики микросхемы от напряжения питания драйвера. Содержится также защита от пониженного напряжения питания драйвера и высоковольтного «плавающего» источника.
Конденсаторы С D , С С предназначены для подавления высокочастотных помех по цепям питания логики и драйвера соответственно. Высоковольтный плавающий источник образован конденсатором С1 и диодом VD1 (бутстрепный источник питания).
Подключение выходов драйвера к силовым транзисторам осуществляется при помощи затворных резисторов R G1 и R G2 .
Поскольку драйвер построен на полевых элементах и суммарная мощность, расходуемая на управление, незначительна, то в качестве источника питания выходного каскада может использован конденсатор С1, подзаряжаемый от источника питания U ПИТ через высокочастотный диод VD1. Конденсатор С1 и диод VD1 в совокупности образуют высоковольтный «плавающий» источник питания, предназначенный для управления верхним транзистором VT1 стойки моста. Когда нижний транзистор VT2 проводит ток, то исток верхнего транзистора VT1 подключается к общему проводу питания, диод VD1 открывается и конденсатор С1 заряжается до напряжения U C1 =U ПИТ – U VD1 . Наоборот, когда нижний транзистор переходит в закрытое состояние и начинает открываться верхний транзистор VT1 (рис 3.1), диод VD1 оказывается подпертым обратным напряжением силового источника питания. В результате этого выходной каскад драйвера начинает питаться исключительно разрядным током конденсатора С1. Таким образом, конденсатор С1 постоянно «гуляет» между общим проводом схемы и проводом силового источника питания (точка 1).
При использовании драйвера IR2110 с бутстрепным питанием особое внимание следует обратить на выбор элементов высоковольтного «плавающего» источника. Диод VD1 должен выдерживать большое обратное напряжение (в зависимости от силового источника питания схемы), допустимый прямой ток примерно 1 А, время восстановления t rr =10-100 нс, т.е быть быстродействующим. В литературе рекомендуется диод SF28 (600 В, 2 А, 35 нс), а также диоды UF 4004…UF 4007, UF 5404…UF 5408, HER 105… HER 108, HER 205…HER 208 и другие классы “ultra - fast” .
Схема драйвера выполнена таким образом, что высокому логическому уровню сигнала на любом входе HIN и LIN соответствует такой же уровень на его выходе HO и LO (см. рис. 3.1 б, драйвер синфазный). Появление высокого уровня логического сигнала на входе SD приводит к запиранию транзисторов стойки моста.
Данную микросхему целесообразно использовать для управления ключами инвертора с ШИМ–регулированием выходного напряжения. При этом необходимо помнить, что в СУ необходимо обязательно предусмотреть временные задержки («мертвое» время) с целью предотвращения сквозных токов при коммутации транзисторов стойки моста (VT1, VT2 и VT3,VT4, рис 1.1).
Емкость С1 – это бутстрепная емкость, минимальная величина которой может рассчитываться по формуле :
где Q 3 – величина заряда затвора мощного ключа (справочная величина);
I пит – ток потребления драйвера в статическом режиме (справочная величина, обычно I пит ≈ I G c т мощного ключа);
Q 1 – циклическое изменение заряда драйвера (для 500-600 - вольтных драйверов 5 нК);
V п – напряжение питания схемы драйвера;
– падение напряжения на бутстрепном диоде VD1;
Т – период коммутации мощных ключей.
Рис.3.1. Типовая схема включения драйвера IR2110 (а) и временные диаграммы его сигналов на входах и выходах (б)
V DD – питание логики микросхемы;
V SS – общая точка логической части драйвера;
HIN, LIN – логические входные сигналы, управляющие верхним и нижним транзисторами соответственно;
SD – логический вход отключения драйвера;
V CC – напряжение питания драйвера;
COM – отрицательный полюс источника питания V CC ;
HO, LO – выходные сигналы драйвера, управляющие верхним и нижним транзисторами соответственно;
V B –напряжение питания высоковольтного «плавающего» источника;
V S – общая точка отрицательного полюса высоковольтного «плавающего» источника.
Полученное значение бутстрепной емкости необходимо увеличить в 10-15 раз (обычно С в пределах 0,1-1 мкФ). Это должна быть высокочастотная емкость с малым током утечки (в идеале – танталовая).
Резисторы R G 1 , R G 2 определяют время включения мощных транзисторов, а диоды VD G 1 и VD G 2 , шунтируя эти резисторы, уменьшают время выключения до минимальных величин. Резисторы R 1 , R 2 имеют небольшую величину (до 0,5 Ом) и выравнивают разброс омических сопротивлений вдоль общей шины управления (обязательны, если мощный ключ – параллельное соединение менее мощных транзисторов).
При выборе драйвера для мощных транзисторов необходимо учитывать:
1. Закон управления мощными транзисторами:
Для симметричного закона подходят драйверы верхнего и нижнего ключа и драйверы полумостов;
Для несимметричного закона необходимы драйверы верхнего и нижнего ключа с независимым управлением каждого мощного ключа. Для несимметричного закона не подходят драйверы с трансформаторной гальванической развязкой.
2. Параметры мощного ключа (I к или I стока).
Обычно применяют приближенный подход:
I вых др max =2 А может управлять мощным VT с током до 50 А;
I вых др max =3 А – управлять мощным VT с током до 150 А (иначе время включения и выключения значительно возрастает и увеличиваются мощностные потери на переключение), т.е. высококачественный транзистор при ошибочном выборе драйвера теряет свои основные достоинства.
