Krachtige MOSFET-veldeffecttransistors zijn goed voor iedereen, op één kleine nuance na: het is vaak onmogelijk om ze rechtstreeks op de pinnen van de microcontroller aan te sluiten.

Dit komt in de eerste plaats door het feit dat toegestane stromen voor microcontroller-pinnen overschrijden zelden 20 mA, en voor zeer snel schakelen MOSFET's (met goede fronten) vereisen, wanneer je de poort (die altijd enige capaciteit heeft) zeer snel moet opladen of ontladen, stromen die een orde van grootte groter zijn.

En ten tweede is de voeding van de controller gewoonlijk 3 of 5 volt, wat in principe alleen directe controle mogelijk maakt van een kleine klasse veldwerkers (het zogenaamde logisch niveau). En gezien het feit dat de voeding van de controller en de voeding naar de rest van het circuit doorgaans een gemeenschappelijke negatieve draad hebben, wordt deze klasse uitsluitend beperkt tot N-kanaal veldapparaten op logisch niveau.

Een van de oplossingen in deze situatie is het gebruik van speciale microcircuits - stuurprogramma's, die precies zijn ontworpen om grote stromen door de veldpoorten te trekken. Deze optie is echter niet zonder nadelen. Ten eerste zijn chauffeurs niet altijd verkrijgbaar in de winkels, en ten tweede zijn ze behoorlijk duur.

In dit opzicht ontstond het idee om een ​​eenvoudige, goedkope, losse driver te maken die gebruikt kon worden om zowel N-kanaal als P-kanaal veldapparaten aan te sturen in elk laagspanningscircuit, bijvoorbeeld tot 20 volt , Ik zit, als een echte radiojunkie, vol met allerlei elektronische rommel, dus na een reeks experimenten werd dit schema geboren:

1. R 1 = 2,2 kOhm, R 2 = 100 Ohm, R 3 = 1,5 kOhm, R 4 = 47 Ohm
2. D 1 - diode 1N4148 (glazen vat)
3. T 1, T 2, T 3 - transistors KST2222A (SOT-23, markering 1P)
4. T 4 - transistor BC807 (SOT-23, markering 5C)

De capaciteit tussen Vcc en Out symboliseert de aansluiting van een P-kanaal veldschakelaar, de capaciteit tussen Out en Gnd symboliseert de aansluiting van een N-kanaal veldschakelaar (de poortcapaciteit van deze veldschakelaars).

De stippellijn verdeelt het circuit in twee fasen (I en II). In dit geval werkt de eerste trap als eindversterker en de tweede trap als stroomversterker. De werking van de schakeling wordt hieronder in detail beschreven.

Dus. Als de In-ingang verschijnt hoog niveau signaal, dan opent transistor T1 en sluit transistor T2 (aangezien de potentiaal aan de basis onder de potentiaal aan de emitter daalt). Als resultaat sluit transistor T3 en opent transistor T4, waardoor de poortcapaciteit van de aangesloten veldschakelaar wordt opgeladen. (De basisstroom van transistor T4 vloeit langs het pad E T4 -> B T4 -> D1 -> T1 -> R2 -> Gnd).

Als er een laag signaalniveau verschijnt aan de In-ingang, gebeurt alles andersom: transistor T1 sluit, waardoor de basispotentiaal van transistor T2 toeneemt en deze opent. Dit zorgt er op zijn beurt voor dat transistor T3 wordt ingeschakeld en transistor T4 wordt uitgeschakeld. De poortcapaciteit van de aangesloten veldschakelaar wordt opgeladen via de open transistor T3. (De basisstroom van transistor T3 vloeit langs het pad Vcc->T2->R4->B T3 ->E T3).

Dat is eigenlijk de hele beschrijving, maar sommige punten vereisen waarschijnlijk aanvullende uitleg.

Ten eerste, wat zijn transistor T2 en diode D1 in de eerste fase? Alles is hier heel eenvoudig. Het is niet voor niets dat ik hierboven de paden schreef voor de stroom van basisstromen van de uitgangstransistoren verschillende staten schema's. Bekijk ze nog eens en stel je voor wat er zou gebeuren als er geen transistor T2 bij de kabelboom zou zijn. In dit geval zou transistor T4 worden ontgrendeld door een grote stroom (dat wil zeggen de basisstroom van de transistor) die van de Uit-uitgang door open T1 en R2 vloeit, en zou transistor T3 worden ontgrendeld door een kleine stroom die door weerstand R3 vloeit. Dit zou resulteren in een zeer lange voorflank van de uitgangspulsen.

Ten tweede zullen velen waarschijnlijk geïnteresseerd zijn in waarom weerstanden R2 en R4 nodig zijn. Ik heb ze aangesloten om de piekstroom door de bases van de uitgangstransistoren op zijn minst enigszins te beperken, en om uiteindelijk de voor- en achterflanken van de pulsen gelijk te maken.

Het geassembleerde apparaat ziet er als volgt uit:

De driverindeling is gemaakt voor SMD-componenten, en zo dat deze eenvoudig op het moederbord van het apparaat kan worden aangesloten (in verticale positie). Dat wil zeggen, op het moederbord kunnen we een halve brug of iets anders installeren, en het enige dat overblijft is om het verticaal op dit bord aan te sluiten op de juiste plaatsen bestuurdersborden.

De bedrading heeft enkele eigenaardigheden. Om de grootte van het bord radicaal te verkleinen, moesten we de T4-transistor “enigszins verkeerd” routeren. Voordat je het op het bord soldeert, moet je het met de voorkant naar beneden draaien (gemarkeerd) en de poten naar binnen buigen achterkant(naar het bestuur).

