2.3. Драйверы управления мощными транзисторами

Драйверы — микросхемы управления, связывающие различные контроллеры и ло­гические схемы с мощными транзисторами выходных каскадов преобразователей или устройств управления двигателями. Драйверы, обеспечивая передачу сигналов, должны вносить по возможности небольшую временную задержку, а их выходные каскады должны выдерживать большую емкостную нагрузку, характерную для зат­ворных цепей транзисторов. Вытекающий и втекающий токи выходного каскада драйвера должны составлять от 0,5 до 2 А или более.

Драйвер представляет собой усили­тель мощности импульсов и предна­значен для непосредственного управления силовыми ключами преобра­зователей параметров электроэнер­гии. Схема драйвера определяется ти­пом структуры ключевого транзисто­ра (биполярный, МОП или IGBТ) и ти­пом его проводимости, а также распо­ложением транзистора в схеме ком­мутатора («верхний», т.е. такой, оба силовых вывода которого в открытом состоянии имеют высокий потенци­ал, или «нижний», оба силовых выво­да которого в открытом состоянии имеют нулевой потенциал). Драйвер должен усилить управляющий сигнал по мощности и напряжению, в случае необходимости обеспечить его по­тенциальный сдвиг. На драйвер также могут быть возложены функции за­щиты ключа.

Проектируя схему управления силовыми транзисторными сборка­ми, необходимо знать, что:

а) необходимо обеспечивать «плавающий» потенциал управления «верхним» силовым ключом в полу мостовой схеме;

б) крайне важно создать быстрое нарастание и спад управляющих сигналов, поступающих на затворы силовых элементов для снижения тепловых потерь на переключение;

в) необходимо обеспечить высокую величину импульса тока управления затвором силовых элементов для быстрого перезаряда входных емкостей;

г) в подавляющем большинстве случаев нужна электрическая совместимость входной части драйвера со стандартными цифровыми сигналами ТТЛ/КМОП (как правило, поступающих от микроконтроллеров).

Достаточно продолжительное время разработчики были вынужде­ны проектировать схемы драйверов управления на дискретных эле­ментах. Первым важным событием на пути интеграции драйверов управления стало появление микросхем серий IR21xx и IR22xx (а за­тем их более современных модификаций IRS21xx, IRS22xx), разрабо­танных фирмой «International Rectifies». Эти микросхемы сегодня на­шли широчайшее применение в маломощной преобразовательной тех­нике, поскольку отвечают всем вышеназванным требованиям.

Схема управления силовыми ключами всегда строится так, что ее выходной сигнал (в виде широтно-модулированных импульсов) задается относи­тельно «общего» проводника схемы. Как видно из рис. 2.12, а, на кото­ром показан полу мостовой силовой каскад, для ключевого транзистора VT2 этого вполне достаточно — сигнал «Упр.2» можно непосредственно подавать на затвор (базу) транзистора через формирователь G2, так как его исток (эмиттер) связан с «общим» проводником схемы, и управление осуществляется относительно «общего» проводника.

Но как быть с транзистором VT1, который работает в верхнем плече полумоста? Если транзистор VT2 находится в закрытом состоянии, а VT1 открыт, на истоке VT1 присутствует напряжение питания Е_пит. По­этому для коммутации транзистора VT1 необходимо гальванически раз­вязанное с «общим» схемы устройство G1, которое четко будет передавать импульсы схемы управления «Упр.1», не внося в сигналы искаже­ний. Классическое решение этой проблемы состоит во включении управляющего трансформатора Т1 (рис. 2.12, б), который, с одной сто­роны, гальванически развязывает управляющие цепи, а с другой — пере­дает коммутационные импульсы. Не случайно это техническое решение считается «классикой жанра»: оно известно не одно десятилетие.

а б

Рис. 2.12. Силовые ключи в полумостовых схемах

Входным сигналом служит сигнал микросхемы управления стан­дартной амплитуды логического уровня, причем с помощью напряже­ния, подаваемого на вывод Vdd, можно обеспечить совместимость с классической 5-вольтовой «логикой» и более современной 3,3-вольтовой. На выходе драйвера имеются напряжения управления «верхним» и «нижним» силовыми транзисторами. В драйвере приняты меры по обеспечению необходимых управляющих уровней, создан эквивалент гальванической развязки (псевдоразвязка), имеются дополнительные функции — вход отключения, узел защиты от понижения напряжения питания, фильтр коротких управляющих импульсов.