3. Учет дополнительных функций.
Фирмы выпускают драйверы с многочисленными сервисными функциями:
Различные защиты мощного ключа;
Защита от понижения напряжения питания драйвера;
С встроенными бутстрепными диодами;
С регулируемым и нерегулируемым временем задержки включения мощного VT по отношению к моменту выключения другого (борьба со сквозными токами в полумосте);
Со встроенной или отсутствующей гальванической развязкой. В последнем случае на входе драйвера необходимо подключить микросхему гальванической развязки (чаще всего – высокочастотная диодная оптопара);
Синфазные или противофазные;
Питание драйверов (бутстрепный вид питания или необходимы три гальванически развязанных источника питания).
При равноценности нескольких типов драйверов следует отдать предпочтение тем, которые коммутируют ток затвора мощных транзисторов с помощью биполярных VT. Если эту функцию выполняют полевые транзисторы, то могут быть отказы в работе драйвера при определенных обстоятельствах (перегрузках) за счет триггерного эффекта «защелкивания».
После выбора типа драйвера (и его данных) необходимы мероприятия по борьбе со сквозными токами в полумосте. Стандартный способ – выключение мощного ключа мгновенно, а включение запертого – с задержкой. Для этой цели применяют диоды VD G 1 и VD G 2 , которые при закрывании VT шунтируют затворные резисторы, и процесс выключения будет быстрее, чем отпирание.
Кроме шунтирования затворных резисторов R G 1 и R G 2 с помощью диодов (VD G 1 , VD G 2 , рис.3.1) для борьбы со сквозными токами в П-схеме мощного каскада фирмы выпускают интегральные драйверы, ассиметричные по выходному току включения VT I др вых m ах вкл и выключения I др вых m ах выкл (например I др вых m ах вкл =2А, I др вых m ах выкл =3А). Этим задаются ассиметричные выходные сопротивления микросхемы, которые включены последовательно с затворными резисторами R G 1 и R G 2 .
где все величины в формулах – справочные данные конкретного драйвера.
Для симметричного (по токам) драйвера справедливо равенство
.
В структуре MOSFET транзистора присутствует три ёмкости: ёмкость затвор-исток (входная ёмкость ), ёмкость исток-сток (выходная ), затвор-сток (проходная Для транзистора IGRT соответственно , , . При подаче напряжения на затвор величиной (15-20)В начинает по экспоненте заряжаться входная ёмкость и при напряжении 8-10В в транзисторе будет появляться ток . Этот промежуток времени приводится в виде параметра задержки включения (рис. 3.2) при определённом сопротивлении в цепи затвора
При появлении в структуре VT стокового тока входная ёмкость будет заряжаться по другой экспоненте, так как на этот процесс оказывает влияние выходная ёмкость , то в конечном итоге входная ёмкость накопит заряд Q (справочная величина). Выходной ток (уменьшение напряжения на электродах исток-сток) в основном будет зависеть от процессов в цепи , без существенного влияния тока затвора.
Время разряда ёмкости так же приводится в справочных параметрах VT в виде времени включения .
При выключении транзистора вначале будет разряжаться ёмкость до величины (), затем начнёт уменьшаться ток истока до 0 (). Таким образом, от величины резистора в цепи затвора будет зависеть задержка на включение и выключение VT, а с использованием драйвера общее сопротивление в цепи затвора будет иметь две составляющие: (при несиметричном драйвера и )- const и дополнительный затворный резистор, который можно менять для регулировок задержек. На рис 3.2 представлены выше перечисленные рассуждения в виде упрощённых графиков.
Рис. 3.2. Временные диаграммы: (а)- при включении VT; (б)- при выключении VT.
В справочных данных не приводятся параметры входных и выходных ёмкостей транзистора, но из математики известно, что начальный участок экспоненты (до 0.7 ) аппроксимируется прямой, угол наклона которой прямо пропорционален RC, что позволяет производить оценочные расчёты в виде пропорций.
Итак, для предотвращения возникновения сквозных токов необходимо подобрать суммарную величину сопротивлений в цепи затвора (
, и регулирует скорость заряда затворной емкости VT), чтобы обеспечить задержку включения транзистора больше или равным времени, затрачиваемое на закрывание VT (см рис. 3.2).
(3.1)
где – время спада тока стока (справочная величина);
– время запаздывания начала выключения VT по отношению к моменту подачи на затвор запирающего напряжения. При шунтирующих затворных диодах (VD G 1 , VD G 2 , рис.3.1) скорость разряда однозначно определяется сопротивлением 
. Поэтому для определения решают следующую пропорцию, (пологая, что будет шунтироваться диодом VD G)
МОП (по буржуйски MOSFET ) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.
Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.
Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной
, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.
Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.
МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.
 |
У меня самыми ходовыми МОП
транзисторами являются IRF630
(n канальный) и IRF9630
(p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92
этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314
, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.
Одной из проблем состыковки MOSFET
транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.
Тут вариантов три:
Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.
Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I Drain или I D выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это V GS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость I D от V DS при разных значениях V GS . И прикидыываешь какой у тебя будет режим.
Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:
Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или t on ,t off , в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора C iss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.
При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО . Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги:).
Включение IGBT производится подачей на затвор положительного напряжения (как правило, V G(on) = +15 B), типовое значение напряжения выключения находится в диапазоне V G(off) = -5…-15 В. При определенных величинах V G(on) /V G(off) динамические характеристики ключа могут быть заданы резисторами, установленными в цепи затвора и ограничивающими его ток I G (см. рис. 1, 2).
