8. Справочные данные по элементной базе для импульсных преобразователей
8.1. Источники питания драйверов
В цепях управления транзисторов IGBT и MOSFET, как это было показано выше, необходимо устанавливать специальные микросхемы, драйверы, для потенциальной развязки системы управления и силовой схемы преобразователя и для формирования сигнала управления с требуемыми параметрами.
Питание микросхем драйверов обычно осуществляется от низковольтного изолированного источника питания постоянного тока [10]. В мостовой схеме преобразователя для драйвера верхнего ключа изолированный источник питания необходим, поскольку напряжение на его эмиттере постоянно изменяется, а для драйвера нижнего ключа изолированное питание требуется для того, чтобы свести к минимуму влияние наводок по шине «земля».
Напряжение изоляции источника питания драйвера должно быть как минимум в 2 раза выше номинального рабочего напряжения IGBT модуля (т. е. 2400 В для IGBT – модулей на 1200 В). Следует учитывать, что в системах с несколькими изолированными источниками питания паразитные емкости между ними должны быть минимальными для исключения суммирования шумов синфазного сигнала. Рекомендуемая конфигурация источников питания для гибридных микросхем драйверов IGBT – модулей показана на рис. 63.
Два источника питания необходимы для обеспечения положительного и отрицательного смещения IGBT. Рекомендуется использовать положительное питание +15 В (Ucc) для формирования смещения включения и -10 В (UEE) для формирования отрицательного смещения выключения. Погрешность для таких источников питания должна составлять ±10 %, тем не менее, другие значения возможны, если они указаны в документации драйвера. Электролитические или танталовые конденсаторы развязки должны быть подсоединены непосредственно к выводам питания микросхемы драйвера. Эти конденсаторы снабжают драйвер требуемыми импульсами тока для управления затвором IGBT. Величина емкости зависит от габаритов IGBT – модуля. Как правило, емкость 47 мкФ достаточна для большинства реальных схем преобразователей.
Рис. 63. Рекомендуемая конфигурация источников питания для гибридных микросхем драйверов
Ток потребления драйвера IGBT включает две составляющие. Первая составляющая — ток покоя, необходимый для формирования внутренних режимов драйвера. Его величина постоянна для фиксированных значений UСС и UEE. Вторая составляющая — это ток, необходимый для управления затвором IGBT. Этот ток прямо пропорционален рабочей частоте и общей емкости затвора IGBT – модуля.
При использовании малогабаритных IGBT – модулей и при низких рабочих частотах ток покоя будет доминирующей составляющей. Необходимый ток покоя драйверов M57957L и M57958L при UСС=15 В и UEE=–10 В определяется по формулам
Id = QG fPWM + 13 мA,
для драйверов M57959AL и M57962AL ток покоя
Id = QG fPWM +18 мA,
где Id – требуемый ток питания; QG – заряд затвора; fPWM – рабочая частота.
Однополярный режим питания
Ток потребления Id+ от положительного источника питания UСС почти равен току потребления Id- от отрицательного источника питания UEE. Мощность, потребляемая драйвером при открывании транзистора, больше, чем при закрывании, поэтому ток, протекающий по общему проводу IСОМ, незначителен. Во многих случаях желательно использовать один изолированный источник питания драйвера. Простой способ достижения этого — создание средней точки посредством резистора и стабилитрона. Для определения величины резистора необходимо знать ток IC0M. Для микросхем M57957L и M57958L достаточен ток в диапазоне 2,5 мА, для микросхем M57959AL и M57962AL — 3,5 мА.
На рис. 64 представлена схема питания с использованием стабилитрона для формирования тока 5 мА. Так организовано питание драйвера от одного изолированного источника +25 В. При использовании такой схемы питания для драйверов M57957L и M57958L на выводе 5 возникает напряжение смещения после задержки, вызванной резистором 2,7 кОм и конденсатором 47 мкФ. Такая задержка может вызвать всплеск напряжения на выходе драйвера.
Рис. 64. Схема питания микросхем драйверов M57957L и M57958L
Напряжение однополярного источника питания и стабилитрона может быть изменено, таким образом, можно использовать стандартный источник питания. Например, при использовании стандартного DC/DC преобразователя 24 В можно применить стабилитрон на напряжение 9 В, питание драйвера в такой схеме составит +15/-9 В, что допустимо практически для всех гибридных микросхем драйверов. При подобных корректировках следует помнить о двух ограничениях:
– напряжения должны быть в допустимых пределах, указанных в документации драйвера;
– напряжение включения должно быть в пределах +15 В ±10 % для обеспечения эксплуатационных характеристик IGBT– модулей.
Полная мощность рассеивания драйвера
Микросхема драйвера имеет максимально допустимую мощность рассеивания, которая зависит от температуры окружающей среды.
При напряжениях питания UСС = +15 В и UEE =–10 В мощность рассеяния может быть определена в соответствии с выражением
Pd=Id(UСС+UЕЕ).
Потребляемую мощность, рассчитанную в соответствии с приведенным выражением, можно сравнить с характеристиками ухудшения параметров, показанными на рис. 65, а и б для определения максимально допустимой температуры окружающей среды. Рассчитанная мощность включает и мощность, рассеиваемую на внешнем резисторе затвора IGBT– модуля RG, поэтому эта мощность может быть вычтена из полученного ранее значения. Однако величину этой мощности трудно оценить, поскольку она зависит от величины паразитной индуктивности, типа IGBT –модуля и скорости работы драйвера. В большинстве случаев величиной этих потерь можно пренебречь. Иными словами, точное следование приведенной формуле создает определенный запас по мощности. При работе на высоких частотах с мощными IGBT модулями ограничения по температуре окружающей среды могут быть достаточно принципиальными.