Zoals u kunt zien, is de duur van de fronten vrijwel onafhankelijk van het voedingsspanningsniveau en bedraagt ​​deze iets meer dan 100 ns. Naar mijn mening best goed voor zo'n budgetontwerp.

FET-stuurprogramma's

MOSFET- en IGBT-transistordrivers - apparaten voor het besturen van krachtige halfgeleiderapparaten in de eindtrappen van converters elektrische energie. Ze worden gebruikt als tussenschakel tussen het stuurcircuit (controller of digitaal). signaal processor) en krachtige uitvoerende elementen.

De ontwikkelingsstadia van energie(vermogens)elektronica worden bepaald door de vooruitgang in de technologieën van stroomschakelaars en hun besturingscircuits. De dominante richting in de vermogenselektronica is het verhogen van de werkfrequenties van converters die deel uitmaken van schakelende voedingen. Door elektriciteit op hogere frequenties om te zetten, kunnen de specifieke gewichts- en grootte-eigenschappen worden verbeterd pulstransformatoren, condensatoren en filtersmoorspoelen. De dynamische en statische parameters van stroomapparaten worden voortdurend verbeterd, maar krachtige schakelaars moeten ook effectief worden aangestuurd. Krachtige hogesnelheidsdrivers van MOSFET- en IGBT-transistoren zijn ontworpen voor een evenwichtige interactie tussen het stuurcircuit en de eindtrappen. De drivers hebben hoge uitgangsstromen (tot 9 A), korte stijging, daling, vertragingstijden en andere interessante onderscheidende kenmerken. De chauffeursclassificatie wordt weergegeven in figuur 2.15.

Figuur 2.15 - Classificatie van chauffeurs

De bestuurder moet er minimaal één hebben externe uitgang(V push-pull-circuits twee), wat verplicht is. Het kan dienen als voorpulsversterker of direct sleutelelement als onderdeel van puls bron voeding.

Als een gecontroleerd apparaat in stroomcircuits voor verschillende doeleinden Er kunnen bipolaire transistors, MOS-transistors en trigger-type apparaten (thyristors, triacs) worden gebruikt. De eisen aan een bestuurder die in elk van deze gevallen optimale controle biedt, zijn verschillend. Bestuurder bipolaire transistor moet de basisstroom controleren wanneer deze wordt ingeschakeld en zorgen voor de resorptie van minderheidsdragers in de basis tijdens de uitschakelfase. De maximale waarden van de stuurstroom verschillen weinig van de gemiddelde waarden over het overeenkomstige interval. De MOS-transistor wordt bestuurd door spanning, maar aan het begin van de aan- en uit-intervallen moet de bestuurder grote pulsstromen doorgeven bij het opladen en ontladen van de condensatoren van het apparaat. Apparaten van het trigger-type vereisen de vorming van een korte stroompuls alleen aan het begin van het schakelinterval, omdat het uitschakelen (schakelen) voor de meest voorkomende apparaten plaatsvindt langs de hoofdelektroden en niet langs de stuurelektroden. Aan al deze vereisten moet tot op zekere hoogte worden voldaan door de overeenkomstige chauffeurs.

Figuren 2.16…2.18 tonen standaard schema's het inschakelen van bipolaire en veldeffect MOSFET-transistoren met behulp van één transistor in de driver. Dit zijn zogenaamde circuits met passieve uitschakeling van de vermogenstransistor. Zoals uit de figuur blijkt, is de structuur van de stuurcircuits volledig identiek, wat het mogelijk maakt dezelfde circuits te gebruiken om transistors van beide typen te besturen. In dit geval vindt de resorptie van dragers die zich in de structuur van de transistor hebben verzameld plaats via een passief element - een externe weerstand. De weerstand ervan, die de besturingsovergang niet alleen bij het uitschakelen, maar ook tijdens het inschakelinterval overbrugt, kan niet te klein worden gekozen, wat de snelheid van de ladingsresorptie beperkt.

Om de snelheid van de transistor te verhogen en hoogfrequente schakelaars te creëren, is het noodzakelijk om de weerstand van het ladingresetcircuit te verminderen. Dit gebeurt met behulp van een reset-transistor, die alleen tijdens het pauze-interval wordt ingeschakeld. De overeenkomstige stuurcircuits voor bipolaire en MOS-transistors worden weergegeven in figuur 2.17.

Momenteel worden MOSFET- en IGBT-transistoren voornamelijk gebruikt als vermogensschakelaars met hoog en middelhoog vermogen. Als we deze transistors beschouwen als een belasting voor hun stuurcircuit, dan zijn het condensatoren met een capaciteit van duizenden picofarads. Om de transistor te openen moet deze capaciteit worden opgeladen en bij het sluiten moet deze zo snel mogelijk worden ontladen. Dit moet niet alleen worden gedaan zodat uw transistor de tijd heeft om op hoge frequenties te werken. Hoe hoger de poortspanning van de transistor, hoe lager de kanaalweerstand voor MOSFET's of hoe lager de collector-emitter-verzadigingsspanning voor IGBT-transistoren. De drempelspanning voor het openen van transistors is gewoonlijk 2 à 4 volt, en het maximum waarbij de transistor volledig open is, is 10 à 15 volt. Daarom moet een spanning van 10-15 volt worden toegepast. Maar zelfs in dit geval wordt de poortcapaciteit niet onmiddellijk opgeladen en werkt de transistor enige tijd in het niet-lineaire deel van zijn karakteristiek met een hoge kanaalweerstand, wat leidt tot een grote spanningsval over de transistor en zijn overmatige verwarming. Dit is de zogenaamde manifestatie van het Miller-effect.

