СИЛОВІ IGBT і MOSFET ТРАНЗИСТОРИ
Вступ
Силовітранзистори IGBT і MOSFET стали основними елементами, вживаними в могутніхімпульсних перетворювачах. Їх унікальні статичні і динамічні характеристикидозволяють створювати пристрої, здатні віддати в навантаження десятки і навітьсотні кіловат при мінімальних габаритах і КПД, що перевищує 95 %.
Загальним у IGBTі MOSFET є ізольований затвор, внаслідок чого ці елементи мають схожіхарактеристики управління. Завдяки негативному температурному коефіцієнтуструму короткого замикання з'явилася Спроможність створювати транзистори,стійкі до короткого замикання. Зараз транзистори з нормованим часомперевантаження по струму випускаються практично всіма провідними фірмами.
Відсутністьструму управління в статичних режимах дозволяє відмовитися від схем управлінняна дискретних елементах і створити інтегральні схеми управління — драйвери. Вданий час ряд фірм, таких як International Rectifier, Hewlett-Packard,Motorola, випускає широку гамму пристроїв, що управляють одиночнимитранзисторами, напівмостами і мостами — двух- і трифазними. Окрім забезпеченняструму затвора, вони здатні виконувати і ряд допоміжних функцій, таких якзахист від перевантаження по струму і короткого замикання (OvercurrentProtection, Short Circuit Protection) і падіння напруги управління (UnderVoltage LockOut — UVLO). Для ключових елементів з управляючим затвором падіннянапруги управління є небезпечним станом. При цьому транзистор може перейти влінійний режим і вийти з ладу через перегрів кристала.
Користувачамбуває нелегко розібратися в широкій гаммі мікросхем, що випускаються зараз длявикористовування в силових схемах, не дивлячись на схожість їх основниххарактеристик. У даній статті розглядаються особливості використовуваннянайпопулярніших драйверів, що випускаються різними фірмами.
1.Особливості застосування драйверів MOSFET і IGBT
Основноюдопоміжною функцією драйверів є захист від перевантаження по струму. Длякращого розуміння роботи схеми захисту необхідно проаналізувати поведінкусилових транзисторів в режимі короткого замикання (або КЗ — звична длярозробників абревіатура).
Причинивиникнення струмових перевантажень різноманітні. Найчастіше це аварійнівипадки, такі як пробій на корпус або замикання навантаження.
Перевантаженняможе бути викликана і особливостями схеми, наприклад перехідним процесом абострумом зворотного відновлення діода оппозітного плеча. Такі перевантаженняповинні бути усунені методами схемотехнік: застосуванням ланцюгів формуваннятраєкторії, вибором резистора затвора, ізоляцією ланцюгів управління відсилових шин і ін.
Принципова схемаі епюри напруги, відповідні цьому режиму, приведені на рисунках 1 та 2. Всіграфіки одержані при аналізі схем за допомогою програми PSpice. Для аналізубули використані вдосконалені моделі транзисторів MOSFET фірми InternationalRectifier і макромоделі IGBT і драйверів.
/>
Рисунок 1. –Режими короткого замикання
Максимальнийструм в ланцюзі колектора транзистора обмежений напругою на затворі і крутизноютранзистора. Через наявність ємністі в ланцюзі живлення внутрішній опір джерелаживлення не впливає на струм КЗ. У момент включення струм в транзисторінаростає плавно через паразитну індуктивність LS в ланцюзі колектора. З цієї жпричини напруга має провал (нижній графік). Після закінчення перехідногопроцесу до транзистора прикладена повна напруга живлення, що приводить дорозсіяння величезної потужності в кристалі. Режим КЗ необхідно перервати черездеякий час, необхідне для виключення помилкового спрацьовування. Цей часзвичайно складає 1–10 мкс. Природно, що транзистор повинен витримуватиперевантаження протягом цього часу.
/>
Рисунок 2. – Короткезамикання навантаження для включеного транзистора
Принципова схемаі епюри напруги, відповідні цьому режиму, приведені на рисунку 2. Як видно зграфіків, процеси в цьому випадку відбуваються трохи інакше. Струм, як і упопередньому випадку, обмежений параметрами транзистора, наростає з швидкістю,визначуваною паразитною індуктивністю Ls (середній графік на рисунку 3). Перш ніжструм досягне сталого значення, починається зростання напруги Vce (нижнійграфік). Напруга на затворі зростає за рахунок ефекту Міллера (верхній графік).Відповідно зростає і струм колектора, який може перевищити стале значення. Уцьому режимі окрім відключення транзистора необхідно передбачити і обмеженнянапруги на затворі.
