6.4. Драйвер марки «Электрум»
Драйвер марки «Электрум» являются полностью законченным функциональным устройством, рис. 6.12. Он содержит все необходимые элементы управления затвором или стоком мощного транзистора, обеспечивающие необходимые уровни согласования токовых и потенциальных сигналов, длительности фронтов и задержек, необходимые уровни защиты транзисторов при опасных уровнях напряжения насыщения (токовая перегрузка, к.з), при недостаточном напряжении на затворе. Применение DC/DC-преобразователей и транзисторных выходных каскадов создают необходимые мощности для переключения силовых транзисторов любой мощности с достаточной скоростью, что обеспечивает минимальные потери коммутации. Элементы драйвера имеют достаточные уровни гальванической изоляции, позволяющие их использование в высоковольтных системах. Драйвер может управлять транзистором с «Кельвиновским выходом» или транзистором, в цепи коллектора которого имеется токоизмерительный резистор (нихромовый или манганиновый резистор сопротивлением от 0,1 до нескольких мОм на керамическом основании). Драйвер формирует необходимые статусные сигналы Ст, характеризующие режимы работы транзистора, наличие напряжения питания. Драйвер обеспечивает управление затвором транзистора с регулируемым значением за рядного и разрядного токов, контроль напряжений и защиту затвора транзистора при недостаточном или избыточном напряжении на них, контроль напряжения насыщения силового транзистора, аварийное плавное отключение нагрузки. Драйвер в случае аварийных ситуаций формирует выходной сигнал с оптронной развязкой. Драйвер позволяет управлять силовым транзистором с частотой не менее 100 кГц. Наличие регулируемой длительности задержки в переключении силовых транзисторов верхнего и нижнего схемы полумоста преобразователя обеспечивает отсутствие сквозных токов в нем. Рассмотрим функционирование драйвера и назначение его выводов. Драйвер позволяет иметь на выходе напряжение от +18В до –5В в зависимости от управляющего сигнала, что дает возможность управления IGBT-модулями любой мощности. Благодаря большой устойчивости к помехам, достигнутой использованием отрицательного напряжения, несколько полевых или IGBT-модулей могут соединяться параллельно, не опасаясь паразитного действия переключений и колебаний. Драйвер формирует необходимые статусные сигналы Ст,
Драйвер для каждого из двух каналов содержит:
– входную схему, обеспечивающую согласование уровней сигналов и защитную задержку переключения;
– электрическую изоляцию между входной схемой и силовой (выходной) частью;
– схему управления затвором транзистора;
– схему контроля напряжения на открытом транзисторе;
– схему контроля уровня напряжения питания силовой части драйвера;
– усилитель мощности;
– защиту от выбросов напряжения в выходной части драйвера;
– электрически изолированный источник напряжения (конвертер DC/DC).
Оба канала драйвера работают друг независимо от друга. Благодаря электрической изоляции, осуществляемой с помощью трансформаторов и оптронов, (подвергаемых испытательному напряжению 2650В переменного напряжения частотой 50Гц в течении 1 мин) между входной схемой и силовой частью, а также высокой скорости нарастания напряжения (30 000 В/мкс), модули драйверов могут применятся в схемах с большими потенциальными напряжениями и большими потенциальными перепадами, происходящими между силовой частью и схемой контроля (управления). Аварийное состояние транзистора определяется напряжением коллектора силового транзистора в открытом состоянии. Если порог, определенный пользователем, превышен, то силовой транзистор выключается и остается заблокированным до окончаний активного уровня сигнала на управляющем входе. После этого он может быть снова включен подачей активного уровня на управляющий вход. Электрическая изоляция между входной и выходной частью драйвера осуществляется с помощью оптронов. Благодаря их применению исключается возможность воздействия переходных процессов, возникающих на силовом транзисторе, на схему управления. Входная схема имеет встроенную защиту, исключающую открытие обеих силовых транзисторов полумоста одновременно. Если на управляющие входы обеих каналов подать активный управляющий сигнал, то произойдет блокирование схемы, и оба силовых транзистора будут закрыты. Модули драйвера должны располагаться весьма близко к силовым транзисторам, и соединяться с ними максимально короткими проводниками. Входы Вх1«+», Вх1«–»соединяются со схемой управления и контроля проводниками, идущими параллельно или витой парой, длиной до 25 см. Общий проводник (выводы 1,26,29) должен всегда подводиться отдельно для обоих каналов к входной схеме для обеспечения надежной передачи управляющих импульсов.