Рис. 1.
Рис. 2. А, Б — ограничение тока включения/выключения с помощью резисторов R G(on) , R G(off) , В — напряжение V GE и ток затвора I G
С помощью подбора номиналов R G(on) /R G(off) можно изменить время переключения, уровень динамических потерь и коммутационных перенапряжений, а также ряд других параметров, включая состав спектра электромагнитных помех. Таким образом, выбор импеданса цепи управления затвором — один из важнейших этапов проектирования, требующий самого пристального внимания.
Величины емкостей затвора зависят от напряжения «коллектор — эмиттер» V CE IGBT, поэтому они изменяются в процессе его коммутации. Соответствующие графики зависимости Cies, Coes, Cres от V CE приводятся в технических характеристиках силовых модулей. Импеданс цепи управления, ограничивающий пиковое значение тока затвора I G в моменты включения и выключения, определяет время перезаряда входных емкостей. На рисунке 2а и 2б показаны цепи протекания токов при использовании раздельных резисторов линий включения и выключения R G(on) /R G(off) , форма тока затвора I G при подаче импульса управления V GE приведена на рисунке 2в.
При уменьшении значений R G(on) /R G(off) снижается постоянная времени цепи перезаряда, соответственно уменьшается время переключения t R /t F и уровень динамических потерь E SW . Несмотря на положительный эффект от снижения рассеиваемой мощности, увеличение скорости спада тока ведет к опасному росту уровня коммутационных перенапряжений V stray , вызванных наличием распределенной индуктивности L S силовых шин звена постоянного тока: V stray = L S × di/dt.
Наглядное представление о данном эффекте дают эпюры, приведенные на рисунке 3.
Рис. 3. Рост коммутационного перенапряжения V stray при увеличении di/dt
Затемненная область графиков, являющаяся произведением тока коллектора I C на напряжение V CE в течение времени выключения, представляет собой энергию потерь E off .
При неудачной конструкции DC-шины и большом значении L S всплеск напряжения V stray способен вывести силовой ключ из строя. Особенно опасным процесс становится в режиме отключения IGBT при коротком замыкании (КЗ), когда величина di/dt максимальна. Уровень V stray может быть снижен за счет выбора большего номинала резистора R Goff (15 Ом вместо 10 Ом, как показано на рисунке). Именно поэтому в некоторых драйверах IGBT (например, SKYPER 32PRO) реализован режим плавного отключения SSD (Soft Shut Down), при котором запирание IGBT осуществляется через отдельный резистор R G(off) большого номинала. Естественной платой за это является увеличение энергии потерь, поэтому при использовании современных типов IGBT и корректной топологии DC-шины применение режима SSD не рекомендуется.
Следует также отметить, что увеличение скоростей переключения, приводящее к росту di/dt и dv/dt, повышает и уровень излучаемых преобразователем электромагнитных помех (EMI). В таб-лице 1 показано, как изменение величины резистора затвора влияет на основные динамические характеристики IGBT.
Таблица 1. Влияние резистора затвора на динамические свойства IGBT
| Динамические характеристики | RG- | RG¯ |
|---|---|---|
| Время включения, t on | ← | ↓ |
| Время выключения, t off | ← | ↓ |
| Энергия включения, Е on | ← | ↓ |
| Энергия выключения, Е off | ← | ↓ |
| Пиковый ток включения (IGBT) | ↓ | ← |
| Пиковый ток выключения (диод) | ↓ | ← |
| Скорость изменения напряжения, dv/dt | ↓ | ← |
| Скорость изменения тока, di/dt | ↓ | ← |
| Уровень перенапряжения при коммутации, V stray | ↓ | ← |
| Уровень электромагнитных помех (EMI) | ↓ | ← |
Недавно компания SEMIKRON выпустила на рынок четвертое поколение модулей на базе кристаллов IGBT Trench 4 и быстрых диодов CAL 4 . Одним из основных достоинств новых модулей является пониженная почти на 30% скорость изменения тока di/dt при меньшем (примерно на 20%) значении энергии потерь. Благодаря этому применение новых ключей позволяет не только повысить эффективность преобразования, но и улучшить электромагнитную совместимость и снизить риск пробоя в аварийных ситуациях.
Динамические характеристики оппозитного диода IGBT также зависят от номинала резистора затвора и во многом определяют его минимальное значение. Скорость включения транзистора не должна превышать скорости обратного восстановления диода: снижение величины R G и соответствующее увеличение diC/dt приводит не только к росту уровня перенапряжения при запирании IGBT, но и создает динамический стресс для диода.
В своих модулях компания SEMIKRON использует быстрые диоды, производимые по собственной технологии CAL (Controlled Axial Lifetime), позволяющей изменять время жизни носителей. Их основным отличием является плавная характеристика обратного восстановления dirr/dt и оптимально согласованные с IGBT динамические характеристики. Это способствует снижению уровня динамических потерь и EMI, а также уменьшению величины перенапряжений при выключении.
Выбор резистора затвора
Как правило, выходной каскад драйверов строится по двутактной схеме с разделенным выходом, как показано на рисунке 1. Входы обоих MOSFET-транзисторов управляются одним логическим сигналом: когда он имеет высокий уровень, открывается N-канальный ключ, при низком уровне — Р-канальный. Использование разделенного выхода позволяет формировать асимметричное напряжение управления V GE и подбирать номиналы резисторов R G независимо для режимов включения и выключения.