/>
Рисунок 3.
Як буловідмічено, стале значення струму КЗ визначається напругою на затворі. Протезменшення цієї напруги приводить до підвищення напруги насичення і, отже, дозбільшення втрат провідності. Стійкість до КЗ тісно пов'язана і з крутизноютранзистора. Транзистори IGBT з високим коефіцієнтом посилення по струму маютьнизьку напругу насичення, але невеликий допустимий час перевантаження. Якправило, транзистори, найстійкіші до КЗ, мають високу напругу насичення і,отже, високі втрати.
Допустимий струмКЗ у IGBT набагато вищий, ніж у біполярного транзистора. Звичайно він рівний10-кратному номінальному струму при допустимих напругах на затворі. Провідніфірми, такі як International Rectifier, Siemens, Fuji, випускають транзистори,що витримують без пошкодження подібні перевантаження. Цей параметр обмовляєтьсяв довідкових даних на транзистори і називається Short Circuit Ration, адопустимий час перевантаження — tsc — Short Circuit Withstand Time.
Швидка реакціясхеми захисту взагалі корисна для більшості застосувань. Використовування такихсхем в поєднанні з високо економічними IGBT підвищують ефективність роботисхеми без зниження надійності.
2.Застосування драйверів для захисту від перевантажень
Розглянемо методивідключення транзисторів в режимі перевантаження на прикладі драйверіввиробництва фірм International Rectifier, Motorola і Hewlett-Packard, оскількиці мікросхеми дозволяють реалізувати функції захисту якнайповніші.
/>
Рисунок 4. –Структура драйвера IR2125
На рисунку 4приведена структурна схема, а на рисунку 5 — типова схема підключення драйвераIR2125 з використанням функції захисту від перевантаження. Для цієї метивикористовується висновок 6 — CS. Напруга спрацьовування захисту — 230 мВ. Длявимірювання струму в емітері встановлений резистор RSENSE, номінал якого ідільника R1, R4 визначають струм захисту.
/>
Рисунок 5. –Схема включення IR2125
Як було вказановище, якщо при появі перевантаження зменшити напругу на затворі, періодрозпізнавання аварійного режиму може бути збільшений. Це необхідно длявиключення помилкових спрацьовувань. Дана функція реалізована в мікросхеміIR2125. Конденсатор С1, підключений до висновку ERR, визначає час аналізу стануперевантаження. При С1 = 300 пФ час аналізу складає близько 10 мкс (це часзаряду конденсатора до напруги 1,8 В — порогової напруги компаратора схеми ERRORTIMING драйвера). На цей час включається схема стабілізації струму колектора, інапруга на затворі знижується. Якщо стан перевантаження не припиняється, точерез 10 мкс транзистор відключається повністю.
Відключеннязахисту відбувається при знятті вхідного сигналу, що дозволяє користувачуорганізувати схему тригера захисту. При її використовуванні особлива увагаслідує приділити вибору часу повторного включення, яке повинне бути більшетеплової постійної часу кристала силового транзистора. Теплова постійна часуможе бути визначена по графіку теплового імпедансу Zthjc для одиночнихімпульсів.
Описаний спосібвключення транзистора має свої недоліки. Резистор RSENSE повинен бути достатньомогутнім і мати над малу індуктивність. Виті могутні резистори, що серійновипускаються, звичайно мають неприпустимо високу паразитну індуктивність.Спеціально для прецизійного вимірювання імпульсних струмів фірма CADDOCK випускаєрезистори в корпусах ТЕ-220 і ТЕ-247. Крім того, вимірювальний резистор створюєдодаткові втрати потужності, що знижує ефективність схеми. На рисунку 6приведена схема, вільна від вказаних недоліків. У ній для аналізу ситуаціїперевантаження використовується залежність напруги насичення від струмуколектора. Для MOSFET транзисторів ця залежність практично лінійна, оскількиопір відкритого каналу мало залежить від струму стоку. У IGBT графік Von =f(Ic) нелінійний, проте точність його цілком достатня для вибору напруги,відповідної струму вимагається захисту.
/>
Рисунок 6 – Доаналізу перевантаження
Для аналізу стануперевантаження по напрузі насичення вимірювальний резистор не потрібний. Приподачі позитивного управляючого сигналу на затвор на вході захисту драйвера SCз'являється напруга, визначувана сумою падіння напруги на відкритому діоді VD2і на відкритому силовому транзисторі Q1 і дільником R1, R4, який задає струмспрацьовування. Падіння напруги на діоді практично незмінне і складає близько0,5 В. Напруга відкритих транзисторів при вибраному струмі короткого замиканнявизначається з графіка Von = f(Ic). Діод VD4, як і VD1, повинен бутишвидкодійним і високовольтним.