Om ervoor te zorgen dat de poortcapaciteit snel wordt opgeladen en de transistor opent, is het noodzakelijk dat uw stuurcircuit zoveel mogelijk laadstroom aan de transistor kan leveren. De poortcapaciteit van de transistor kan worden gevonden in de paspoortgegevens van het product en bij het berekenen moet u Cvx = Ciss nemen.

Laten we bijvoorbeeld de MOSFET-transistor IRF740 nemen. Het heeft de volgende kenmerken die ons interesseren:

Openingstijd (stijgtijd - Tr) = 27 (ns)

Sluitingstijd (Fall Time - Tf) = 24 (ns)

Ingangscapaciteit - Ciss = 1400 (pF)

Maximale stroom We berekenen de opening van de transistor als:

We bepalen de maximale sluitstroom van de transistor volgens hetzelfde principe:

Omdat we meestal 12 volt gebruiken om het stuurcircuit van stroom te voorzien, zullen we de stroombegrenzende weerstand bepalen met behulp van de wet van Ohm.

Dat wil zeggen, weerstand Rg=20 Ohm, volgens de standaard E24-serie.

Houd er rekening mee dat het niet mogelijk is om zo'n transistor rechtstreeks vanaf de controller te besturen. Ik zal wat introduceren; maximale spanning die de controller kan leveren, zal binnen 5 volt liggen, en de maximale stroom zal binnen 50 mA liggen. De controlleruitgang zal overbelast raken en de transistor zal het Miller-effect vertonen, en je circuit zal zeer snel falen, omdat iemand, de controller of de transistor, als eerste oververhit raakt.
Daarom is het noodzakelijk om de juiste bestuurder te kiezen.
De driver is een pulsversterker en is ontworpen om stroomschakelaars te besturen. Drivers kunnen afzonderlijk de bovenste en onderste toetsen zijn, of gecombineerd in één behuizing tot een bovenste en onderste sleuteldriver, bijvoorbeeld zoals IR2110 of IR2113.
Op basis van de hierboven gepresenteerde informatie moeten we een driver selecteren die in staat is de transistorpoortstroom Ig = 622 mA te handhaven.
De IR2011-driver is dus geschikt voor ons en kan een poortstroom Ig = 1000 mA ondersteunen.

Ook moet er rekening gehouden worden met de maximale belastingsspanning die de schakelaars zullen schakelen. IN in dit geval het is gelijk aan 200 volt.
Vervolgens heel belangrijke parameter is de sluitsnelheid. Dit elimineert de stroom van doorgaande stromen in de push-pull-circuits zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, wat verliezen en oververhitting veroorzaakt.

Als je het begin van het artikel aandachtig leest, kun je uit de paspoortgegevens van de transistor zien dat de sluitingstijd korter moet zijn dan de openingstijd en dienovereenkomstig moet de uitschakelstroom hoger zijn dan de openingsstroom. Als> Ir. Het is mogelijk om een ​​grotere sluitstroom te leveren door de weerstand Rg te verkleinen, maar dan zal de openingsstroom ook toenemen. Dit heeft invloed op de grootte van de schakelspanningsstoot bij het uitschakelen, afhankelijk van de snelheid van het stroomverval di/dt. Vanuit dit oogpunt is het verhogen van de schakelsnelheid grotendeels het geval negatieve factor, waardoor de betrouwbaarheid van het apparaat afneemt.

In dit geval zullen we profiteren van de opmerkelijke eigenschap van halfgeleiders om stroom in één richting door te laten, en een diode in het poortcircuit installeren die de uitschakelstroom van de transistor If zal doorlaten.

De poortstroom Ir zal dus door weerstand R1 vloeien, en de poortstroom If zal door diode VD1 vloeien, en aangezien de weerstand van de p-n-overgang van de diode veel kleiner is dan de weerstand van weerstand R1, dan is If>Ir . Om ervoor te zorgen dat de uitschakelstroom zijn waarde niet overschrijdt, verbinden we een weerstand in serie met de diode, waarvan de weerstand wordt bepaald door de weerstand van de diode in open toestand te verwaarlozen.

Laten we de dichtstbijzijnde kleinere nemen uit de standaardserie E24 R2=16 Ohm.

Laten we nu eens kijken naar wat de naam van de bovenste sleuteldriver en de onderste sleuteldriver betekenen.
Het is bekend dat MOSFET- en IGBT-transistors worden bestuurd door spanning, namelijk de gate-source-spanning (Gate-Source) Ugs.
Wat zijn de bovenste en onderste toetsen? De onderstaande figuur toont een diagram van een halve brug. Dit circuit bevat respectievelijk de bovenste en onderste toetsen, VT1 en VT2. De bovenste schakelaar VT1 is door de drain verbonden met de positieve voeding Vcc, en door de source met de belasting en moet worden geopend door een spanning die wordt aangelegd ten opzichte van de source. De onderste sleutel, de drain, is verbonden met de belasting, en de bron is verbonden met de negatieve voeding (aarde), en moet worden geopend door spanning die wordt aangelegd ten opzichte van de aarde.

En als alles heel duidelijk is met de onderste sleutel, zet er dan 12 volt op - hij gaat open, pas er 0 volt op toe - hij sluit, dan heb je voor de bovenste sleutel een speciaal circuit nodig dat hem opent ten opzichte van de spanning aan de bron van de transistor. Dit schema is al geïmplementeerd in de driver. Het enige wat we nodig hebben is het toevoegen van boostcapaciteit C2 aan de driver, die wordt opgeladen door de voedingsspanning van de driver, maar relatief ten opzichte van de bron van de transistor, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Met deze spanning wordt de bovenste sleutel ontgrendeld.

