Драйвер и приёмка 5
Драйвер и приёмка «5»: всё ли так просто?
На сегодняшний день силовые биполярные и полевые транзисторы с изолированным затвором приобретают всё большую популярность. И если ещё не так давно хорошими силовыми транзисторами могли похвастать только зарубежные производители, то сейчас ситуация изменилась. IGBT- и MOSFET-транзисторы производства ВЗПП-С (г. Воронеж), «Ангстрем» (г. Зеленоград) или ФЗМТ (г. Фрязино) мало чем уступают их зарубежным аналогам, при этом имея и неоспоримое преимущество: соответствие требованиям приёмки «5». И если добавить к этому существующую сегодня тенденцию к перевооружению, то очевидна задача использования современных транзисторов с изолированными затворами в аппаратуре специального назначения. В свою очередь, такая задача требует решения сопутствующих проблем. В частности, любым транзистором надо управлять, а значит, нужен драйвер. И если схемы управления, конструктивные особенности и т.п. могут, в сущности, почти и не меняться (относительно старой аппаратуры), то от разработки такой новой для многих вещи, как драйвер IGBT- и MOSFET-транзисторов не уйти. Но так ли просто разработать драйвер на отечественной комплектации, да ещё и с приёмкой «5»?
В данной статье приведён опыт таких разработок. Эта статья может оказаться полезной для разработчиков оборудования специального назначения, в котором задействованы силовые транзисторы с изолированными затворами. Подразумевается, что человек, читающий эту статью, уже знает, что такое драйвер IGBT- и MOSFET-транзисторов, и каковы его функции; знает, какие подводные камни могут ожидать его при разработке такого устройства; знает, как и на чём можно создать драйвер с приёмкой «1». В конце концов, если даже этот (читающий) разработчик ранее имел дело с разработкой драйверов специального назначения, то и он, быть может, узнает здесь что-то новое.
Начнём же мы с задачи. Допустим, требуется разработать самый обыкновенный драйвер полумоста, функционально близкий к наиболее популярным драйверам «Semikron» или «CT Concept». Это означает, что драйвер должен включать в себя следующие узлы:
- входная логика с функцией формирования «мёртвого времени», формирования блокировки управления в режиме аварии, и её автоматическое отключение через определённое время;
- развязка вход/выход прочностью не менее 4000 В;
- DC/DC-преобразователь;
- оконечный каскад, обеспечивающий необходимый импульсный и средний ток;
- схемы защиты (защита от перенапряжения и недонапряжения на затворе, от перенапряжения коллектор-эмиттер управляемого транзистора, защита по ненасыщению).
Плюс к этому, необходимо определиться с конструктивом этого драйвера. Само собой, что всё вышеперечисленное должно отвечать требованиям приёмки «5».
Теперь по порядку.
Элементная база для входной логики драйверов с приёмкой ОТК и приёмкой «5», в сущности, мало чем отличается. Выбор логических микросхем специального назначения достаточно обширен и, как правило, проблем с их поставкой не возникает. Если для гражданских драйверов используются триггеры Шмита CD4093 или 74АС132, то для военных это будут 564ТЛ1 и 1564ТЛ3 соответственно. Хотя здесь и есть небольшое отличие: микросхемы CD4093 обладают гораздо большим быстродействием, нежели 561ТЛ1, поэтому если отладка опытного варианта драйвера проводилась на CD4093, то совсем не факт, что на «аналоге» динамические характеристики схемы останутся теми же. Плюс к этому 564ТЛ1 в своих динамических показателях очень чувствительна к напряжению питания. Если на напряжении 15 В задержка вход/выход составляет 60…80 нс, то на 5 В она увеличивается до нескольких сотен нс, при этом сильно «плавая» при изменении температуры; с 1564ТЛ3 на питании 5 В таких неприятностей не наблюдается. Отсюда следует, что 561-серию следует использовать, если только питание входной логики составляет 15 В, и уменьшить его никак нельзя, во всех остальных случаях (и если требуется высокое быстродействие схемы) 1564ТЛ3 предпочтительнее. Хотя, справедливости ради, следует сказать, что 561-серия «дубовее», и эти микросхемы легче заполучить, нежели 1564; если быстродействие Вам не критично, то предпочтение следует отдать, наверное, всё-таки 564ТЛ1.