Оптимизация цепи управления затвором подразумевает выбор номиналов R G(on) /R G(off) (при заданном значении V GE), обеспечивающий минимальный уровень динамических потерь, отсутствие опасных осцилляций при переключении, малый ток обратного восстановления оппозитного диода и низкий уровень коммутационных перенапряжений. Поиск оптимума затруднен тем, что часть указанных параметров находится в противоречии друг с другом (см. таблицу 1).
Как правило, для управления более мощным IGBT требуется меньший резистор затвора и наоборот. При этом значение R G , указанное в качестве референсного (R Gref) в технических характеристиках, не всегда обеспечивает наилучший баланс указанных выше свойств. Оптимальная величина резистора для большинства конкретных применений находится в диапазоне R Gref …2 × R Gref . Как правило, величина R Gref является и минимально рекомендуемой, обеспечивающей безопасное отключение предельно допустимого импульсного тока IGBT (ICM). Напомним, что область безопасной работы (ОБР или SOA) нормируется для ICM или двойного номинального тока коллектора ICM = 2 × I C .
В большинстве практических схем именно сопротивление 2 × R Gref обеспечивает необходимый баланс и с него начинается процесс оптимизации динамических характеристик. Уменьшение номинала резистора затвора возможно только до тех пор, пока растущая скорость коммутации тока di/dt не вызывает появления опасных перенапряжений. Следует также помнить о том, что снижение импеданса цепи управления затвором приводит к повышению токовой нагрузки на драйвер и увеличению рассеиваемой им мощности.
Правильность выбора R G при проектировании должна подтверждаться испытаниями готовой конструкции, включающими анализ тепловых режимов и измерение величины V stray при всех условиях эксплуатации вплоть до короткого замыкания. Именно такая методика используется дизайнерским центром SEMIKRON во Франции, разработавшим за 35 лет более 12000 проектов различных устройств, мощностью от десятков кВт до единиц МВт.
При выборе сопротивления затвора следует учитывать, что во время протекания токов заряда/разряда на нем может рассеиваться большая мощность. Рекомендуется выбирать резисторы, имеющие низкий температурный коэффициент ТКС и разброс номиналов, не превышающий 1%. В большинстве случаев хорошим решением является использование параллельного соединения некоторого количества сопротивлений в smd- исполнении (MELF, MINI-MELF). При этом обеспечивается высокая стойкость к импульсным перегрузкам, хорошее распределение тепла и нечувствительность схемы к отказу одного из сопротивлений.
Ошибка в выборе R G может привести к крайне нежелательным последствиям, при этом необходимо анализировать влияние цепи управления затвором на все режимы работы преобразователя. Например, увеличение номинала R G , позволяющее снизить уровень коммутационных выбросов, неизбежно приведет к росту динамических потерь и перегреву силового ключа. Возможным следствием использования неоправданно большого резистора затвора может быть переход IGBT в линейный режим и появление осцилляций в затворной цепи. В свою очередь, как уже было отмечено, результатом применения слишком малого R G является рост всплесков напряжения при переключении и повышение уровня EMI.
Разработчик должен отдавать себе отчет в том, что оптимизация цепи управления затвором не может компенсировать негативные последствия, вызванные неудачной конструкций DC-шины, не обеспечивающей низкое значение распределенной индуктивности L S . В этом случае уровень коммутационных перенапряжений может быть опасным даже в номинальных режимах эксплуатации, поэтому минимизация величины L S является первой и главной задачей разработки звена постоянного тока. Только в случае решения данной проблемы можно думать об оптимизации R G и целесообразности применении режима плавного отключения SSD.
В настоящее время в качестве силовых ключей большой и средней мощности применяются в основном MOSFET и IGBT транзисторы. Если рассматривать эти транзисторы как нагрузку для схемы их управления, то они представляют собой конденсаторы с ёмкостью в тысячи пикофарад. Для открытия транзистора, эту ёмкость необходимо зарядить, а при закрывании – разрядить, и как можно быстрее. Сделать это нужно не только для того, чтобы ваш транзистор успевал работать на высоких частотах. Чем выше напряжение на затворе транзистора, тем меньше сопротивления канала у MOSFET или меньше напряжение насыщения коллектор-эмиттер у IGBT транзисторов. Пороговое значение напряжения открытия транзисторов обычно составляет 2 – 4 вольта, а максимальное при котором транзистор полностью открыт 10-15 вольт. Поэтому следует подавать напряжение 10-15 вольт. Но даже в таком случае ёмкость затвора заряжается не сразу и какое-то время транзистор работает на нелинейном участке своей характеристики с большим сопротивлением канала, что приводит к большому падению напряжения на транзисторе и его чрезмерному нагреву. Это так называемое проявление эффекта Миллера.
Для того чтобы ёмкость затвора быстро зарядилась и транзистор открылся, необходимо чтобы ваша схема управления могла обеспечить как можно больший ток заряда транзистора. Ёмкость затвора транзистора можно узнать из паспортных данных на изделие и при расчете следует принять Свх = Сiss.
