Драйвер нижнего плеча с улучшенной защитой от коротких замыканий

Монтаж и параллельная работа драйверов AgileSwitch

К достоинствам драйверов серий EDEM2, PPEM и HPFM-HPM следует отнести возможность непосредственного монтажа на IGBT-модуль. При этом каждый из драйверов разработан специально для конкретного типа корпуса: EDEM2 для IGBT-модулей EconoDual, PPEM для модулей PrimePACK, HPFM-HPM для модулей HPM/IHM/HiPack.

В плате каждого из драйверов предусмотрены монтажные отверстия, предназначенные для выводов IGBT-модулей (рис. 4). Это дает сразу несколько преимуществ: уменьшение длины цепи затвора силового ключа, упрощение монтажа всей системы в целом и снижение габаритов.

Рис. 4. Драйверы устанавливаются непосредственно на силовые IGBT-модули (изображение модуля EconoDual взято с сайта www.infineon.com)

Такой подход позволяет использовать драйверы AgileSwitch с широкой номенклатурой IGBT-модулей от различных производителей: Fuji, Infineon, Ixys, Danfoss, Semikron, Mitsubishi/Powerex, Starpower и других. В качестве конкретного примера совместимости можно привести IGBT-модули с рейтингом напряжения 1,2–3,3 кВ от компании Dynex (табл. 2).

При этом компания AgileSwitch производит настройку параметров драйверов по требованию заказчика под конкретный силовой модуль. Более подробно об этом рассказывается в заключительном разделе статьи.

Одно из важных преимуществ драйверов AgileSwitch — возможность параллельного включения нескольких силовых модулей, причем рассогласование времени включения минимально и находится в диапазоне 10 нс. Для связи параллельных драйверов используются дополнительные разъемы (рис. 4).

Номенклатура микросхем EiceDRIVER и характеристики

Семейство EiceDRIVER делится на четыре условных сегмента (рис. 1):

• EiceDRIVER Enhanced — драйверы в микросхемном исполнении с функциональным или базовым уровнем изоляции до 1200 В. Гальваническое разделение на основе интегрированного в полупроводниковый кристалл тонкопленочного трансформатора без сердечника (Coreless Transformer). Область применения — промышленные приводы, источники питания, коммерческие и сельскохозяйственные машины. Основные характеристики приведены в таблице 2. В эту же подгруппу включены новые драйверы для управления карбид-кремниевым (SiC) транзистором JFET CoolSiC.
• EiceDRIVER Compact — новое (2013 г.) семейство драйверов IGBT/MOSFET в корпусах DSO-8 и DSO-14, выпускаемых по технологии «кремний-на-изоляторе» с функциональным уровнем изоляции 600 В. Области применения — бытовая техника и другие бюджетные применения. Основные характеристики сведены в таблицы 3 и 4.
• EiceDRIVER Safe — два типа полумостовых (двухканальных) драйверов в модульном исполнении (на печатной плате) с усиленной изоляцией до 1700 В, с расширенными функциональными возможностями, встроенными защитными функциями и повышенными характеристиками по току (30 А) для промышленных приложений (–40…+85 °C) на основе IGBT-модулей. Обозначение драйвера 2ED300C17-ST (табл. 2). Для использования этого драйвера с определенным IGBT-модулем потребуется еще плата-адаптер, на которой устанавливаются специфические для каждого модуля резисторы затвора, ограничительные диоды, бустерные схемы при необходимости и т. п.
• EiceDRIVER Automotive — специализированное семейство драйверов микросхемного исполнения для автомобильных IGBT-модулей HybridPack, производимых IT. Новое поколение включает в себя набор из двух микросхем: 1EDI2001AS — собственно драйвера и 1EBN1001AE — усилителя мощности на ток до 15 А. Диапазон рабочих температур –40…+125 °C, базовая изоляция .

Конструкция и принцип работы силовых транзисторов

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или биполярный силовой транзистор с изолированным затвором – элемент из двух транзисторов в общей полупроводниковой структуре, устроенный по каскадной схеме. Биполярный транзистор образует силовой канал, полевой – канал управления. Объединение полупроводниковых элементов реализовано структурой элементных ячеек в одном кристалле.