Dit circuit is redelijk werkbaar, maar door het gebruik van een boostercapaciteit kan het binnen een smal bereik werken. Deze capaciteit wordt geladen wanneer de onderste transistor open is en kan niet te groot zijn als het circuit op hoge frequenties moet werken, en kan ook niet te klein zijn als het op hoge frequenties werkt. lage frequenties. Dat wil zeggen dat we met dit ontwerp de bovenste schakelaar niet voor onbepaalde tijd open kunnen houden; deze zal onmiddellijk sluiten nadat condensator C2 is ontladen, maar als we een grotere capaciteit gebruiken, heeft deze mogelijk geen tijd om op te laden tijdens de volgende bedrijfsperiode van de transistor. .
We zijn dit probleem meer dan eens tegengekomen en hebben heel vaak moeten experimenteren met het selecteren van een boostercapaciteit bij het veranderen van de schakelfrequentie of het bedrijfsalgoritme van het circuit. Het probleem werd in de loop van de tijd en heel eenvoudig opgelost, op de meest betrouwbare en “bijna” goedkope manier. Tijdens het bestuderen van de technische referentie voor de DMC1500 raakten we geïnteresseerd in het doel van de P8-connector.

Nadat ik de handleiding zorgvuldig had gelezen en het circuit van de hele schijf grondig had begrepen, bleek dat dit een connector is voor het aansluiten van een afzonderlijke, galvanisch geïsoleerde voeding. We verbinden de min van de voeding met de bron van de bovenste schakelaar, en de plus met de ingang van de Vb-driver en de positieve kant van de boostercapaciteit. De condensator wordt dus constant opgeladen, waardoor het mogelijk is om de bovenste toets zo lang als nodig open te houden, ongeacht de staat van de onderste toets. Met deze toevoeging aan het schema kunt u elk sleutelschakelalgoritme implementeren.
Als stroombron voor het opladen van de boostercapaciteit kunt u een conventionele transformator met gelijkrichter en filter gebruiken, of een DC-DC-omzetter.

Het artikel is gewijd aan de ontwikkelingen van Electrum AV LLC voor industrieel gebruik, waarvan de kenmerken vergelijkbaar zijn met modulaire apparaten geproduceerd door Semikron en CT Concept.

Moderne ontwikkelingsconcepten vermogenselektronica, het niveau van de technologische basis van moderne micro-elektronica bepaalt de actieve ontwikkeling van systemen gebouwd op IGBT-apparaten met verschillende configuraties en kracht. In het staatsprogramma “Nationaal technologische basis“Twee werken zijn aan deze richting gewijd, namelijk de ontwikkeling van een reeks IGBT-modules met gemiddeld vermogen bij de Kontur-onderneming (Cheboksary) en een reeks IGBT-modules met hoog vermogen bij de Kremniy-onderneming (Bryansk). Tegelijkertijd wordt het gebruik en de ontwikkeling van systemen op basis van IGBT-modules beperkt door het gebrek aan binnenlandse stuurapparaten voor het besturen van IGBT-poorten. Dit probleem is ook relevant voor veldeffecttransistoren met hoog vermogen die worden gebruikt in omzetsystemen met spanningen tot 200 V.

Momenteel worden besturingsapparaten voor veldeffect- en IGBT-transistoren met hoog vermogen op de Russische "elektronische" markt vertegenwoordigd door Agilent Technologies, IR, Powerex, Semikron en CT Concept. IR- en Agilent-producten bevatten alleen een apparaat voor het genereren van transistorbesturingssignalen en beveiligingscircuits en vereisen bij het werken met hoogvermogentransistors of hoge frequenties voor uw toepassing aanvullende elementen: DC/DC-omzetter van het benodigde vermogen om voedingsspanningen voor eindtrappen te genereren, krachtige externe eindtrappen voor het genereren van poortbesturingssignalen met de vereiste flanksteilheid, beveiligingselementen (zenerdiodes, diodes, enz.), interface-elementen voor het besturingssysteem ( ingangslogica, vorming van besturingsdiagrammen voor halfbrugapparaten, optisch geïsoleerde statussignalen van de toestand van de bestuurde transistor, voedingsspanningen, enz.). Powerex-producten vereisen ook een DC/DC-converter en er zijn extra externe componenten vereist voor afstemming met TTL, CMOS en glasvezel. Er zijn ook geen noodzakelijke statussignalen met galvanische scheiding.

De functioneel meest complete drivers zijn van Semikron (SKHI-serie) en CT Concept (standaard- of SCALE-types). CT Concept-stuurprogramma's uit de Standart-serie en SKHI-stuurprogramma's zijn gemaakt in de vorm van printplaten met connectoren voor aansluiting op het besturingssysteem en bestuurde transistors waarop de nodige elementen zijn geïnstalleerd en met de mogelijkheid om afstemelementen door de consument te installeren. De producten zijn vergelijkbaar qua functionele en parametrische kenmerken.

Het assortiment SKHI-drivers wordt weergegeven in Tabel 1.

Tabel 1. Nomenclatuur van SKHI-chauffeurs

CT Concept SCALE-drivers zijn gebaseerd op een hybride basisconstructie en bevatten de belangrijkste elementen voor het aansturen van krachtige veldeffect- of IGBT-transistoren die zijn gemonteerd op printplaat, met de mogelijkheid om de nodige aanpassingselementen te installeren. Tevens is het bord voorzien van de benodigde connectoren en stopcontacten.