Как видно из структурной схемы (рис. 2.13), драйвер состоит из двух независимых каналов, которые предназначены для управления верхним и нижним плечом полумостовых схем. На входе драйвера пре­дусмотрены формирователи импульсов, построенные на основе тригге­ров Шмита. Входы Vcc и Vdd предназначены для подключения питаю­щего напряжения силовой и управляющей частей схемы, «земляные» шины силовой части и управляющей части развязаны (разные «общие» выводы — Vss и СОМ).

В подавляющем большинстве случаев эти выво­ды просто соединяют вместе. Предусмотрена также возможность раз­дельного питания управляющей и силовой части для согласования входных уровней с уровнями схемы управления. Вход SD — защитный. Выходные каскады построены на комплиментарных полевых транзи­сторах. В составе микросхемы имеются дополнительные устройства, обеспечивающие ее устойчивую работу в составе преобразовательных схем: это устройство сдвига уровня управляющих сигналов (Vdd/Vcc level shift), устройство подавления коротких импульсных помех (pulse filter), устройство задержки переключения (delay) и детектор понижен­ного напряжения питания (UV detect).

Рис. 2. 13. Функциональные узлы микросхем IRS2110 и IRS2113

Типовая схема включения драйверов приведена на рис. 2.14. Кон­денсаторы С1 и СЗ — фильтрующие. Фирма-производитель рекомен­дует располагать их как можно ближе к соответствующим выводам. Конденсатор С2 и диод VD1 — бутстрепный каскад, обеспечивающий питание схемы управления транзистора «верхнего» плеча. Конденса­тор С4 — фильтр в силовой цепи. Резисторы R1 и R2 — затворные.

Иногда управляющий широтно-модулированный сигнал может быть сформирован не по двум управляющим входам отдельно, а подан на один вход в виде меандра с изменяющейся скважностью. Такой способ управления может встретиться, например, в преобразователях, формирующих синусоидальный сигнал заданной частоты. В этом слу­чае достаточно задать паузу «мертвое время» между закрытием одного транзистора полумоста и открытием второго.

Рис. 2.14. Типовая схема включения IRS2110 и IRS2113

Такой драйвер со встро­енным узлом гарантированного формирования паузы «мертвое время» в номенклатуре фирмы «International Rectifies» имеется — это микро­схема IRS2111 ( рис. 2.15).

Рис. 2.15. Функциональные узлы микросхемы IRS2111

На структурной схеме видно, что драйвер имеет встроенные узлы формирования паузы «мертвое время» (deadtime) для верхнего и ниж­него плеч полумоста. Согласно документации производителя, величи­на «мертвого времени» задана на уровне 650 нс (типовое значение), что вполне достаточно для управления полумостами, состоящими из мощных MOSFET транзисторов.

Драйверы для управления сложны­ми преобразовательными схемами - однофазными и трёхфазными - со­держат большое количество элемен­тов, поэтому неудивительно, что их выпускают в виде интегральных мик­росхем. Эти микросхемы, помимо собственно драйверов, содержат также цепи пре­образования уровня, вспомогатель­ную логику, цепи задержки для фор­мирования «мёртвого» времени, цепи защиты и т. д. По области применения ИМС драйверов различают: драйверы нижнего ключа; драйверы верхнего ключа; драйверы нижнего и верхнего клю­чей; полумостовые драйверы; драйверы однофазного моста; драйверы трёхфазного моста.

Основные параметры интеграль­ных драйверов делятся на две груп­пы: динамические и эксплуатацион­ные. К динамическим относятся вре­мя задержки переключения при отпирании и запирании ключа, вре­мя нарастания и спада выходного напряжения, а также время реакции цепей защиты. Важнейшие эксплуа­тационные параметры: максималь­ное импульсное значение втекающе­го/вытекающего выходного тока, входные уровни, диапазон питаю­щих напряжений, выходное сопро­тивление.

Часто на драйверы возлагают так­же некоторые функции защиты МОП- и JGВТ-транзисторов. В число этих функций входят следующие: защита от короткого замыкания ключа; защита от понижения напряжения питания драйвера;

защита от сквозных токов; защита от пробоя затвора.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие основные различия биполярных и полевых транзисторов следует учитывать при использовании их в качестве электронных ключей?

2. Какие преимущества биполярных и полевых транзисторов сочетает в себе МОПБТ?

3. Перечислите основные статические режимы работы транзисторов. В каких режимах следует использовать транзисторы в устройствах силовой электроники?

4. Поясните по схеме Ларионова суть широтно-импульсной

модуляции (ШИМ).