Для примера возьмём MOSFET – транзистор IRF740. Он обладает следующими интересующими нас характеристиками:
Время открытия (Rise Time — Tr) = 27 (нс)
Время закрытия (Fall Time — Tf) = 24 (нс)
Входная ёмкость (Input Capacitance — Сiss) = 1400 (пФ)
Максимальный ток открытия транзистора рассчитаем как:
Максимальный ток закрытия транзистора определим по тому же принципу:
Так как, обычно мы используем для питания схемы управления 12 вольт, то токоограничивающий резистор определим используя закон Ома.
То есть, резистор Rg=20 Ом, согласно стандартному ряду Е24.
Заметьте, что управлять таким транзистором напрямую от контроллера не получится, введу того, что максимальное напряжение, которое может обеспечить контроллер, будет в пределах 5 вольт, а максимальный ток в пределах 50 мА. Выход контроллера будет перегружен, а на транзисторе будет проявляться эффект Миллера, и ваша схема очень быстро выйдет из строя, так как кто-то, или контроллер, или транзистор, перегреются раньше.
Поэтому необходимо правильно подобрать драйвер.
Драйвер представляет собой усилитель мощности импульсов и предназначен для управления силовыми ключами. Драйверы бывают верхнего и нижнего ключей в отдельности, либо объединенные в один корпус в драйвер верхнего и нижнего ключа, например, такие как IR2110 или IR2113.
Исходя из информации изложенной выше, нам необходимо подобрать драйвер, способный поддерживать ток затвора транзистора Ig = 622 мА.
Таким образом, нам подойдёт драйвер IR2011 способный поддерживать ток затвора Ig = 1000 мА.
Так же необходимо учесть максимальное напряжение нагрузки, которое будут коммутировать ключи. В данном случае оно равно 200 вольт.
Следующим, очень важным параметром является скорость запирания. Это позволяет устранить протекание сквозных токов в двухтактных схемах, изображенной на рисунке ниже, вызывающие потери и перегрев.
Если вы внимательно читали начало статьи, то по паспортным данным транзистора видно, что время закрытия должно быть меньше времени открытия и соответственно ток запирания выше тока открытия If>Ir. Обеспечить больший ток закрытия, можно уменьшив сопротивление Rg, но тогда также увеличится и ток открытия, это повлияет на величину коммутационного всплеска напряжения при выключении, зависящего от скорости спада тока di/dt. С этой точки зрения повышение скорости коммутации является в большей степени негативным фактором, снижающим надежность работы устройства.
В таком случае воспользуемся замечательным свойством полупроводников, пропускать ток в одном направлении, и установим в цепи затвора диод, который будет пропускать ток запирания транзистора If.
Таким образом, отпирающий ток Ir будет протекать через резистор R1, а запирающий ток If — через диод VD1, а так как сопротивление p – n перехода диода намного меньше, чем сопротивление резистора R1, то и If>Ir. Для того чтобы ток запирания не превышал своего значения, последовательно с диодом включим резистор, сопротивление которого определим пренебрегая сопротивлением диода в открытом состоянии.
Возьмем ближайший меньший из стандартного ряда Е24 R2=16 Ом.
Теперь рассмотрим, что же обозначает название драйвера верхнего и драйвера нижнего ключа.
Известно, что MOSFET и IGBT транзисторы управляются напряжением, а именно напряжением заствор-исток (Gate-Source) Ugs.
Что же такое верхний и нижний ключ? На рисунке ниже приведена схема полумоста. Данная схема содержит верхний и нижний ключи, VT1 и VT2 соответственно. Верхний ключ VT1 подключен стоком к плюсу питания Vcc, а истоком к нагрузке и должен открываться напряжением приложенным относительно истока. Нижний же ключ, стоком подключается к нагрузке, а истоком к минусу питания (земле), и должен открываться напряжением, приложенным относительно земли.
И если с нижним ключом все предельно ясно, подал на него 12 вольт – он открылся, подал на него 0 вольт — он закрылся, то для верхнего ключа нужна специальная схема, которая будет открывать его относительно напряжения на истоке транзистора. Такая схема уже реализована внутри драйвера. Все что нам нужно, это добавить к драйверу бустрептную ёмкость С2, которая будет заряжаться напряжением питания драйвера, но относительно истока транзистора, как это изображено на рисунке ниже. Именно этим напряжением и будет отпираться верхний ключ.
Данная схема вполне работоспособна, но использование бустрептной ёмкости позволяет ей работать в узких диапазонах. Эта ёмкость заряжается, когда открыт нижний транзистор и не может быть слишком большой, если схема должна работать на высоких частотах, и так же не может быть слишком маленькой при работе на низких частотах. То есть при таком исполнении мы не можем держать верхний ключ бесконечно открытым, он закроется сразу после того как разрядится конденсатор С2, если же использовать ёмкость побольше, то она может не успеть перезарядится к следующему периоду работы транзистора.
Мы не раз сталкивались с данной проблемой и очень часто приходилось экспериментировать с подбором бустрептной ёмкости при изменении частоты коммутации или алгоритма работы схемы. Проблему решили со временем и очень просто, самым надежным и «почти» дешевым способом. Изучая Technical Reference к DMC1500, нас заинтересовало назначение разъёма Р8.
Почитав внимательно мануал и хорошо разобравшись в схеме всего привода, оказалось, что это разъём для подключения отдельного, гальванически развязанного питания. Минус источника питания мы подключаем к истоку верхнего ключа, а плюс ко входу драйвера Vb и плюсовой ножке бустрептной ёмкости. Таким образом, конденсатор постоянно заряжается, за счет чего появляется возможность держать верхний ключ открытым на столько долго, на сколько это необходимо, не зависимо от состояния нижнего ключа. Данное дополнение схемы позволяетреализовать любой алгоритм коммутации ключей.
