20 березня 2008

Напрямки розробки 5-го покоління інтегральних драйверів IR для електроприводу

Оскільки сучасні розробки масового електроприводу для промислових додатків і побутової техніки орієнтовані в основному на застосування трифазних асинхронних електродвигунів і безконтактних двигунів постійного струму, компанія International Rectifier приділяє велику увагу вдосконаленню відповідної елементної бази, в тому числі високовольтних мікросхем драйверів МОП-затворів. ІС трифазних драйверів є найбільш перспективним технічним рішенням для управління інверторами приводів потужністю до декількох кіловат. Вони дозволяють інтегрувати на одному кристалі необхідний набір функцій управління і захисту силової електроніки, створювати найбільш просту, компактну і стабільну схему управління, не вимагають складних схем живлення, володіють високою швидкодією. Зростання вимог до силовій електроніці масового приводу, перш за все за ціною, компактності, ККД, надійності, відбивається і на вимогах до драйверів. Технологія драйверів 5-го покоління була розроблена компанією IR спеціально для того, щоб мати можливість задовольняти ці зростаючі вимоги на тривалу перспективу. Ця технологія дозволяє підвищити рівень інтеграції функціональних можливостей при збереженні площі кристала і ціни.

У нових розробках драйверів IR для електроприводу потужністю до декількох кіловат можна виділити два основних напрямки.

Перше має на меті створення максимально компактних ІС з мінімальною ціною при обмеженому зростанні функціональних можливостей. Ці ІС призначені для заміни ІС попереднього покоління при модернізації електроніки приводу, з метою зниження ціни і спрощення схемотехніки.

Друге направлено на розробку ІС для приводу нового покоління з істотно більш високою ефективністю, широким набором функціональних можливостей при збереженні рівнів ціни і складності схемотехніки.

В рамках цих напрямів IR вже приступила до серійного виробництва декількох нових сімейств драйверів.

Трифазні драйвери для модернізації серійної продукції

Першим з нових сімейств цього напрямку є серія IRS2336Dx, яка повинна замінити популярну серію IR2136x попереднього покоління.

Загальна характеристика серії

У сімейство входять 600-вольт драйвери IRS 2336D і IRS 23364D. Діапазон вихідних напруг першого дорівнює 10 ... 20 В (призначений для керування силовими МОП-транзисторами), другого 12 ... 20 В (призначений для управління IGBT). Драйвери випускаються в 28-вивідних корпусах DIP, SOIC і 44-вивідному PLCC в безсвинцевої виконанні. Температурний діапазон експлуатації мікросхем від -40 до 125 ° С, зберігання - від -55 до 150 ° С. Вироби цієї серії відносяться до класу ІС для індустріальних додатків за стандартом JEDEC JESD 47-E. Мікросхеми в корпусах для поверхневого монтажу відповідають вимогам стійкості до впливу вологості рівня MSL-3 по JEDEC J-STD-020C. Схема включення цих мікросхем представлена ​​на рис. 1.

Рис. 1. Схема включення ІС серії IRS2336xD

Вона багато в чому схожа зі схемою для драйверів серії IR2136x, відсутній лише ланцюг бутстрепного ультрашвидкий діода.

Для спрощення переходу зі старих ІС серії IR2136x на нові збережено розташування і призначення висновків. ІС має 6 входів управління ключами інвертора (HIN-верхніми, LIN-нижніми), сумісних з КМОП- і ТТЛ-логікою будь-якого рівня (включаючи 3,3 В), що дозволяє реалізувати управління драйвером безпосередньо від мікроконтролера. Виходи управління ключами інвертора (HO-верхні, LO-нижні) синфазних зі входами HIN, LIN у драйвера IRS23364D і знаходяться в протифазі у IRS2336D.

Типовий рівень вихідних струмів драйверів нової серії (висновки HO, LO мікросхеми) становить 180 мА і 330 мА (впадає / витікаючий струм затвора). Графіки з довідкових листів драйверів серії IRS2336xD (рис. 2) допоможуть підібрати частоту перемикання драйверів при відомих величиною заряду затвора ключів інвертора і напрузі шини постійного струму.

Рис. 2. Залежність максимальної частоти перемикання драйвера від заряду затвора транзистора і напруги шини постійного струму

Вхід En (Enable) призначений для дистанційного керування драйвером. Дозвіл на роботу драйвера дається при високому логічному рівні на вході, заборона при низькому (рівень 0,8 В). Вхідний фільтр ІС на цьому вході усуває можливість спрацьовування від помилкових імпульсів тривалістю до 200 нс.

Інтегрований бутстрепний контур

У нових драйверах роль бутстрепного діода виконують BootFET - бутстрепние МОП-транзистори, інтегровані в кристал ІС, що в багатьох випадках виключає необхідність застосування зовнішніх бутстрепних ультрашвидких діодів і резисторів. Три бутстрепних транзистора під'єднані до входу живлення Vcc і до виходів Vв1, Vв2, Vв3 джерел живлення з плаваючим рівнем, як показано на рис. 3.