Входная логика обязательно должна включать в себя триггеры Шмита в качестве входных буферов, но вот все прочие её функции можно реализовать и на других микросхемах. Если для одноканального драйвера, как правило, достаточно одной микросхемы (один корпус 564ТЛ1 или 1564ТЛ3) для выполнения всех логических функций, то для двуканального требуется от трёх до шести таких микросхем, и это не считая микросхем, формирующих «мёртвое время». Объясняется это более сложным алгоритмом работы двуканального драйвера, особенно в аварийном режиме работы, и дополнительными функциями. Конечно, можно упростить себе задачу: убрать режим внешнего управления сбросом аварии, не обращать внимания на проскакивающие «некрасивые» импульсы на выходе того канала, который не находится в аварийном режиме, допустить пересброс не по передним фронтам, а на любой части управляющего импульса и т.д. Всё это значительно упрощает входную логику а, значит, уменьшает трудоёмкость разработки и уменьшает габариты, да и, в сущности, к печальным последствиям редко приводит, но только до определённых границ. Границы же эти (помимо придирчивости представителя заказчика) – частота сигнала управления. На частотах в единицы кГц, или даже до 10…20 кГц такие «послабления» допустимы, но если частота выше, а тем более, если она составляет сотни кГц, то махнуть рукой на эти недостатки уже не получится, в противном случае такое отношение обернётся хроническими выходами из строя управляемых транзисторов. И если стоит задача – драйвер с частотой до 100 кГц и выше, то никаких поблажек быть не должно. Но тогда мы получаем существенные габариты схемы. Выходом из данной ситуации является использование контроллеров, например 1880ВЕ71 или 1893ВЕ1 производства «Интеграл», г. Минск. Если для одноканальных драйверов использование контроллеров является избыточным, то для двуканальных - практически необходимым. Конечно, в смысле разработки устройство на контроллере гораздо сложнее, нежели устройство на стандартной логике; и особенно эти сложности заметны в топологии. Что самое неприятное – заметны они становятся уже после того, как контроллер запаян, и подано питание. Тем более неприятен поиск неисправностей, связанных с помехами и неправильной трассировкой. Однако, если требуются небольшие габариты драйвера (а они требуются практически всегда), то уйти от контроллера вряд ли получится.
Допустим, входная логика спроектирована; далее требуется передать логический сигнал со входа на гальванически развязанный выход драйвера. Здесь существует два варианта: оптическая или трансформаторная развязка. Оптическая развязка в смысле реализации несравнимо проще, нежели трансформаторная. По сути, мы имеем логический сигнал на входе и повторяющий его сигнал на выходе. Оптопар импортного производства с хорошим быстродействием и прочностью изоляции 4000 В достаточно много, например, TLP250 или HCPL2201. Совсем другое дело на рынке оптопар с приёмкой «5»: таких оптопар просто нет. Есть оптопары либо с хорошей изоляцией, но с никудышным быстродействием, совсем непригодным для драйверов, либо с хорошим быстродействием, но с изоляцией, подходящей только для драйверов, используемых в преобразователях на напряжение не более 100 В. К последним относятся, например, микросхемы 249ЛП8 или специализированная микросхема управления транзисторами с изолированными затворами 5П158 (обе производства «Протон», г. Орёл). Микросхемы хорошие, но изоляция у них 500 В, и даже 600 В они уже не держат. Однако, зачастую требуемые габариты драйвера (см., например, 2005ХХ1 производства «Электрум АВ», г. Орёл) не позволяют использовать трансформаторную развязку из-за её сложности и существенных габаритов. В этом случае можно попытаться заполучить отечественные военные оптопары с изоляцией 4000 В, но где - это уже совсем другая история.