В качестве источника питания для заряда бустрептной ёмкости можно использовать как обычный трансформатор с выпрямителем и фильтром, так и DC-DC конвертер.
Опубліковано 15.05.2014
Проектирование силовой части обычно начинают с выбора ключей. Наиболее подходящие для этого полевые MOSFET транзисторы. Выбор силовых транзисторов делается на основании данных о максимальном возможный ток и напряжение питающей сети двигателя.
Выбор силовых транзисторов
Транзисторы должны выдерживать рабочей ток с некоторым запасом. Поэтому выбирают полевые транзисторы с рабочим током в 1.2-2 раза больше максимального тока двигателя. В характеристиках полевых транзисторов может быть указано несколько значений тока для различных режимов. Иногда указывают ток, который может выдерживать кристалл Id (Silicon Limited) (он больше) и ток, ограниченный возможностями корпуса транзистора Id (Package Limited) (он меньше). например:
Кроме того, фигурирует ток для импульсного режима (Pulsed Drain Current ), который, значительно больше (в несколько раз), чем максимально возможный постоянный ток.
Надо выбирать транзисторы по постоянному току, и не обращать внимание на параметры, указанные для импульсного режима. При выборе транзистора учитывается только значение постоянного тока. В данном случае – 195А.
Если невозможно подобрать транзистор нужным рабочим током, несколько транзисторов включают параллельно.
При этом обязательно следует применять указанные на схеме резисторы. Их номинал – единицы Ом, но благодаря им соединены параллельно транзисторы открываются одновременно. Если эти резисторы не ставить, может возникнуть ситуация, когда один из транзисторов открывается, а остальные – еще нет. За это короткое время вся мощность сваливается на один транзистор и выводит его из строя. Об определении номинала этих резисторов говорится ниже. Два транзистора, включенных параллельно, выдерживают вдвое больший ток. 3 – в 3 раза больше. Но не следует злоупотреблять этим и строить ключи из большого количества мелких транзисторов.
Выбор полевых транзисторов по напряжению также выполняется с запасом как минимум в 1.3 раза. Это делается для того, чтобы избежать выхода из строя транзисторов из за скачков напряжения во время коммутаций.
Кроме указанных выше параметров, следует поинтересоваться максимальной температурой работы транзистора и будет ли он выдерживать необходимый ток при этой температуре. Одна из важнейших характеристик – это сопротивление открытого транзистора. Его значения могут достигать нескольких миллиом. На первый взгляд – очень мало, но при больших токах на нем будут выделяться значительные объемы тепла, которое придется отводить. Мощность, которая будет греть транзистор в открытом состоянии, рассчитывается по формуле:
P=Rds*Id^2
Где:
Rds
– сопротивление открытого транзистора;
Ids
– ток, который протекает через транзистор.
Отже, якщо транзистор irfp4468pbf має опір 2.6 мOм, то під час пропускання струму 195 А на ньому буде виділятися 98.865 Ватт тепла. У випадку мостової трьохфазної схеми у кожний момент часу відкриті тільки два ключі. Тобто, на двох відкритих транзисторах буде виділятися однакова кількість тепла (по 98.865 Вт, загалом – 197.73 Вт). Але вони працюють не весь час, а по черзі – парами, тобто кожна пара ключів працює 1/3 часу. Отже правильно сказати, що загалом на всіх ключах буде виділятися 197.73 Вт тепла, а на кожному з ключів (98.865 / 3 = 32.955 Вт). Слід забезпечити відповідне охолоджування транзисторів.
Итак, если транзистор irfp4468pbf имеет сопротивление 2.6 мOм, то при токе 195 А на нем будет выделяться 98.865 Ватт тепла. В случае мостовой трехфазной схемы в каждый момент времени открыты только два ключа. То есть, на двух открытых транзисторах будет выделяться одинаковое количество тепла (по 98.865 Вт, в общем – 197.73 Вт). Но они работают не все время, а по очереди – парами, то есть каждая пара ключей работает 1/3 времени. Так что правильно сказать, что в целом на всех ключах будет выделяться 197.73 Вт тепла, а на каждом из ключей (98.865 / 3 = 32.955 Вт). Следует обеспечить соответствующее охлаждение транзисторов.
Но есть одно “но”
Мы примерно подсчитали те тепловые потери, которые происходят за период, когда ключи полностью открыты. Однако не надо забывать, что для ключей присущи такие явления, как переходные процессы. Именно в момент переключения, когда сопротивление ключа изменяется от практически нулевого до почти бесконечности и наоборот, происходит наибольшее тепловыделение, которое значительно больше тех потерь, которые происходят при открытых ключах.
Уявімо, що ми маємо загрузку 0.55 Ом. Напруга живлячої мережі 100В. При повністю відкритих ключах отримаємо струм 100/0.55 = 181 А. Транзистор закривається і в деякий момент його опір сягає 1 Ом. У цей час через нього тече струм 100/(1+0,55)=64.5А Пам’ятаєте формулу, за якою обчислюється теплова потужність? Виходить, що в цей, дуже короткий, час теплові втрати на транзисторі (1+0.55)*(64.5^2) = 6448 Вт. Що значно більше ніж при відкритому ключі. Коли опір транзистора зросте до 100 Ом втрати будуть 99.45 Вт. Коли опір транзистора зросте до 1 КОм втрати будуть 9.98 Вт. Коли опір транзистора зросте до 10 КОм втрати будуть 0.99 Вт.