Het assortiment hybride SCALE-driverassemblages van CT Concept wordt weergegeven in Tabel 2.

Driver-apparaten geproduceerd door Electrum AV zijn volledig afgewerkte, functioneel complete apparaten die alles bevatten noodzakelijke elementen voor poortcontrole krachtige transistoren, verstrekken vereiste niveaus coördinatie van stroom- en potentiële signalen, duur van flanken en vertragingen, evenals de noodzakelijke beschermingsniveaus van bestuurde transistors wanneer gevaarlijke niveaus verzadigingsspanning (stroomoverbelasting of kortsluiting) en onvoldoende poortspanning. De gebruikte DC/DC-converters en transistoreindtrappen hebben dat wel noodzakelijke capaciteiten om te zorgen voor het schakelen van bestuurde transistors van elk vermogen met voldoende snelheid om minimale schakelverliezen te garanderen. DC/DC-converters en optocouplers beschikken over voldoende galvanische isolatie voor gebruik in hoogspanningssystemen.

Tabel 2. Nomenclatuur van hybride SCALE-driverassemblages van CT Concept

Dit artikel presenteert apparaten MD115, MD150, MD180 (MD115P, MD150P, MD180P) voor het aansturen van enkele transistors, evenals MD215, MD250, MD280 (MD215P, MD250P, MD280P) voor het aansturen van halfbrugapparaten.

Drivermodule voor eenkanaals IGBT en veldeffecttransistors met hoog vermogen: MD115, MD150, MD180, MD115P, MD150P, ID180P

Drivermodule MD115, MD150, MD180, MD115P, MD150P, MD180P - hybride geïntegreerde schakeling voor het aansturen van IGBT's en krachtige veldeffecttransistors, ook wanneer ze parallel zijn aangesloten. De module biedt afstemming van stroom- en spanningsniveaus met de meeste IGBT's en veldeffecttransistors met hoog vermogen met een maximaal toegestane spanning tot 1700 V, bescherming tegen overbelasting of kortsluiting, en tegen onvoldoende spanningsniveau aan de transistorpoort. De bestuurder genereert een "alarm" -signaal wanneer de bedrijfsmodus van de transistor wordt geschonden. Door te gebruiken externe elementen De bedieningsmodus van de driver is geconfigureerd voor optimale controle verschillende soorten transistors. De driver kan worden gebruikt om transistors met "Kelvin"-uitgangen aan te sturen of om de stroom te regelen met behulp van een stroomgevoelige weerstand. De MD115P-, MD150P- en MD180P-apparaten bevatten een ingebouwde DC/DC-omzetter om de uitgangstrappen van de driver van stroom te voorzien. Apparaten MD115, MD150, MD180 vereisen een externe geïsoleerde stroombron.

Pintoewijzing

1 - “nood +” 2 - “nood –” 3 - “input +” 4 - “input –” 5 - “U power +” (alleen voor modellen met de index “P”) 6 - “U power –” ( alleen voor modellen met de index “P”) 7 - “Algemeen” 8 - “+E power” 9 - “output” - transistorpoortbesturing 10 - “–E power” 11 - “forward” - verzavan de bestuurde transistor 12 - "stroom" - ingang voor het bewaken van de stroom die door de bestuurde transistor vloeit

Drivermodules voor tweekanaals IGBT en vermogensveldeffecttransistors IA215, IA250, IA280, IA215I, IA250I, IA280I

Drivermodules MD215, MD250, MD280, MD215P, MD250P, MD280P - een hybride geïntegreerde schakeling voor het aansturen van IGBT's en krachtige veldeffecttransistors via twee kanalen, zowel onafhankelijk als in halfbrugverbinding, ook wanneer parallelle verbinding transistors. De driver zorgt voor een optimale afstemming van stroom- en spanningsniveaus met de meeste IGBT's en veldeffecttransistoren met hoog vermogen toelaatbare spanningen tot 1700 V, bescherming tegen overbelasting of kortsluiting, onvoldoende spanningsniveau aan de transistorpoort. De driveringangen zijn galvanisch gescheiden van de voedingseenheid met een isolatiespanning van 4 kV. De driver bevat interne DC/DC-converters die de noodzakelijke niveaus vormen om de poorten van transistors te besturen. Het apparaat genereert de nodige statussignalen die de bedrijfsmodus van de transistors kenmerken, evenals de beschikbaarheid van stroom. Met behulp van externe elementen wordt de bedrijfsmodus van de driver aangepast voor een optimale aansturing van verschillende typen transistors.

Tabel 4. Pinaanduiding van de tweekanaals IGBT-stuurmodule en vermogensveldeffecttransistors

Apparaten van beide typen MD1ХХХ en MD2ХХХ zorgen voor het genereren van tmet afzonderlijk instelbare waarden van laad- en ontlaadstromen, met de vereiste dynamische parameters, zorgen voor spanningsregeling en bescherming van transistorpoorten in het geval van onvoldoende of te hoge spanning op hen. Beide typen apparaten bewaken de verzadigingsspanning van de bestuurde transistor en voeren in kritieke situaties een soepele nooduitschakeling van de belasting uit, waarbij een optocouplersignaal wordt gegenereerd dat dit aangeeft. Naast deze functies hebben apparaten uit de MD1XXX-serie de mogelijkheid om de stroom te regelen via een bestuurde transistor met behulp van een externe stroommeetweerstand - een "shunt". Dergelijke weerstanden, met weerstanden van 0,1 tot enkele mOhm en vermogens van tientallen en honderden W, gemaakt op keramische bases in de vorm van nichroom- of manganinestrips met een nauwkeurige geometrie met instelbare nominale waarden, werden ook ontwikkeld door Electrum AV LLC. Meer gedetailleerde informatie over hen is te vinden op de website www.orel.ru/voloshin.