Трансформаторная развязка в смысле элементной базы гораздо проще, но эта простота с лихвой компенсируется сложностью в её реализации. В простейшем случае трансформаторную развязку можно реализовать следующим образом: подаётся разрешающий сигнал управления, по которому трансформатор начинает управляться как в обычном DC/DC-преобразователе, на выходе импульсы выпрямляются и сглаживаются, тем самым, непосредственно или косвенно, формируя отпирающий импульс в выходной цепи драйвера. Схема несложная, но с существенным недостатком: её быстродействие составляет в лучшем случае несколько мкс, что в подавляющем большинстве случаев слишком много, и работать она может на частотах не выше нескольких десятков кГц, а потому такая схема на практике используется очень редко. Другое дело – использование трансформатора как части дифференцирующей цепочки, на которой выделяются передний и задний фронты, служащие метками для восстановления сигнала на выходе драйвера. Отсюда видны составные части такой схемы: схема на входе, формирующая короткие импульсы по переднему и заднему фронту сигнала управления, трансформатор, схема на выходе, восстанавливающая входной сигнал. И если со схемой, вплоть до вторичных обмоток драйвера, всё понятно, то далее снова появляется выбор: либо использовать логику (триггер), восстанавливающий привычный сигнал (как делает «Semikron»); либо заряжать/разряжать импульсами с трансформатора какую-то ёмкость, или даже ёмкости затворов транзисторов оконечного каскада драйвера, если в последнем используются полевые транзисторы (как делает «CT Concept»). Первый вариант проще в плане разработки и отладки, но требует больших габаритов; второй вариант сложнее, но… также требует больших габаритов. Последнее утверждение объясняется тем, что вышеупомянутая схема критична к утечкам и динамическим параметрам используемых в ней компонентов. Особенно это относится к коэффициентам усиления биполярных транзисторов и их частотным свойствам; ко времени восстановления антипараллельного диода и заряду затвора для полевых транзисторов. А эти параметры у элементов с приёмкой «5» традиционно хуже, чем у импортной комплектации. Для иллюстрации вышесказанного приведу пример: требовалось собрать малогабаритную схему управления верхним ключом с трансформаторной развязкой для изделия с приёмкой «5». Схема – нечто вроде тиристора на полевых транзисторах. Для отладки использовались транзисторы IRLML2402, на которых схема заработала быстро и хорошо, после чего они были заменены на близкие по параметрам КП505. В результате мощность импульса заряда затвора значительно снизилась (за счёт потерь на перезаряд затворов транзисторов схем управления), пришлось увеличивать трансформатор. Из-за слишком большого времени восстановления антипараллельного диода затвор после заряда успевал наполовину разрядиться, пришлось этот диод исключать и ставить быстрый обратный диод, как следствие – увеличение падения напряжения и увеличение проходной ёмкости на пути заряда затвора. Пришлось домотать витки по вторичной обмотке, в результате выброс на включении стал приближаться к 20 В, пришлось ставить стабилитрон, утечки на котором разряжали затвор с неприемлемой скоростью. В результате всё более или менее заработало, но габариты схемы стали недопустимо большими, и в конечном итоге от неё пришлось отказаться. Это ещё одна иллюстрация к той мысли, что даже макетирование изделия с приёмкой «5» надо проводить на отечественной комплектации, иначе придётся переделывать уже собранный прибор.