Рис. 3. Підключення BootFET в ІС IRS2336xD

Інтегральні BootFET включені тільки при високому рівні виходів LO поточних верхніх ключами інвертора (рис. 4).

Рис. 4. Графік стану BootFET

Напруга Vвs на конденсаторі між виходами B і S циклічно підвищується в залежності від часу перебування виходу LO на низькому рівні, ємності конденсатора, напруги витік-стік (колектор-емітер) і падіння напруги на антипаралельними діод інвертора. Тимчасові діаграми бустрепних транзисторів приблизно повторюють стан виходів LO. BootFET знаходяться в провідному стані при високому рівні виходу LO і коли Vвs не перевищує напруга живлення мікросхеми Vcc (рівне 15 В) більш ніж на 10%.

Інтегральні бутстрепние транзистори здатні замінити зовнішні бутстрепние діоди в більшості практичних застосувань. Обмеження в їх застосуванні можуть бути пов'язані або зі специфічною схемотехнікою (наприклад, при реалізації схем 6-крокової модуляції) або з більш низьким, ніж у ультрашвидких діодів, швидкодією (в типових бутстрених ланцюгах зазвичай застосовують діоди з часом зворотного відновлення 100 нс). У цих випадках завдання може бути вирішена доповненням схеми включення звичайної бутстрепной ланцюгом з ультрашвидкий діодом.

Підвищена стійкість до перешкод

З метою забезпечення високої завадостійкості в драйверах нової серії збережено поділ сигнальної і силовий землі, як це раніше було зроблено в серії IR2136x. Вихід сигнальної землі Vss використовується в схемах захисту від перевантаження по струму і формування управління на входах HIN, LIN. Вихід силовий землі COM спільно з виходами LO застосовується при формуванні поточних верхніх ключами інвертора. Крім цього в нових драйверах застосовуються вдосконалені вхідні фільтри. Відмінність в логіці роботи такого фільтру ілюструє рис. 5.

Рис. 5. Логіка роботи звичайного і вдосконаленого вхідних фільтрів

Вхідний фільтр зі звичайною логікою роботи бланкіруючими поява високого рівня на виході на час фільтрації tFIL, IN, і тривалість вихідного імпульсу по відношенню до вхідного зменшується на час фільтрації (пунктирна лінія на рис. 5). У вдосконаленому фільтрі вихідний сигнал також з'являється з затримкою tFIL, IN, але тривалість вихідного імпульсу збігається з тривалістю вхідного (суцільна лінія). Це дозволяє ефективно усувати спрацювання схеми як від позитивних, так і негативних імпульсних перешкод тривалістю менш tFIL, IN. При більш довгих вхідних імпульсах тривалість вхідних та вихідних імпульсів збігається з досить високою точністю (рис. 6).

Рис. 6. Тривалість імпульсу на виході вдосконаленого вхідного фільтра

У драйверах серії IRS2336xD вдосконалені вхідні фільтри встановлені на входах HIN, LIN управління інвертором (час фільтрації 350 нс) і на вході EN (200 нс).

Забезпечення надійного управління ключами інвертора

Тимчасові затримки між сигналами управління на вході і вихідними сигналами змінюються в діапазоні 400 ... 750 нс, а часи наростання і спаду на виході - в діапазонах 110 ... 190 нс і 35 ... 75 нс відповідно. У трифазних драйвери передбачено кілька ступенів функціональної захисту для запобігання одночасного включення транзисторів інвертора і виникнення наскрізних струмів.

Спеціальна логічна схема встановлює низький рівень на виходах управління затворами верхнього і нижнього ключів при одночасному появі високого логічного рівня на входах управління, тим самим блокуючи роботу драйвера.

У динамічному режимі роботи драйвера розкид часів затримки між вхідним і вихідним сигналами і фронтів вихідних сигналів каналів драйвера може привести до перекриття вихідних сигналів і небажаного спрацьовування ключів інвертора. Для запобігання цьому в схемі драйвера передбачений логічний вузол, який забезпечує однаковий час спрацьовування верхнього і нижнього каналів драйвера, керуючих стійкою інвертора. Максимальна різниця часів спрацьовування становить 50 нс (параметр МТ довідкового листа). Крім цього усувається різниця в часах спрацьовування як між нижніми, так і між верхніми ключами.

Для запобігання наскрізних струмів інвертора в драйверах передбачений вузол формування фіксованої паузи на перемикання. Номінальна тривалість паузи 300 нс (діапазон 190 ... 420 нс). Схема формування пауз забезпечує для каналів управління верхнім і нижнім ключем розкид тривалості пауз не більше 60 нс. Це саме можна сказати і до розкиду тривалості пауз між схемами управління всіма трьома стійками інвертора.