Tabel 5. Elektrische basisparameters

Met de voorgestelde stuurprogramma's kunt u transistors besturen hoge frequentie(tot 100 kHz), waardoor een zeer hoge efficiëntie van conversieprocessen kan worden bereikt.

Apparaten uit de MD2ХХХ-serie hebben een ingebouwd logisch ingangsblok waarmee u signalen kunt besturen met verschillende waarden van 3 tot 15 V (CMOS) en standaard TTL-niveaus, terwijl ze een identiek niveau van tbieden en een schakelvertragingsduur van de bovenste en hogere spanningen, instelbaar met behulp van externe condensatoren op de onderste arm van de halve brug, die de afwezigheid van doorgaande stromen garandeert.

Kenmerken van het gebruik van stuurprogramma's met behulp van het voorbeeld van het MD2ХХХ-apparaat

Kort overzicht

Drivermodules MD215, MD250, MD280, MD215P, MD250P, MD280P zijn universele besturingsmodules ontworpen voor het schakelen van IGBT's en veldeffecttransistors met hoog vermogen.

Alle typen MD2ХХХ hebben onderling compatibele contacten en verschillen alleen in het niveau van de maximale pulsstroom.

MD-types met hogere vermogens - MD250, MD280, MD250P, MD280P zijn zeer geschikt voor de meeste modules of meerdere parallel geschakelde transistors die bij hoge frequenties worden gebruikt.

Drivermodules van de MD2ХХХ-serie zijn dat wel volledige oplossing besturings- en beschermingsproblemen voor IGBT's en vermogensveldeffecttransistors. Eigenlijk geen extra componenten zijn niet vereist in de invoer- of uitvoergedeelten.

Actie

Drivermodules MD215, MD250, MD280, MD215P, MD250P, MD280P voor elk van de twee kanalen bevatten:

• ingangscircuit dat signaalniveau-aanpassing en beschermende schakelvertraging levert;
• elektrische isolatie tussen het ingangscircuit en het voedingsgedeelte (uitgang);
• transistorpoortbesturingscircuit; op een open transistor;
• circuit voor het bewaken van het voedingsspanningsniveau van het voedingsgedeelte van de driver;
• eindversterker;
• bescherming tegen spanningspieken in het uitgangsgedeelte van de driver;
• galvanisch gescheiden spanningsbron - DC//DC-converter (alleen voor modules met index P)

Beide driverkanalen werken onafhankelijk van elkaar.

Dankzij de elektrische isolatie die wordt geboden door transformatoren en optocouplers (onderworpen aan een testspanning van 2650 V AC bij 50 Hz gedurende 1 minuut) tussen het ingangscircuit en het vermogensgedeelte, evenals een extreem hoge spanningsafwijking van 30 kV/μs Drivermodules worden gebruikt in circuits met grote potentiële spanningen en grote potentiële sprongen tussen het voedingsgedeelte en het stuurcircuit.

Dankzij de zeer korte vertragingstijden van de drivers uit de MD2XXX-serie kunnen ze worden gebruikt in hoogfrequente voedingen, hoogfrequente omvormers en resonantieomvormers. Dankzij hun extreem korte vertragingstijden garanderen ze een probleemloze werking tijdens de brugbesturing.

Een van de belangrijkste functies van drivers uit de MD2XXX-serie is garantie betrouwbare bescherming geregelde vermogenstransistors van kortsluiting en overbelasting. De noodtoestand van de transistor wordt bepaald aan de hand van de spanning op de collector van de vermogenstransistor in open toestand. Als een door de gebruiker gedefinieerde drempel wordt overschreden, wordt de vermogenstransistor uitgeschakeld en blijft uitgeschakeld totdat het actieve signaalniveau op de stuuringang eindigt. Hierna kan de transistor weer worden ingeschakeld door een actief niveau op de stuuringang aan te leggen. Dit beveiligingsconcept wordt veel gebruikt om IGBT's betrouwbaar te beschermen.

Functionele toewijzing van pinnen

Pennen 14 (VX1 “+”), 13 (VX1 “–”)

Pin 13 en 14 zijn de stuuringangen van de driver. De controle wordt uitgevoerd door er logische TTL-niveaus op toe te passen. De ingang In1 "+" is direct, dat wil zeggen dat wanneer er een logische 1 op wordt toegepast, de vermogenstransistor opent en wanneer een 0 wordt toegepast, deze sluit. De ingang In1 "-" is omgekeerd, dat wil zeggen dat wanneer er een logische 1 op wordt toegepast, de vermogenstransistor sluit en wanneer 1 wordt toegepast, deze opent. Normaal gesproken is In1 “–” verbonden met de gemeenschappelijke geleider van het ingangsgedeelte van de driver en wordt deze bestuurd met behulp van de In1 “+” ingang. Een inverterende en niet-inverterende driveraansluiting wordt getoond in figuur 10.

Tabel 6 toont het statusdiagram van één driverkanaal.

De elektrische isolatie tussen de ingangs- en uitgangsdelen van de driver op deze pinnen wordt uitgevoerd met behulp van optocouplers. Dankzij hun gebruik wordt de mogelijkheid van de invloed van voorbijgaande processen op de vermogenstransistor op het stuurcircuit geëlimineerd.