Далее нам необходимо сделать DC/DC-преобразователь. Для управления преобразователем существует огромное количество микросхем импортного и отечественного производства с приёмкой ОТК, например 1211ЕУ1 – простая и надёжная микросхема в корпусе SO-8. Для приёмки «5» так же существуют такие микросхемы, например 1156ЕУ2 (аналог UC3825), но уже в корпусе внушительных размеров, что, конечно, порою не очень удобно. Плюс к этому 1156ЕУ2 имеет своим недостатком капризность к топологии. Если обратная связь не используется, то дорожки можно заводить как угодно, ничего страшного не будет. Если же обратная связь используется, то тут уже надо провести широкую землю без петель, чтобы на эту землю не шли помехи от переключения силовых транзисторов преобразователя, питание так же должно быть чистым, вся обвязка должна находиться как можно ближе и т.д. Но всё это не так уж и страшно, куда страшнее организовать эту обратную связь. Самый удобный, точный и надёжный способ – завести обратную связь через оптопару с выходного питания преобразователя. Но как уже было сказано, такой способ приемлем для драйверов с изоляцией до 500 В, на 4000 В оптопар с приёмкой «5» нет. Делать обратную связь на отдельном трансформаторе – очень сложно и не очень надёжно; а делать драйвер без какой-либо стабилизации по питанию тоже не очень правильно. Конечно, если нагрузка для трансформатора небольшая, т.е. на максимально допустимом выходном токе драйвера напряжение на вторичных обмотках трансформатора не проседает и если при этом ещё и входное напряжение плавает незначительно (проценты от номинального), то можно обойтись и без обратной связи. В такой ситуации изменение выходного напряжения будет вызывать только изменение магнитной проницаемости феррита от температуры, и особенно это изменение будет заметно на температуре -60 0С под нагрузкой, но в любом случае вложиться в диапазон +12…+18 В особого труда не составит. Другое дело, если нагрузка меняется в широком диапазоне (от десятков мА на холостом ходу до сотен мА на максимальной нагрузке) или если драйвер должен обеспечивать свои параметры при разбросе напряжения питания +10% и более в температурном диапазоне -60…+85 0С, здесь без стабилизации напряжения не обойтись. Конечно, можно поставить обычный линейный стабилизатор на выходе, но этот способ приемлем только для маломощных драйверов, иначе появляются тепловые потери и все вытекающие отсюда проблемы.
Наиболее подходящим способом организации обратной связи в такой ситуации является использование дополнительной контрольной обмотки на трансформаторе. Минус такого способа – снижение КПД преобразователя (дополнительная нагрузка), но за это мы получаем адекватное, пусть и косвенное, представление о напряжении в выходных цепях драйвера. Использование контрольной обмотки позволяет избежать гальванически развязанных цепей обратной связи, а значит, и избавляет от проблем с отсутствием оптопар и сложностями в организации схемы на трансформаторе. Безусловно, такая обратная связь хуже, с её помощью хорошо компенсируется нестабильность, вызванная напряжением питания и изменением параметров феррита при изменении температуры; изменение тока нагрузки здесь отслеживается плохо (вплоть до того момента, когда трансформатор уже не способен «прокачивать» требуемую от него мощность), но тем не менее, из трёх зол (питание, нагрузка, температура) остаётся только одно – нагрузка, а уж с этим можно бороться простым увеличением размеров трансформатора, если, конечно, позволяют габариты.
Отдельно следует сказать про исполнительные элементы, а именно силовые транзисторы, выпрямительные диоды и собственно трансформатор.
Зачастую в гражданских приборах в качестве трансформаторов используются кольца от «Epcos» и разработчик, взяв «аналогичное» отечественное кольцо, ожидает тех же выходных характеристик. Однако, такая замена не проходит даром. Кольца «Epcos» при тех же габаритах и марке феррита выдают в несколько раз большую мощность и нормально работают на гораздо большей частоте, нежели отечественные ферриты. По сути, нормальная рабочая частота для отечественных ферритов марок 1500НМ или 2000НМ составляет не более 100…150 кГц, без существенных потерь КПД, а лучше, если эта частота лежит в диапазоне 50…80 кГц. Помимо этого, отечественные кольца очень боятся перегрева; при заявленной точке Кюри в 200 0С, фактически кольцо (на поверхности) не должно нагреваться более 90…100 0С (в отличие от тех же колец «Epcos», которые нормально переносят и 150 0С), иначе трансформатор начинает уходить в насыщение со всеми вытекающими отсюда печальными последствиями. К слову сказать, трансформатор преобразователя не должен нагреваться свыше 40…50 0С при нормальных условиях, иначе могут возникнуть проблемы при температуре +85 0С. В итоге, если используется кольцо импортного производства, то при переходе на отечественное кольцо его размер должен быть увеличен как минимум до следующего по ряду типоразмеров с соответствующей корректировкой рабочей частоты.