Упрощенная эквивалентная схема биполярных транзисторов с изолированным затвором представлена на рисунке:

IGBT – приборы появились после того, как были выявлены недостатки MOSFET транзисторов в высоковольтных схемах: квадратичная зависимость сопротивления канала от напряжения.

Полупроводниковые приборы IGBT сочетают достоинства силовых биполярных и полевых транзисторов с изолированным затвором:

• Небольшая мощность управления.
• Высокая скорость переключения.
• Маленькие потери при открытом транзисторе.
• Высокое номинальное напряжение силового канала.

Сопротивление канала IGBT-элементов растет пропорционально току, зависимость потерь от величины тока не квадратичная, как у транзисторов MOSFET. Быстродействие силовых элементов с изолированным затвором превосходит скорость коммутации биполярных транзисторов, но уступает элементам MOSFET.

Структура IGBT представлена на рисунке. В области стока нанесен еще один дополнительный p+-слой, который образует биполярный транзистор.

При закрытом ключе, напряжение приложено к n–-слою. При подаче на изолированный затвор управляющего напряжения, область р образует открытый канал, включая полевой транзистор, который в свою очередь отпирает биполярный p-n-p элемент. Между внешним коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока полевой ячейки усиливается. При открытой биполярной ячейке, остаточное напряжение в n–-области падает еще благодаря потокам электронов и дырок.

Напряжение на включенном транзисторе определяется из выражения:

Где Uбэ – напряжение база-эмиттер открытого ключа, Rпол – сопротивление полевой ячейки, Iб – ток базы, Iк – ток коллектора, B – коэффициент передачи тока биполярной ячейки. Для снижения падения напряжения на открытых IGBT приборах применяют вертикальные затворы. Площадь ячейки транзистора уменьшают в 2-5 раз.

Падение напряжения на открытом IGBT зависит от температуры гораздо меньше аналогичного параметра MOSFET-транзисторов. На рисунке приведен график падения напряжения в функции температуры для 2 IGBT транзисторов и одного полевого прибора.

Как и биполярные транзисторы, IGBT способны накапливать заряд, который является причиной остаточного тока и нагрева прибора при запирании. Между электродами и переходами полевой и биполярной элементной ячейки образуются паразитные емкости. Время рассасывания заряда для IGBT прибора составляет всего 0,2-1,5 мкс, при коммутации с частотой 10-20 кГц для надежной работы транзисторов не нужно включать в схему дополнительные цепи.

Потери в транзисторах

Различают 3 типа потерь мощности на транзисторах: статические, динамические, в цепи управления.

Первые обусловлены токами утечки в запертом состоянии, сопротивлением полупроводникового кристалла. Статические потери рассчитывают по формуле:

где U(0) – падение напряжения, Iср и Irms – средний и среднеквадратичный ток соответственно.

Динамические потери возникают при открывании и запирании транзистора. Они определяются по графику и зависят от частоты коммутаций, температуры, напряжения на коллекторе, тока в момент переключения.

Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь.

В области частот 10-20 кГц потери мощности на IGBT-транзисторах малы и не вызывают сильного нагрева, который приводит к тепловому пробою.

Н-мост и схема работы для управления двигателями

В различных электронных схемах часто возникает необходимость менять полярность напряжения, прикладываемого к нагрузке, в процессе работы. Схемотехника таких устройств реализуется с помощью ключевых элементов. Ключи могут быть выполнены на переключателях, электромагнитных реле или полупроводниковых приборах. Н-мост на транзисторах позволяет с помощью управляющих сигналов переключать полярность напряжения поступающего на исполнительное устройство.