Представим, что мы имеем нагрузку 0.55 Ом. Напряжение питающей сети 100В. При полностью открытых ключах получим ток 100 / 0.55 = 181 А. Транзистор закрывается и в некоторый момент его сопротивление достигает 1 Ом. В это время через него течет ток 100 / (1 + 0,55) = 64.5А. Помните формулу, по которой вычисляется тепловая мощность? Получается, что в этот очень короткий момент тепловые потери на транзисторе (1 + 0.55) * (64.5 ^ 2) = 6448 Вт. Что значительно больше чем при открытом ключе. Когда сопротивление транзистора возрастет до 100 Ом потери будут 99.45 Вт. Когда сопротивление транзистора возрастет до 1 кОм потери будут 9.98 Вт. Когда сопротивление транзистора возрастет до 10 кОм потери будут 0.99 Вт.
Если вы создадите очень мощную систему охлаждения, а в транзисторе будет образовываться больше тепла чем он физически сможет отвести от себя (смотри: Maximum Power Dissipation ), он сгорит.
Итак, не трудно понять, чем быстрее будут переключаться ключи, тем меньше тепловые потери, и тем меньше будет температура ключей.
На скорость переключения ключей влияет: емкость затвора полевого транзистора, номинал резистора в цепи затвора, мощность драйвера ключей. От правильного выбора этих элементов зависит насколько эффективно будут работать ключи.
Иногда люди считают, что можно увеличить мощность регулятора лишь изменив ключи на более мощные. Это не совсем так. Более мощные транзисторы имеют большую емкость затвора, а это увеличивает время открывания транзистора, что влияет на их температурный режим. Такое редко случается, но у меня был случай, когда простая замена транзисторов на более мощные увеличила их температуру из за того, что время их переключения выросло. Итак, более мощные транзисторы требуют более мощных драйверов.
Драйверы MOSFET ключей
Что такое драйвер ключей и зачем он нужен? Зачем вообще нужны драйверы? Можно включать полевые транзисторы как показано на схеме:
Да, в этом случае в качестве драйверов выступают биполярные транзисторы. Это также допустимо. Есть также схемы, где в качестве верхних ключей используются транзисторы с P-каналом, в качестве нижних – с N-каналом. То есть, используется два типа транзисторов, что не всегда удобно. К тому же P-канальные транзисторы большой мощности почти невозможно найти. Обычно использование такое сочетание транзисторов с различными каналами применяют в маломощных контроллерах для упрощения схемы.
Использовать однотипные транзисторы, обычно только N-канальные, значительно удобнее, однако это требует соблюдения некоторых требований по управления верхними транзисторами моста. Напряжение на затвор транзисторов надо подавать относительно их истоков (Source). В случае нижнего ключа вопросов не возникает, его виток (Source) присоединен к земле и мы можем спокойно подавать напряжение на затвор нижнего транзистора относительно земли. В случае верхнего транзистора все несколько сложнее, поскольку напряжение на его истоке (Source) изменяется относительно земли.
Объясню. Представим, что верхний транзистор открыт, через него протекает ток. В таком состоянии на транзисторе падает достаточно малое напряжение и можно сказать, что напряжение на истоке Source верхнего транзистора практически равно напряжению питания двигателя. Кстати, чтобы удерживать верхний транзистор открытым, нужно подать на его затвор напряжение, выше напряжение на его истоке (Source), то есть – выше напряжение питания двигателя.
Если верхний транзистор закрыт, а нижний открыт, то на истоке (Source) верхнего транзистора напряжение достигает практически нулю.
Драйвер верхнего ключа обеспечивает подачу на затвор полевого транзистора необходимое напряжение относительно его истоков (Source), и обеспечивает генерацию напряжения, большей по напряжение питания двигателя для управления транзистором. Этим, и не только этим, занимаются драйверы MOSFET ключей.
Выбор драйвера и их многообразие
Многообразие драйверов достаточно велико. Нас интересуют драйверы, которые имеют два входа для верхнего и нижнего ключей (драйверы верхнего и нижнего ключей). Например: IR2101, IR2010, IR2106, IR21064, IR2181, IR2110, IR2113 и др. Надо обратить внимание на параметр Vgs ваших транзисторов. Большинство драйверов рассчитаны для Vgs=20В . Если Vgs транзисторов меньше выходное напряжение драйверов, например Vgs транзистора = 5В, то драйверы с выходным напряжением 20В выведут такие транзисторы из строя.
Большинство драйверов питаются напряжением 10-20В и поддерживают входные сигналы различных уровней -3.3В, 5В, 15В.
Существуют драйверы для трехфазных мостовых схем, например:
IR3230, IRS2334, IRS2334, IR21363, IR21364, IR21365, IR21368, IRS2336, IRS23364D, IRS2336D, IRS26310DJ, IR2130, IR2131, IR2132, IR2133, IR2135, IR2136, IRS2330, IRS2330D, IRS2332, IRS2332D, IR2233, IR2235, IR2238Q, IRS26302DJ
.
Такие драйверы ключей могут стать самым подходящим вариантом. К тому же в некоторых трехфазных драйверах есть дополнительная возможность для обеспечения защиты ключей от слишком большого тока и т.п. Довольно интересная серия драйверов IRS233x (D)
. Она обеспечивает широкий спектр защит, в том числе защиту от негативных скачков напряжения, защита от короткого замыкания, от перегрузки, защита от снижения напряжения в шине, от снижения напряжения питания, защита от перекрестного включения.