Есть сложности и в выборе силовых транзисторов и выпрямительных диодов. Не смотря на довольно большой выбор полевых транзисторов с приёмкой «5», почти все они выпускаются в корпусах не менее ТО-92, даже если их максимальный ток стока составляет всего несколько ампер. Поэтому, если требуется ток в несколько сот мА, то использовать такие большие корпуса рука не поднимается. Выход – использовать для маломощных драйверов в качестве силовых транзисторов не полевики, а обычные биполярные n-p-n транзисторы, включённые по схеме с открытым коллектором, выбор которых так же достаточно велик; тем самым и габариты уменьшаются, и проблем с поставками, как правило, меньше. Если же выходная мощность драйвера составляет 0,5 А и выше, то лучше всё-таки ставить полевые транзисторы с изолированным затвором.
Похожая ситуация и с выпрямительными диодами. Конечно, лучше всего использовать в качестве выпрямительных диодов диоды Шоттки, выбор которых с приёмкой ОТК весьма обширен (например, серии BQ или CTQ), да и с приёмкой «5» есть из чего выбрать. Например, 2ДШ2123Д94 (производство ВЗПП-С, г. Воронеж), аналог 10BQ100, но корпус при этом у наших аналогов значительно больше, что, безусловно, создаёт большие проблемы при проектировании драйвера малых габаритов. Если выходной ток драйвера невелик (в пределах 100 мА), то вполне подойдут и обычные выпрямительные диоды в металлостеклянных корпусах или даже обычные биполярные транзисторы, используемые как диоды, но если ток больше, то лучше всё-таки остановить свой выбор на Шоттки.
После того, как есть управление, гальваническая развязка сигналов и есть питание, надо разобраться с оконечным каскадом нашего драйвера. Прежде всего, необходимо определиться, на каких типах транзисторов будет собран этот каскад. Тут есть три варианта: комплементарная пара биполярных транзисторов, комплементарная пара ключевых полевых транзисторов, пара n-канальных полевых транзисторов. Самый простой вариант – комплементарная пара биполярных транзисторов. Это, во-первых, простая схема управления; во-вторых, гарантированное отсутствие сквозных токов при переключении; в-третьих, простота реализации плавного выключения в аварийном режиме. Чуть более сложный вариант - комплементарная пара полевых (n-канального и p-канального) транзисторов. И совсем сложно реализовать схему полноценного полумоста на n-канальных транзисторах, т.к. здесь требуется гальванически развязанный драйвер верхнего ключа и требуется очень точное выравнивание задержек на включение и выключение (не более нескольких нс), во избежание «ступенек» на фронтах или сквозных токов. Впрочем, выбор типа оконечного каскада для драйвера с приёмкой «5», в общем-то, обусловлен скорее не схемными предпочтениями, а наличием или отсутствием соответствующей комплектации. Картина же здесь выглядит следующим образом.