Окрім захисту відперевантаження по струму драйвер аналізує напругу живлення вхідної частини VССі вихідного каскаду VB, відключаючи транзистор при падінні VB нижче 9 В, щонеобхідне для запобігання лінійному режиму роботи транзистора. Така ситуаціяможе виникнути як при пошкодженні низьковольтного джерела живлення, так і принеправильному виборі ємністі С2. Величина останньої повинна обчислюватисявиходячи із значень заряду затвора, струму затвора і частоти проходженняімпульсів. Для розрахунку значення бутстрепної ємності Cb в документації фірмиInternational Rectifier рекомендуються наступні формули:
Cb = 15*2*(2*Qg +Igbs/f + It)/(Vcc – Vf – Vls),
It = (Ion +Ioff)*tw.
де
Ion і Ioff —струми включення і виключення затвора,
tw = Qg/Ion — часкомутації,
Qg — зарядзатвора,
f — частотапроходження імпульсів,
Vcc — напругаживлення,
Vf — прямепадіння напруги на діоді зарядного насоса (VD1 на рисунку 10.6),
Vls — прямепадіння напруги на іншому діоді (VD3 на рисунку 10.6),
Igbs — струмзатвора в статичному режимі.
При неможливостіживлення драйвера від бутстрепної ємності необхідно використовувати «плаваюче»джерело живлення.
3.Драйвер трьохфазного моста
На рисунку 7приведена схема підключення драйвера трьохфазного моста IR213* з використаннямфункції захисту від перевантаження. Для цієї мети використовується вхід ITR.Напруга спрацьовування захисту — 500 мВ. Для вимірювання повного струму моста вемітерах встановлений резистор RSENSE, номінал якого разом з дільником R2, R3визначає струм захисту.
/>
Рисунок 7. –Схема включення IR2130
Драйвер IR2130забезпечує управління MOSFET і IGBT транзисторами при напрузі до 600 В, маєзахист від перевантаження по струму і від зниження живлячих напруг. Схемазахисту містить польовий транзистор з відкритим стоком для індикаціїнесправності (FAULT). Він також має вбудований підсилювач струму навантаження,що дозволяє виробляти контрольні сигнали і сигнали зворотного зв'язку. Драйверформує час затримки (tdt — deadtime) між включенням транзисторів верхнього інижнього плеча для виключення крізних струмів. Цей час складає від 0,2 до 2 мксдля різних модифікацій.
Для правильноговикористовування вказаної мікросхеми і створення на її основі надійних схемтреба враховувати декілька нюансів.
Особливістюдрайверів IR213* є відсутність функції обмеження напруги на затворі при КЗ. Зцієї причини постійна часу ланцюжка R1C1, призначеного для затримки включеннязахисту, не повинна перевищувати 1 мкс. Розробник повинен знати, що відключеннямоста відбудеться через 1 мкс після виникнення КЗ, внаслідок чого струм(особливо при активному навантаженні) може перевищити розрахункове значення.Для скидання захисту необхідно відключити живлення драйвера або подати на входинижнього рівня замикаючу напругу (високого рівня). Відзначимо також, що середмікросхем даної серії є драйвер IR2137, в якому передбачений захист по напрузінасичення верхніх транзисторів і формується необхідний час затримкиспрацьовування цього захисту. Такий захист дуже важливий для драйверів, щоуправляють трифазними мостовими схемами, оскільки при виникненні пробою накорпус струм КЗ тече, минувши вимірювальний резистор RSENSE. У цій мікросхеміпередбачене роздільне підключення резисторів затвора для включення, відключенняі аварійного виключення, що дозволяє реалізувати якнайповніші всі динамічніособливості транзисторів з ізольованим затвором.
Струмвключення/виключення для IR213* складає 200/420 мА (120/250 мА для IR2136). Ценеобхідне враховувати при виборі силових транзисторів і резисторів затвора дляних. У параметрах на транзистор указується величина заряду затвора (звично внК), яка визначає при даному струмі час включення/виключення транзистора.Тривалість перехідних процесів, пов'язаних з перемиканням, повинна бути меншечасу затримки tdt, формованого драйвером. Застосування могутніх транзисторівможе також привести до помилкового відкриття і виникнення крізного струму черезефект Міллера. Зменшення резистора затвора або використовування резисторівзатвора, роздільних для процесів включення і виключення, не завжди вирішуєпроблему унаслідок недостатнього струму виключення самого драйвера. В цьомувипадку необхідне використовування буферних підсилювачів.