Что такое Н-мост

В различных электронных игрушках, некоторых бытовых приборах и робототехнике используются коллекторные электродвигатели постоянного тока, а также двухполярные шаговые двигатели. Часто для выполнения какого-либо алгоритма нужно с помощью электрического сигнала быстро поменять полярность питающего напряжения с тем, чтобы двигатель технического устройства стал вращаться в противоположную сторону. Так робот-пылесос, наткнувшись на стену, мгновенно включает реверс и задним ходом отъезжает от препятствия. Такой режим реализуется с помощью Н-моста. Схема Н-моста позволяет так же изменять скорость вращения электродвигателя. Для этого на один из двух ключей подаются импульсы от широтно-импульсного модулятора (ШИМ).

Схемой управления режимами двигателя является h-мост. Это несложная электронная схема, которая может быть выполнена на следующих элементах:

• Биполярные транзисторы
• Полевые транзисторы
• Интегральные микросхемы

Основным элементом схемы является электронный ключ. Принципиальная схема моста напоминает латинскую букву «Н», отсюда название устройства. В схему входят 4 ключа расположенных попарно, слева и справа, а между ними включена нагрузка.

H-мост

На схеме видно, что переключатели должны включаться попарно и по диагонали. Когда включен 1 и 4 ключ, электродвигатель вращается по часовой стрелке. 2 и 3 ключи обеспечивают работу двигателя в противоположном направлении. При включении двух ключей по вертикали слева или справа произойдёт короткое замыкание. Каждая пара по горизонтали закорачивает обмотки двигателя и вращения не произойдёт. На следующем рисунке проиллюстрировано, что происходит, когда мы меняем положение переключателей:

Схема работы H-моста

Если мы заменем в схеме переключатели на транзисторы, то получим такой вот (крайне упрощенный) вариант:

H-мост

Для того чтобы исключить возможное короткое замыкание h-мост на транзисторах дополняется входной логикой, которая исключает появление короткого замыкания. В современных электронных устройствах мостовые схемы изменения полярности дополняются устройствами, обеспечивающими плавное и медленное торможение перед включением реверсного режима.

Н-мост на биполярных транзисторах

Транзисторы в ключевых схемах работают по принципу вентилей в режиме «открыт-закрыт», поэтому большая мощность на коллекторах не рассеивается, и тип применяемых транзисторов определяется, в основном, питающим напряжением. Несложный h-мост на биполярных транзисторах можно собрать самостоятельно на кремниевых полупроводниковых приборах разной проводимости.

H-мост на биполярных транзисторах

Такое устройство позволяет управлять электродвигателем постоянного тока небольшой мощности. Если использовать транзисторы КТ816 и КТ817 с индексом А, то напряжение питания не должно превышать 25 В. Аналогичные транзисторы с индексами Б или Г допускают работу с напряжением до 45 В и током не превышающим 3 А. Для корректной работы схемы транзисторы должны быть установлены на радиаторы. Диоды обеспечивают защиту мощных транзисторов от обратного тока. В качестве защитных диодов можно использовать КД105 или любые другие, рассчитанные на соответствующий ток.

Недостатком такой схемы является то, что нельзя подавать на оба входа высокий потенциал, так как открытие обоих ключей одновременно вызовет короткое замыкание источника питания. Для исключения этого в интегральных мостовых схемах предусматривается входная логика, полностью исключающая некорректную комбинацию входных сигналов.

Синхронные многофазные драйверы

Renesas предлагает широкий ассортимент синхронных MOSFET-драйверов для многофазной широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

• Найти и сравнить

Микросхемы данного класса предназначены для применения в одно- и многофазных DC/DC преобразователях большой мощности.

Защита от помех DC

Раздельное питание

Один из лучших способов защититься от помех по питанию – питать силовую и логическую части от отдельных источников питания: хороший малошумящий источник питания на микроконтроллер и модули/сенсоры, и отдельный на силовую часть. В автономных устройствах иногда ставят отдельный аккумулятор на питание логики, и отдельный мощный – на силовую часть, потому что стабильность и надёжность работы очень важна.