Вход Вх1«+» (вывод 3) является прямым управляющим входом, т.е. при подаче на него логической 1 происходит открытие силового транзистора, а при подаче 0 – его закрытие. Вход Вх1«–» (вывод4) – инверсным, т.е. при подаче на него логической 1 происходит закрытие силового транзистора, а при подаче 0 – его открытие. Управление осуществляется подачей на входы логических уровней ТТЛ. Вход «Блокир» (вывод 7) является управляющим входом, логическая единица на нем блокирует работу драйвера, а он подает запирающее напряжение на силовые транзисторы. Вход «Блокир» является общим для обоих каналов. Для нормальной работы драйвера на входе «Блокир» – логический ноль. Выводы 27,30 (–Еnum = –5 В), 26,29 (Общ.), 25,28 (+Еnum = +18 В) – выводы питания силовой части драйвера, на которых имеется напряжение с DC/DC преобразователя. Вход «ик» (измерительный коллектор) подключается к коллектору силового транзистора. Он контролирует совместно с входом «иэ» напряжение на открытом транзисторе. В случае к.з или перегрузки напряжение на открытом транзисторе возрастает и при своем превышении порогового значения драйвер запирает транзистор, вырабатывая на выходе «Ст» (вывод 13 для верхнего транзистора, вывод 16 для нижнего транзистора) управляющий сигнал «Авария». Порог срабатывания защиты определяется количеством быстро восстанавливающихся диодов (время восстановления 50…70 нс), включенных последовательно в этой цепи. Время срабатывания защиты регулируется подключением входа «ик1» (вывод 34 для верхнего транзистора, вывод 22 для нижнего транзистора) к «Кельвиновскому выходу» силового транзистора.
Вход «ик1» (измерительный коллектор) не имеет диода и ограничительного резистора. Его используют для задания времени срабатывания защиты по напряжению насыщения на открытом транзисторе путем подключения к нему конденсатора. Время срабатывания защиты пропорционально емкости конденсатора. По умолчанию в драйвере установлена емкость 100 пФ, что создает время срабатывания защиты 5,5 мкс. Для его увеличения подключается дополнительная емкость между выводами «ик1» и «Общ». Выходы «Вых1 и Вых2» (выводы 32,33 для верхнего транзистора, выводы 20,19 для нижнего транзистора) предназначены для включения силовых транзисторов и регулировки времени этого времени. На выход «Вых1» подается напряжение –5 В, а на выход «Вых2» напряжение +18 В для управления затвором силового транзистора. Для обеспечения крутых фронтов импульса управления (порядка 1 мкс) допускается прямое соединение этих выходов с входами транзистора. Для сглаживания фронтов или ограничения тока управления указанные выходы подключаются к транзистору через резисторы Rg.on и Rg.off (например, 3,3 Ома)
Выход «Ст +Enum» (выводы 14,15 для верхнего транзистора, выводы 17,18 для нижнего транзистора) подтверждает наличие питания (+18В) DC/DC преобразователя на выходной (силовой) части драйвера. Он собран по схеме с открытым коллектором. При нормальной работе драйвера (наличии питания и достаточном его уровне) выход «Ст +Enum» соединяется с общим выводом управляющей схемы с помощью открытого транзистора. При снижении напряжения питания ниже 12 В происходит выключение силового транзистора и блокировка работы драйвера. Выходы Ct, Ct′ (выводы 8,9) предназначены для подсоединения конденсаторов, увеличивающих время задержки между входным и выходным импульсом tвкл драйвера. По умолчанию (без дополнительного конденсатора) это время равно 1 мкс, благодаря чему, на импульсы короче 1 мкс драйвер не реагирует (защита от импульсных помех). Для задержки в 3 мкс необходима емкость 1200 пФ. Основным назначением этой задержки является исключение возникновения сквозных токов, возникающих в полумостах. Сквозные токи вызывают разогрев силовых транзисторов, срабатывание аварийной защиты, увеличивают потребляемый ток, ухудшают КПД схемы. Благодаря введению этой задержки обеими каналами драйвера, нагруженного на полумост, можно управлять силовыми транзисторами одним сигналом в форме меандра, рис. 6.13.