Один из важнейших показателей драйверов – это максимальный выходной ток. Обычно от 200мА до 4000мА. Может показаться что 4 Ампера – это слишком. Но все решает калькулятор. Как отмечалось выше скорость переключения ключей – очень важная вещь. Чем мощнее драйвер, тем меньше времени тратится на переключение ключей. Примерно рассчитать время переключения ключей можно по формуле:
ton = Qg*(Rh+R+Rg)/U
Где:
Qg
– полный заряд затвора полевого транзистора;
Rh
– внутреннее сопротивление драйвера. Рассчитывается как U/Imax, где U – напряжение питания драйвера, Imax – максимальной выходной ток. Обратите внимание, что максимальной выходной ток может быть различным для верхнего и нижнего транзистора;
R
– сопротивление резистора в цепи затвора;
Rg
– внутреннее сопротивление затвора транзистор;
U
– напряжение питания драйвера.
Например, если мы используем транзистор irfp4468pbf и драйвер IR2101 с максимальным током 200мА. А в цепи затвора резистор 20 Ом, тогда время переключения транзистора:
540*(12/0.2 + 20 + 0.8)/12 = 3636 нС
Заменив драйвер на IR2010 , с максимальным током – 3А, и резистором в цепи затвора – 2ом, получим такое время переключения:
540*(12/3+2+0.8)/12 = 306 нС
То есть, с новым драйвером время переключения сократился более чем в 10 раз. Так что и тепловые потери на транзисторах значительно уменьшатся.
Расчет резисторов в цепи затвора
Я выработал для себя такое правило: сопротивление резистора в цепи затвора полевого транзистора должен быть не менее, чем внутреннее сопротивление драйвера, разделен на 3 Например, драйвер IR2101 питается напряжением 12В, максимальный ток – 0,25А. Его внутреннее сопротивление: 12В / 0,25 = 48Ом. В данном случае резистор в цепи затвора полевого транзистора должно быть больше, чем 48/3 = 16 Ом . Если время переключения транзисторов с выбранными резисторами не устраивает, следует выбрать более мощный драйвер.
Я не могу назвать эту методику идеальной, но она проверена практикой. Если кто сможет прояснить этот момент – буду благодарен.
Иногда к цепи затвора транзистора добавляют диода с резистором или без.
Поскольку во многих случаях силовые транзисторы работают с индуктивной нагрузкой, должны использоваться защитные диоды. Если их не будет, то при выключении транзистора вследствие переходных процессов на индуктивностях (обмотках двигателя) возникнет перенапряжение, что во многих случаях пробивает транзистор и выводит его из строя.
Во многих силовых транзисторах уже есть внутренние защитные диоды и нет необходимости использовать внешние диоды. Но не забудьте это проверить в документации на транзистора.
Dead-Time
Изменение состояния силовых ключей в регуляторе трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется в следующей последовательности:
- выключаем ключ, который надо выключить;
- ждем некоторое время (Dead-Time) пока закроется транзистор (примерное время переключения транзистора мы рассчитывали ранее), и закончатся переходные процессы, связанные с коммутацией;
- включаем ключ, который надо включить.
Все драйверы верхнего и нижнего ключей имеют задержку между выходными сигналами чтобы не допустить одновременного открытия обоих транзисторов (смотри: ). Но эта задержка слишком мала. Некоторые драйверы верхнего и нижнего ключей имеют реальный Dead-Time . Но в нашем случае, это абсолютно никак не поможет, потому что если вспомнить как переключаются ключи (смотри: ), то мы увидим, что никогда не бывает такой ситуации, когда ключи одного плеча меняются состояниями. Итак, управлять Dead-Time должен микроконтроллер. Исключение может быть только в случае, когда вы используете специальной трехфазный драйвер, который управляет всеми шестью ключами и имеет реальный Dead-Time .
Датчики тока
Традиционно в качестве датчика тока используют шунт. Зная его сопротивление, измеряют на нем напряжение и вычисляют ток. Но для мощных систем использование шунта не всегда технически оправдано из за слишком больших тепловых потерь на нем. Датчики тока на эффекте Холла имеют практически нулевое сопротивление, поэтому они не греются. К тому же, как правило, питания и уровень выходного сигнала таких датчиков находятся в диапазоне 5В, что очень удобно для реализации регулятора на микроконтроллерах. В настоящее время довольно популярны датчики тока компании Allegro MicroSystems , например серии ACS71X , ACS75X .
Кроме обычного измерения уровня тока микроконтроллером, разумно создать схему аппаратной защиты от превышения критического уровня тока. Для измерения уровня тока микроконтроллер тратит некоторое время. Кроме того, ток измеряют периодически через некоторое время. Такие задержки, а также возможные программные ошибки могут создать ситуацию, когда критический ток успевает вывести из строя устройство еще до того, как придет момент следующего измерения. Схема должна отключать силовые ключи когда ток превышает критическое значение, независимо от работы микроконтроллера. Для реализации такой схемы обычно используют компаратор, на вход которого подают сигнал с датчика тока и опорный сигнал. При превышении допустимого тока компаратор срабатывает. Выход компаратора используют как дискретный сигнал в логических схемах, аварийно отключают ключи. Такая реализация имеет наименьшую задержку.