Висока стійкість до негативного зсуву на виході

Напруга на виходах трифазного інвертора (середні точки стійок) при ідеальних умовах роботи змінюється від нуля (шина нульового потенціалу) до напруги шини постійного струму. На середній точці стійки Vs може за короткий час виникнути значний негативний зсув, яке буде передано на вихід драйвера. Причиною цього може бути наявність індуктивного навантаження, паразитні індуктивності в стійках інвертора, комутація великих струмів протягом коротких проміжків часу. Така ситуація може відбуватися як в робочому режимі, так і в режимі короткого замикання, вимикання при перевантаженні по струму і т.д. Драйвери нової серії здатні успішно протистояти таким впливам. Графік на рис. 7 ілюструє можливість роботи драйверів серії IRS2336xD при ударних негативних зсувах напруги до мінус 60 В.

Рис. 7. Стійкість до негативного зсуву на виході (середній точці стійки) в залежності від часу

З огляду на це драйвери нової серії є набагато більш надійними силовими ІС для управління інверторами приводів в реальних умовах експлуатації.

функції захисту

У нових ІС збережені функції захисту, реалізовані раніше в ІС серії IR2136x.

Висновок FAULT призначений для передачі інформації про аварійну ситуацію за час роботи таймера, програмованого зовнішньої ланцюгом RRCIN, CRCIN. Номінал резистора може бути обраний в діапазоні від 0,5 до 2 Мом, керамічний конденсатор може мати ємність до 1 нФ. Робота драйвера блокується в двох випадках - при низькій напрузі харчування (рівень 8,9 ... 8,2 В) і при наявності високого рівня на вході ITRIP.

Малюнок 8 ілюструє другу з цих ситуацій. При високому рівні сигналу на виводі ITRIP напруга на висновках VRCIN і VFAULT знижується до рівня на виводі Vss (сигнальна земля).

Рис. 8. Тимчасові діаграми роботи таймера і виходу FAULT

Коли рівень сигналу на виводі ITRIP стає низьким, запускається таймер, який через деякий час tFLTCLR (визначається постійної часу RС-ланцюга) виробляє скидання входу FAULT, рівень сигналу на якому знову стає високим.

Вхід ITRIP може бути використаний для виявлення перевантаження по струму в шині нульового потенціалу інвертора. В цьому випадку виходи ІС переводяться на низький рівень і видається сигнал аварійної ситуації по виходу FAULT. Номінали дільника R0, R1, R2 (рис. 9) визначаються виходячи з граничного рівня 0,46 В на вході ITRIP і рівня струму спрацьовування захисту.

Рис. 9. Схема виявлення перевантаження по току

Аналогічним чином може бути забезпечений захист від перегріву. Параметри термистора Rt і резисторів R3, R4 повинні бути обрані таким чином, щоб порогове напруга 0,46 В була досягнута при максимально допустимій температурі. Малюнок 9 показує, як забезпечити одночасну реалізацію цих можливостей за допомогою розв'язують діодів.

(Далі буде)

література

1. Data sheet IR2136x

2. Data sheet IRS2336xD.

Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка -
e-mail: [email protected]

Силовий мініблок для сільноточних POL-конверторів

Компанія International Rectifier анонсувала iP1206 - нове технічне рішення для реалізації понижуючих синхронних конверторів, що застосовуються при харчуванні телекомунікаційного і мережевого устаткування. Мікросхема є новітнім доповненням в сімействі iPOWIRTM силових мініблоков, що містять всі пасивні компоненти і напівпровідникові прилади для реалізації силової частини синхронних перетворювачів. На базі iP1206 можна реалізувати однофазний конвертор з вихідним струмом до 30 А і двофазний конвертор з двома незалежними виходами на струми по 15 А. Обидві опції засновані на протифазної роботі каналів з метою зниження пульсацій вхідної напруги і струму. Для досягнення високої об'ємної щільності в iP1206 застосовані повноцінний ШІМ-контролер і оптимізований силовий каскад на сучасних напівпровідникових приладах.

Оскільки нова мікросхема містить всі важливі з точки зору якості перетворення напівпровідникові і пасивні компоненти, то для створення високоякісного перетворювача потрібно додатково всього кілька пасивних потужних компонентів. При цьому істотно знижуються вимоги до кваліфікації розробника і друкованої плати. Особливостями iP1206PBF є постійна частота ШІМ 600 кГц в каналах, обмеження струму без втрат, захист від перенапруги і перегріву, режим старту зі зміщенням, трекінг вихідної напруги.

Діапазон вхідних напруг становить 7,5 ... 14,5 В, вихідних 0,8 ... 5,5 В. Мікросхема випускається в корпусі LGA. Для спрощення освоєння застосування iP1206 компанія пропонує демонстраційний перетворювач IRDCiP1206-B 2х15А і онлайн-моделювання роботи перетворювача iP1206 Spice circuit simulation.

•••