На рис. 6.14 приведена схема самого мощного драйвера из серии драйверов «Электрум». Он позволяет управлять транзисторами с но-минальным током до 2000 А. Это обеспечивает мощный DC/DC–пре-образователь с импульсным током 18 А, позволяющий за короткое время заряжать и разряжать затворы транзисторов. Выходной каскад драйвера является высокочастотным транзисторным усилителем-фор-мирователем. Он формирует раздельные сигналы включения и выклю-чения транзистора с регулируемой длительностью, которая определяется номиналом соответствующего резистора. Правильный подбор длительности переднего и заднего фронтов этого сигнала существенно влияет на работу всей системы.
Короткий фронт уменьшает время нахождения управляемого транзистора в активном состоянии, и, следовательно, его динамические потери, но в то же время существенно увеличивает уровень помех по силовой цепи, которые через цепь контроля остаточного напряжения транзистора могут приводить к сбоям драйвера. Он зависит от характера нагрузки, в особенности от индуктивных свойств нагрузки. Уровни сигналов управления силовыми транзисторами, формируемые драйвером, определяются выходными напряжениями DC/DC-преобразователя. Для надежной работы транзистора уровень напряжения отпирания должен быть не менее +18 В, а уровень напряжения запирания не менее минус 7 В. Драйвер имеет защиту затворов (стабилитроны VD) от подачи на них напряжения выше ±20 В, что является предельно допустимым для затворной цепи. Высокое напряжение может появиться на затворе вследствие высокочастотных помех, возникающих в силовой цепи.
При возникновении аварийных ситуаций работа драйвера на некоторое время блокируется с тем, чтобы дать возможность транзистору остыть, поскольку перечисленные причины приводят к перегреву транзистора. Вывод драйвера из заблокированного состояния может быть осуществлен снятием сигнала управления после выдержки заданного в драйвере времени от 10 до 100 мс. В драйвере предусмотрена автоматическая блокировка контроля напряжения насыщения на управляемом транзисторе во время активного его состояния (процесс его переключения), поскольку в этот период падение напряжения может существенно превышать установленные критические уровни. Входная часть драйвера гальванически изолирована (оптронная развязка) от силовых цепей, причем напряжение изоляции для высоковольтных транзисторов на 3,3 или 4,5 кВ достигает 15 кВ (пикового значения). Входной ток драйвера составляет не менее 5 мА (входной резистор 1 кОм), что сделано для хорошей помехозащищенности драйвера, а в высоковольтном драйвере входной ток достигает 50 мА. Во входной системе драйвера, управляющего силовыми полумостами, реализована блокировка от одновременного включения обоих транзисторов полумоста и выдержка между их переключениями, предохраняющая от сквозных токов в силовых цепях преобразователя. Длительность этой паузы («мертвое время») определяется номиналами внешних настроечных элементов (резисторов или конденсаторов, в зависимости от типа драйвера). Важным является устойчивость драйвера к скорости изменения напряжения. При работе преобразователя с различными типами нагрузок в его силовой цепи возникают быстрые мощные колебательные процессы, фронты которых могут приводить к несанкционированным включениям драйвера, а иногда и к выходу из строя транзистора и драйвера. В общем случае устойчивость к dU/dt составляет 30кВ/мкс, а в отдельных моделях драйверов и 100кВ/мкс. Применяемые в драй верах элементы позволяют приборам гарантированно работать в температурном диапазоне от –60 до +1000С.