Tabel 6. Toestandsdiagram van één driverkanaal

Het ingangscircuit heeft een ingebouwde beveiliging die voorkomt dat beide vermogenstransistoren van de halve brug gelijktijdig openen. Als er een actief stuursignaal wordt aangeboden aan de stuuringangen van beide kanalen, wordt de schakeling geblokkeerd en worden beide vermogenstransistoren gesloten.

Drivermodules moeten zo dicht mogelijk bij de vermogenstransistors worden geplaatst en met de kortst mogelijke geleiders daarop worden aangesloten. Ingangen In1 “+” en In1 “–” kunnen worden aangesloten op het besturings- en bewakingscircuit met geleiders tot 25 cm lang.

Bovendien moeten de geleiders parallel lopen. Bovendien kunnen de ingangen In1 “+” en In1 “–” via een twisted pair op het besturings- en bewakingscircuit worden aangesloten. Gemeenschappelijke dirigent naar ingangscircuit moeten voor beide kanalen altijd afzonderlijk worden aangesloten om een ​​betrouwbare overdracht van stuurpulsen te garanderen.

Rekening houdend met het feit dat bij een zeer lange puls een betrouwbare overdracht van stuurpulsen plaatsvindt, moet bij een minimaal korte stuurpuls de volledige configuratie worden gecontroleerd.

Pen 12 (ST “+E-put”)

Pin 12 is een statusuitgang die de aanwezigheid van stroom (+18 V) aan het uitgangsgedeelte (stroom) van de driver bevestigt. Het wordt geassembleerd volgens een open collectorcircuit. Bij normale werking driver (de aanwezigheid van stroom en het voldoende niveau ervan), de statuspin is verbonden met de gemeenschappelijke pin van het stuurcircuit met behulp van een open transistor. Als deze statuspin is aangesloten volgens het diagram in figuur 11, komt een noodsituatie overeen met een hoog spanningsniveau erop (+5 V). Normale werking van de driver komt overeen met een laag spanningsniveau op deze statuspin. De typische waarde van de stroom die door de statuspin vloeit, komt overeen met 10 mA, daarom wordt de waarde van weerstand R berekend met behulp van de formule R = U / 0,01,

waarbij U de voedingsspanning is. Wanneer de voedingsspanning onder de 12 V daalt, wordt de vermogenstransistor uitgeschakeld en de driver geblokkeerd.

Pin 11 (Сз)

Op pen 11 is een extra condensator aangesloten, die de vertragingstijd tussen de ingangs- en uitgangspuls op de driver vergroot. Standaard (zonder extra condensator) is deze tijd precies 1 µs, waardoor de driver niet reageert op pulsen korter dan 1 µs (bescherming tegen impuls geluid). Het hoofddoel van deze vertraging is het voorkomen van doorgaande stromen die in halve bruggen ontstaan. Doorstromen veroorzaken verwarming van vermogenstransistors, activering van de noodbeveiliging, verhogen het stroomverbruik en verslechteren de efficiëntie van het circuit. Door deze vertraging te introduceren kunnen beide kanalen van een met een halve brug belaste driver worden aangestuurd door een enkel blokgolfsignaal.

Zo heeft de 2MBI 150 module bijvoorbeeld een uitschakelvertraging van 3 µs, om te voorkomen dat er doorstromen in de module ontstaan ​​wanneer gezamenlijk beheer kanalen moet u op beide kanalen een extra capaciteit van minimaal 1200 pF installeren.

Om de invloed van de omgevingstemperatuur op de vertragingstijd te verminderen, is het noodzakelijk condensatoren met een lage TKE te selecteren.

Pen 10 (ST)

Pen 10 is de statusuitgang van een alarm op de vermogenstransistor van het eerste kanaal. Hoog logisch niveau de uitvoer komt overeen met de normale werking van de driver, en laag niveau- ongeluk. Er doet zich een ongeluk voor wanneer de verzadigingsspanning op de vermogenstransistor het drempelniveau overschrijdt. De maximale stroom die door de uitgang vloeit is 8 mA.

Pen 9 (BLOK)

Pin 6 is de stuuringang van de driver. Wanneer er een logische wordt toegepast, wordt de werking van de driver geblokkeerd en wordt een blokkeerspanning aan de vermogenstransistors geleverd. De blokkerende ingang is gemeenschappelijk voor beide kanalen. Voor een normale werking van de driver moet op deze ingang een logische nul worden toegepast.

Pin 8 wordt niet gebruikt.

Pin 7 (+5 V) en 6 (gemeenschappelijk)

Pin 6 en 7 zijn ingangen voor het aansluiten van stroom op de driver. De stroom wordt geleverd door een bron met een vermogen van 8 W en een uitgangsspanning van 5 ± 0,5 V. De stroom moet met korte geleiders op de driver worden aangesloten (om verliezen te verminderen en de immuniteit tegen ruis te vergroten). Als de verbindingsgeleiders een lengte hebben van meer dan 25 cm, is het noodzakelijk om daartussen ruisonderdrukkende condensatoren te plaatsen, zo dicht mogelijk bij de driver (keramische condensator met een capaciteit van 0,1 μF).