Искрогасящие цепи DC

При размыкании контактов в цепи питания индуктивной нагрузки происходит так называемый индуктивный выброс, который резко подбрасывает напряжение в цепи вплоть до того, что между контактами реле или выключателя может проскочить электрическая дуга (искра). В дуге нет ничего хорошего – она выжигает частички металла контактов, из за чего они изнашиваются и со временем приходят в негодность. Также такой скачок в цепи провоцирует электромагнитный выброс, который может навести в электронном устройстве сильные помехи и привести к сбоям или даже поломке! Самое опасное, что индуктивной нагрузкой может являться сам провод: вы наверняка видели, как искрит обычный выключатель света в комнате. Лампочка – не индуктивная нагрузка, но идущий к ней провод имеет индуктивность. Для защиты от выбросов ЭДС самоиндукции в цепи постоянного тока используют обыкновенный диод, установленный встречно-параллельно нагрузке и максимально близко к ней. Диод просто закоротит на себя выброс, и все дела:

Где VD – защитный диод, U1 – выключатель (транзистор, реле), а R и L схематично олицетворяют индуктивную нагрузку. Диод нужно ОБЯЗАТЕЛЬНО ставить при управлении индуктивной нагрузкой (электромотор, соленоид, клапан, электромагнит, катушка реле) при помощи транзистора, то есть вот так:

При управлении ШИМ сигналом рекомендуется ставить быстродействующие диоды (например серии 1N49xx) или диоды Шоттки (например серии 1N58xx), максимальный ток диода должен быть больше или равен максимальному току нагрузки.

Фильтры

Если силовая часть питается от одного источника с микроконтроллером, то помехи по питанию неизбежны. Простейший способ защитить МК от таких помех – конденсаторы по питанию как можно ближе к МК: электролит 6.3V 470 uF (мкФ) и керамический на 0.1-1 мкФ, они сгладят короткие просадки напряжения. Кстати, электролит с низким ESR справится с такой задачей максимально качественно.

Ещё лучше с фильтрацией помех справится LC фильтр, состоящий из индуктивности и конденсатора. Индуктивность нужно брать с номиналом в районе 100-300 мкГн и с током насыщения больше, чем ток нагрузки после фильтра. Конденсатор – электролит с ёмкостью 100-1000 uF в зависимости опять же от тока потребления нагрузки после фильтра. Подключается вот так, чем ближе к нагрузке – тем лучше:

Подробнее о расчёте фильтров можно почитать здесь.

NPN mosfet подключение к arduino

Тут все без гемора. Вот пара вариантов подключения:

Если надо еще и плавно включать/выключать лампочку, либо не на всю мощность, а только на половину например, можно из ардуино пищать шимом, а между затвором и истоком включить еще конденсатор микрофарад на 300. Это нужно чтобы открыть мосфет на половину.. Однако это подойдет только для маломощной лампочки, потому как полуоткрытый мосфет имеет некислое внутреннее сопротивление и греется как утюг.

В эту схему подойдет к примеру мосфет  h6n03l. Но тут есть нюанс в выборе резюков. Тот, который между ардуино и gate – чем больше сопротивление, тем меньше ток на ноге ардуино и меньше вероятность что она задымится. И чем больше сопротивление тем медленнее открывается мосфет. Кароч 150 ом норм для ардуино (по закону ома I = E / R, I = 5 / 150 = 0.033 А  — это 33 миллиампера, норм). Зачем он вообще нужен? Дело в том, что затвор (gate) у полевика имеет определенную емкость и является в какой-то мере конденсатором. Так что в момент переключения через затвор проходят большие токи, которые может не выдержать ардуина. Для этого и нужен резистор между gate и пином.

А второй 10 кОм типа подтягивающий резистор – нужен чтобы держать мосфет закрытым и нагрузку выключенной пока порт ардуины в неопределенном состоянии например при загрузке (так называемое Z-состояние).

Но у этой схемы есть косяк – она медленновата. На переключение уйдет 600ns что подходит не для всех задач. Вот фронт и спад.

Но это нужно далеко не всегда и как правило достаточно первой схемы. И кстати есть вариант получше — про него в конце статьи.