Оконечный каскад на биполярных транзисторах подразумевает использование комплементарной пары n-p-n и p-n-p транзисторов. Но, не смотря на очень большой выбор n-p-n транзисторов и неплохой выбор транзисторов p-n-p их комплементарных пар практически нет; те, что указаны в перечне МОП зачастую давно уже не выпускаются (особенно потеря технологий коснулась p-n-p транзисторов). Можно, конечно, использовать хоть как-то похожие транзисторы, но такой подбор может выйти боком: искажение формы импульсов, неравномерность токов включения и выключения, искажения при изменении температуры и т.д. практически наверняка будут. В этом смысле, для драйвера очень хорошо подошли бы транзисторы Дарлингтона КТ972 и КТ973, но с приёмкой «5» их нет. Тем более нет комплементарных пар мощных и быстрых биполярных транзисторов. И всё же, более или менее подходящие транзисторы существуют – 2Т664 и 2Т665 (производство «Кремний-маркетинг», г. Брянск). Это довольно быстрые транзисторы, хотя их относительно небольшой максимальный ток коллектора и совсем уж небольшой коэффициент усиления немного портят впечатление. Однако, эти транзисторы очень хорошо работают при параллельном включении и если до оконечного каскада поставить несколько каскадов предусилителей, то можно получить вполне сносные выходные характеристики. В лучшем случае на 2Т664 и 2Т665 можно получить длительность фронтов на холостом ходу около 50 нс и импульсный ток включения/выключения 30…40 А. Такие характеристики получаются при использовании двух-трёх предусилителей на 2Т3130 / 2Т3129 и тех же 2Т665 / 2Т664; при параллельном включении 15…20 (!) пар 2Т664 и 2Т665 в оконечном каскаде. Дальнейшее экстенсивное наращивание мощности результатов почти не даёт и вряд ли на данной комплектации можно получить импульсный ток свыше 40 А. Минус такой схемы очевиден – очень большие габариты, хотя простота и, как следствие, надёжность зачастую того стоят. Использовать пару 2Т664 и 2Т665 целесообразно, если требуется выходной ток драйвера в пределах 20 А или ещё лучше 10…15 А (тогда достаточно одного предусилителя и всего три параллельных пары); для такого рода драйверов указанные транзисторы подходят как нельзя лучше, но если требуется большая мощность, то на биполярные транзисторы ориентироваться не стоит; только полевые с изолированным затвором.
В свою очередь, оконечный каскад на комплементарной паре n-канального и p-канального полевых транзисторов для драйвера с приёмкой «5» есть решение весьма спорное по той простой причине, что выбрать p-канальный транзистор практически не из чего. С приёмкой «5» представлены 2П7209 производства «Транзистор», г. Минск и несколько транзисторов от «Ангстрем», г. Зеленоград (Воронежские p-канальные транзисторы ещё находятся на стадии освоения и в настоящий момент рассчитывать на них не стоит). И те особой быстротой не отличаются, хотя и имеют комплементарные пары. В результате, получается драйвер на ток 20…40 А (вряд ли больше), только с дополнительными проблемами в организации управления этими транзисторами и проблемами в организации плавного выключения. В общем, данный вариант можно порекомендовать только любителям такого рода схем; если же драйвер делается с чистого листа и требуется выходной импульсный ток 30 А и выше, то выбор, можно сказать, очевиден – полумост на n-канальных полевых транзисторах с изолированными затворами.
Несмотря на сложность в схемотехнике, полумост на n-канальных полевых транзисторах обладает потенциально наилучшими характеристиками, в сравнении с другими вышеуказанными вариантами. Конечно, транзисторов с приёмкой «5», обладающих длительностью включения/выключения 10…20 нс не найти, но, тем не менее, удовлетворительные динамические и мощностные характеристики получить можно, по крайней мере длительность фронтов в пределе 40 нс и импульсный ток 40…50А. Чьи (производитель) транзисторы здесь лучше или хуже сказать трудно; у всех есть свои плюсы и минусы, но, по крайней мере, выбрать есть из чего.
Теперь, раз уж силовой транзистор у нас управляется, то не мешало бы его защитить от различного рода неприятностей, а именно от выхода из состояния насыщения, перенапряжения или недонапряжения на затворе и, по возможности, от перенапряжения в цепи сток-исток (коллектор-эмиттер).
Самая простая задача – защита от недонапряжения на затворе, решается обычным компаратором, контролирующим выходное положительное напряжение питания и эти схемы, что с приёмкой ОТК, что с приёмкой «5», в сущности, не отличаются.