Перевагоюмікросхем виробництва International Rectifier є те, що ці пристрої здатнівитримувати високі перепади напруги між вхідною і вихідною частиною. Длядрайверів серії IR21** ця напруга складає 500–600 В, що дозволяє управлятитранзисторами в напівмостових і мостових схемах при живленні від випрямленоїпромислової напруги 220 В без гальванічної розв'язки. Для управліннятранзисторами в схемах, розрахованих на живлення від випрямленої напруги 380 В,International Rectifier випускає драйвери серії IR22**. Ці мікросхеми працюютьпри напрузі вихідної частини до 1200 В. Все драйвери International Rectifierвитримують фронти наведеної напруги до 50 В/нс. Цей параметр називається dv/dtimmune. Він свідчить про високу стійкість до режиму защипування, якийпредставляє виняткову небезпеку для імпульсних високовольтних схем.
4.Драйвер нижнього плеча
Для управліннятранзисторами нижнього плеча хорошу альтернативу представляють мікросхеми, щовипускаються фірмою Motorola. Структурна схема однієї з них — МС33153 приведенана рисунку 8.
/>
Рисунок 8. –Структурна схема MC33153
Особливістюданого драйвера є Спроможність використовування двох способів захисту (поструму і напрузі насичення) і розділення режиму перевантаження і режимукороткого замикання. Передбачена також Спроможність подачі негативної напругиуправління, що може бути дуже корисне для управління могутніми модулями звеликими значеннями заряду затвора. Відключення при падінні напруги управління— UVLO здійснюється на рівні 11 В.
Вивід 1 (CurrentSense Input) призначений для підключення струмкового вимірювального резистора.У мікросхемі цей висновок є входом двох компараторів — з напругоюспрацьовування 65 і 130 мВ. Таким чином, в драйвері аналізується станперевантаження і короткого замикання. При перевантаженні спрацьовує першийкомпаратор (Overcurrent Comparator) і відключає сигнал управління затвором.Скидання захисту проводиться при подачі замикаючого сигналу (високого рівня,оскільки вхід Input — інвертовано). При цьому сигнал несправності на вихід (FaultOutput) не подається. Якщо струм перевищує заданий в два рази, це розцінюєтьсяяк КЗ. При цьому перекидається другий компаратор (Short Circuit Comparator), іна контрольному виході з'являється сигнал високого рівня. По цьому сигналуконтролер, що управляє роботою схеми, повинен проведе відключення всієї схеми.Час повторного включення повинен визначатися, як було сказано вище, тепловоїпостійної часу силових транзисторів.
Вивід 8 (DesaturationInput) призначений для реалізації захисту по напрузі насичення. Напругаспрацьовування по цьому входу — 6,5 В. Етот же вхід призначено для підключенняконденсатора Cblank, що формує час затримки спрацьовування захисту. Таказатримка необхідна, оскільки після подачі напруги, яка відмикає затвор натранзисторі на якийсь час, поки йде відновлення протилежного діода,підтримується висока напруга.
/>
Рисунок 9. –Захист по напрузі насичення
На рисунках 10 і11 показані схеми підключення МС33153 з використанням захисту по напрузінасичення і струму колектора. У обох схемах використані оптопари для розв'язкисигналу управління і сигналу помилки. У схемі на рисунку 11 показанийтранзистор IGBT із спеціальним струмковим виходом. Як правило, IGBT не маютьтакого висновку, і вимірювальний резистор встановлюється безпосередньо всиловий ланцюг емітера. При цьому необхідно врахувати, що цей резистор повиненмати мінімальну паразитну індуктивність, а номінал його повинен бути вибраний зурахуванням необхідного струму спрацьовування захисту. Іноді як датчик струмудоцільно застосувати відрізок високоомного дроту, наприклад манганінового абоніхромового. Зверніть увагу, що поріг спрацьовування схем захисту мікросхемMotorola нижчий, ніж International Rectifier, що дозволяє використати меншівимірювальні резистори і понизити втрати потужності на них. Проте в цьомувипадку пред'являються підвищені вимоги до перешкодозахисної.
/>
Рисунок 10. –Захист по струму
Драйвер згальванічною розв'язкою
Гальванічнарозв'язка буває необхідна в схемах, де могутній силовий каскад харчується відмережевої напруги, а сигнали управління виробляються контролером, зв'язаним пошинах з різними периферійними пристроями. Ізоляція силової частини і схемиуправління в таких випадках знижує комутаційні перешкоди і дозволяє векстремальних випадках захистити низьковольтні схеми.
/>
Рисунок 11. –Структурна схема HCPL316