Pen 15 (IR)

Pin 15 (meetcollector) is verbonden met de collector van de vermogenstransistor. Hierdoor wordt de spanning op de open transistor geregeld. Bij kortsluiting of overbelasting loopt de spanning over de open transistor sterk op. Wanneer de spanningsdrempel bij de transistorcollector wordt overschreden, wordt de vermogenstransistor uitgeschakeld en wordt de ST-alarmstatus geactiveerd. Tijddiagrammen van de processen die plaatsvinden in de bestuurder wanneer de beveiliging wordt geactiveerd, worden getoond in figuur 7. De drempelwaarde voor de beveiligingsreactie kan worden verlaagd door diodes in serie aan te sluiten, en de drempelwaarde van de verzadigingsspanning is U us. por.=7 –n U pr.VD, waarbij n het aantal diodes is, U pr.VD de spanningsval over de open diode. Als de vermogenstransistor wordt gevoed vanuit een bron van 1700 V, is het noodzakelijk om een ​​extra diode te installeren met een doorslagspanning van minimaal 1000 V. De kathode van de diode is verbonden met de collector van de vermogenstransistor. De beschermingsreactietijd kan worden aangepast via pin 16-IK1.

Pen 16 (IC1)

Pin 16 (meetcollector) heeft, in tegenstelling tot pin 15, geen ingebouwde diode en een begrenzingsweerstand. Het is noodzakelijk om een ​​condensator aan te sluiten, die de responstijd van de beveiliging bepaalt op basis van de verzadigingsspanning op een open transistor. Deze vertraging is nodig om te voorkomen dat interferentie het circuit beïnvloedt. Door een condensator aan te sluiten, neemt de beschermingsresponstijd toe in verhouding tot de blokkeercapaciteit t = 4 C U us. por., waarbij C de capaciteit van de condensator is, pF. Deze tijd wordt opgeteld bij de interne vertragingstijd toff van de bestuurder (10%) = 3 μs. Standaard bevat de driver een capaciteit C = 100 pF, daarom is de beveiligingsreactievertraging t = 4 100 6,3 + t uit (10%) = 5,5 μs. Indien nodig kan deze tijd worden verlengd door een capaciteit aan te sluiten tussen pin 16 en de gemeenschappelijke voedingsdraad van de voedingseenheid.

Pinnen 17 (uit. 2) en 18 (uit. 1)

Pin 17 en 18 zijn driveruitgangen. Ze zijn ontworpen om vermogenstransistors aan te sluiten en hun inschakeltijd aan te passen. Pen 17 (uit. 2) levert een positieve potentiaal (+18 V) aan de poort van de bestuurde module, en pen 18 (uit. 1) levert een negatieve potentiaal (–5 V). Als het nodig is om steile stuurflanken (ongeveer 1 μs) en een niet erg hoog belastingsvermogen (twee parallel geschakelde 2MBI 150-modules) te garanderen, is dit toegestaan directe verbinding deze uitgangen met de stuurpennen van de modules. Als je de randen moet aanspannen of de stuurstroom moet beperken (bij zware belasting), dan moeten de modules via begrenzingsweerstanden op pin 17 en 18 worden aangesloten.

Als de verzadigingsspanning het drempelniveau overschrijdt, vindt er een beschermende, vloeiende spanningsdaling plaats aan de poort van de stuurtransistor. Tijd om de spanning aan de transistorpoort te verlagen tot het niveau van 90%t uit (90%) = 0,5 μs, tot het niveau van 10%t uit (10%) = 3 μs. Een soepele afname van de uitgangsspanning is noodzakelijk om de mogelijkheid van een spanningsstoot te elimineren.

Pin 19 (–E voeding), 20 (gemeenschappelijk) en 21 (+E voeding)

Pinnen 19, 20 en 21 zijn de vermogensuitgangen van het aandrijfgedeelte. Deze pinnen ontvangen spanning van de DC/DC-converter van de driver. Als u drivers zoals MD215, MD250, MD280 zonder ingebouwde DC/DC-converters gebruikt, sluit u hier aan externe bronnen voeding: 19 pin –5 V, 20 pin - gemeenschappelijk, 21 pin +18 V voor stroom tot 0,2 A.

Berekening en selectie van stuurprogramma's

De initiële gegevens voor de berekening zijn de ingangscapaciteit van de module C in of de equivalente lading Q in, ingangsimpedantie module R-ingang, spanningsschommeling op de module-ingang U = 30 V (gegeven in referentie-informatie module), maximaal werkfrequentie, waarop de fmax-module draait.

Moet vinden impuls stroom stroomt door de stuuringang van de Imax-module, maximaal vermogen DC/DC-omzetter P.

Figuur 16 toont het equivalente circuit van de module-ingang, dat bestaat uit een poortcapaciteit en een begrenzingsweerstand.

Als de lading Qin is gespecificeerd in de brongegevens, moet deze opnieuw worden berekend naar de equivalente ingangscapaciteit Cin =Qin /DU.

Het reactieve vermogen dat is toegewezen aan de ingangscapaciteit van de module wordt berekend met de formule Рс =f Q input DU. Het totale vermogen van de DC/DC-omzetter P van de driver is de som van het vermogen dat wordt verbruikt door de uitgangstrap van de driver Рout , En reactief vermogen, toegewezen aan de ingangscapaciteit van de module Рс: Р =Р uit + Рс.

Bij de berekeningen werd uitgegaan van de bedrijfsfrequentie en de spanningszwaai aan de module-ingang als maximaal; daarom werd het maximaal mogelijke vermogen van de DC/DC-omzetter tijdens normale werking van de driver verkregen.

Als u de weerstand van de begrenzingsweerstand R kent, kunt u de pulsstroom door de driver vinden: I max =D U/R.

Op basis van de berekeningsresultaten kunt u de meest optimale driver selecteren die nodig is om de voedingsmodule aan te sturen.