Далее – защита от перенапряжения на затворе; в простейшем случае требуется всего лишь ограничитель напряжения между затвором и эмиттером (истоком). Для драйверов с приёмкой «1» чаще всего используются ограничители типа 1,5КЕ18, либо стабилитроны (например, BZX55C18), если выбросы на затворе не велики. С приёмкой «5» так же можно подобрать похожую комплектацию: 2С518 (НЗПП, г. Новосибирск) или ограничители того же производителя. Единственная сложность – ограничителя на 1,5 кВт (а для драйверов, используемых в мощных преобразователях лучше всё же ставить мощные ограничители, нежели стабилитроны) и на номинальное пробивное напряжение 18 В нет; нет таких и на 17…19 В. В свою очередь, напряжение 15 В слишком мало, а 20 В слишком много. Впрочем, подобрать необходимое напряжение можно установкой двух ограничителей последовательно и выбрать здесь есть из чего.
Так же не представляет особой сложности защита от перенапряжения в цепи сток-исток (коллектор-эмиттер) управляемого транзистора. Конечно, выбор ограничителей для этой цели не велик, но один подходящий ограничитель всё же есть.Это 2Р236А (НЗПП, г. Новосибирск); небольшой по габаритам, достаточно высоковольтный и довольно быстрый ограничитель, не уступающий 1,5КЕ300.
Самое сложное – организация защиты по ненасыщению. Для драйверов с приёмкой ОТК всё давно уже придумано; есть специализированные микросхемы управления транзистором с функцией защиты по ненасыщению, например МС33153, целая серия драйверов от International Rectifier или, совсем идеальный вариант, HCPL316, с которой задача построения не сильно мощного и быстрого драйвера вообще пара пустяков. С приёмкой «5» таких микросхем нет, а потому надо строить схему на дискретных элементах. В теории всё выглядит очень просто: источник тока и компаратор (можно на компараторе как таковом, можно на транзисторах, логической микросхеме или операционном усилителе), выходной сигнал которого блокирует управление, плавно выключает транзистор и подаёт сигнал через соответствующую развязку на входную логику драйвера. Но на практике всё оказывается сложнее. Проблемы начинаются уже с защитных диодов по цепи коллектора; для гражданских применений выбор очень большой, например HER108, 1N4007 или диоды серии MUR: малогабаритные быстровосстанавливающиеся диоды средней мощности на напряжение более 1000 В. Для приёмки «5» подобных диодов нет. Самые подходящие БВД от ВЗПП-С, г. Воронеж 2Д675А94 (400 В, 1 А); прочие диоды либо слишком низковольтные, либо слишком мощные, а избыточная мощность в данной ситуации только мешает, т.к. на заряд проходных емкостей этих диодов тратится больше мощности источника тока, а значит нужно либо умощнять источник (а это опять же габариты), либо защита будет обладать низким быстродействием. Далее считаем: для получения обратного напряжения цепи коллектора 2000 В нужно как минимум пять таких диодов, а размер их корпуса 7,6х10,2 мм, итого площадь только под диоды около 450 мм2, что, конечно, несравнимо с площадью под два HER108. Впрочем, если разработчик не сильно ограничен габаритами, то это и не так страшно.