Драйверы верхнего и нижнего ключа

Схема подключения драйвера
верхнего и нижнего ключа

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не
требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель,
который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в
воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё
один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то
обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая
магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при
отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение
обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или
даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени
относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем
сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не
понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько
усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток
только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание
контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить
резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него
идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле
перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор
R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять,
например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения
реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Основные характеристики базовых плат драйверов

Выпускаются и доступны для заказа 2 типа базовых плат драйверов (БПД) — 2BB0108T и 2BB0435T, внешний вид которых приведен на рис. 1 и 2 соответственно.

Рис. 1. Базовая плата 2BB0108T

Рис. 2. Базовая плата 2BB0435T

Платы принципиально различаются типом использованного ядра драйвера. В первой БПД используется ядро двухканального драйвера на ток затвора до 8 А и с выходной мощностью до 1 Вт на канал типа 2SC0108T. Вторая плата драйвера использует более мощное ядро 2SC0435T с максимальным током в каждом канале 35 А и мощностью 4 Вт на канал. Соответственно этим параметрам отличаются области применения БПД. Плата 2BB0108T предназначена для управления IGBT-модулями 34, 62, 17 мм, сдвоенными (dual) IGBT-модулями и модулями семейства EconoPACK+. Базовая плата 2BB0435T предназначена для работы со следующими типами IGBT-модулей:

• 62-мм IGBT-модули;
• 130×140 мм сдвоенные IGBT-модули;
• 130×140 мм одинарные IGBT модули;
• 190×140 мм одинарные IGBT модули;
• 17-мм сдвоенные IGBT-модули;
• PrimePACK IGBT-модули;
• EconoPACK+ IGBT-модули.

Каждая из базовых плат имеет 3 модификации, отличающиеся рабочими напряжениями IGBT-модулей, для которых они предназначены, три стандартных промышленных градации 600, 1200, 1700 В:

• 2BB0108T2Ax-06;
• 2BB0108T2Ax-12;
• 2BB0108T2Ax-17;
• 2BB0435T2Ax-06;
• 2BB0435T2Ax-12;
• 2BB0435T2Ax-17.

Габаритные размеры платы 2BB0108T 133x46x29 мм, платы 2BB0435T — 133x70x29 мм. Пример габаритного чертежа для платы 2BB0108T приведен на рис. 3.

Рис. 3. Габаритные размеры 2BB0108T

Заключение

• Две базовые платы 2BB0108T и 2BB0435T, представляющие собой «конструктор» двухканального драйвера IGBT, позволяют сократить время разработки драйверов силовых ключей и ускорить выход продукции на рынок.
• Для включения базовой платы в работу необходимо смонтировать резисторы затвора и установить ядро драйвера. Резисторы и ядро драйвера не входят в комплект поставки.
• Базовые платы 2BB0108T и 2BB0435T выпускаются для управления IGBT на рабочие напряжения 600, 1200, 1700 В. Выходная мощность драйверов базовой платы составляет 1 и 4 Вт на канал при токах 8 и 35 А на канал соответственно.
• Драйвер базовой платы построен на основе новейшего ядра SCALE-2 и обладает всеми его техническими характеристиками, такими как малое время задержки вкл/выкл (до 80 нс) и низкий джиттер (до единиц наносекунд), включая мониторинг напряжения коллектор-эмиттер и улучшенное активное ограничение напряжения коллектор-эмиттер при выключении и в стационарных режимах работы.
• Платы драйверов 2BB0108T и 2BB0435T поддерживают 2-, 3-, многоуровневые и параллельные топологии соединения силовых ключей.
• Платы укомплектованы документацией, включая электрические схемы, перечень элементов, габаритные чертежи, послойные чертежи топологии, управляющие файлы для изготовления печатной платы.

Похожие записи:

Выбор импульсных зарядных устройств для автомобильного аккумулятора Как подключить бра с выключателем шнурком, цепочкой Гофрированная труба для вытяжки и ее преимущества Расчет токов трехфазного короткого замыкания Схема мостового унч на двух микросхемах tda7294 (170 вт) Рекани анжело люстры