Прочие проблемы в схемотехнике защиты по ненасыщению проявляются, как правило, уже после начала отладки. Если драйвер низкочастотный (в пределах десятков кГц) и быстродействие защиты у него несколько мкс, то сделать корректно работающую схему защиты не так сложно, тем более если военпред не придирчив; если же требуется быстродействие на уровне сотен нс (драйвер на сотни кГц), то всё становится гораздо сложнее. Необходимо: убрать дребезг на включении и выключении; вычистить помехи до компаратора (избежать ложных срабатываний) и после, т.к. даже незначительная наводка при срабатывании компаратора усиленная предусилителем и оконечным каскадом приводит к очень некрасивой картине на выходе драйвера; избежать «недосрабатывания» защиты, т.е. когда защита срабатывает, но не успевает заблокировать импульсы управления («двоение» импульсов перезапуска) и сделать однозначную задержку срабатывания защиты на пороге включения. Последнее, пожалуй, самое страшное. Если прочие проблемы можно устранить простым повышением быстродействия схемы или корректной топологией (хотя последнее совсем не просто), то с задержкой сложнее. Сложность же здесь в том, что компаратор (и ему подобные схемы) не могут срабатывать точно на каком-то напряжении непосредственно после прихода импульса плюс/минус несколько мВ. Входная ёмкость схемы компаратора, переходные процессы при срабатывании, паразитные составляющие по входу компаратора и т.п. «растягивают» порог срабатывания, поэтому на границе ненасыщения длительность задержки срабатывания защиты всегда будет плавать. Простое включение в схему обратной связи с выхода компаратора на один из входов этой проблемы не решает, т.к. чтобы эта обратная связь отработала нужно, чтобы компаратор уже сработал, а в этом срабатывании и есть проблема. Например, при использовании компаратора 1467СА1 без дополнительных стабилизирующих схем и выходном токе источника 2 мА задержка плавает от 15 до 3 мкс на напряжении 10…12 В (норма срабатывания 10 В, номинальная задержка 3 мкс), что, конечно, малоприятно. Само собой, такая ситуация не смертельна, но если эту ситуацию не исправить, то проблемы с представителем заказчика и с требованиями ТЗ наверняка обеспечены. В общем, собрать красиво работающую схему защиты по ненасыщению не так просто, как кажется на первый взгляд и ещё сложнее, если габариты драйвера сильно ограничены.
Таким образом, у нас есть все составляющие схемы полноценного драйвера. Осталось последнее – поместить данную схему в какой-то корпус. Инженер-электронщик зачастую недооценивает конструктивных и технологических проблем возникающих при помещении его схемы в корпус. И если все вышеуказанные проблемы страшны, но представление об их решении всё же есть, то с корпусированием дело обстоит ещё страшнее.
В чём, собственно, проблема? Драйверов, как импортных, так и отечественных, в металлических или металлокерамических корпусах на отечественном рынке силовой электроники нет (за исключением, разве что, драйверов от «Электрум АВ», г. Орёл), потому что непонятно, зачем такие корпуса вообще нужны? Действительно, в подавляющем большинстве случаев, большого теплоотвода с драйвера не требуется и, следовательно, не требуется радиатора с корпусом. Стойкость платы драйвера к пыли, инею, росе, плесневым грибам и т.п. можно обеспечить покрытием платы соответствующим лаком, а потому и для герметизации корпус не нужен. Однако, открытый стеклотекстолит не выдерживает испытаний на спецвоздействия, которые обязательно проводятся для военной аппаратуры. Плюс к этому, в драйвере может быть использована комплектация с приёмкой «5», которая сама по себе, без защиты, так же не выдерживает спецвоздействий (например, вышеупомянутые 2Т664 и 2Т665 в пластмассовых корпусах). Отсюда следует, что плата драйвера должна быть помещена в металлический (металлокерамический) корпус. Конечно, драйвер может использоваться уже в защищённой аппаратуре, т.е. когда всю ответственность за стойкость к спецвоздействиям берёт на себя заказчик, тогда можно обойтись и открытой платой, но зачастую такое послабление не имеет места быть.
Итак, необходимо поместить драйвер в корпус.
Проблема первая: собственно корпус. Не смотря на обилие корпусов импортного производства, готовых корпусов с приёмкой «5» нет, а потому сразу следует рассчитывать на собственную конструкцию и далее либо делать корпус собственными силами, либо заказывать корпус у сторонних организаций. Само собой, что корпус должен быть технологичным, герметичным (а разработка и изготовление уплотнителей под крышку, если таковая имеется – это задача не проще и не дешевле, чем разработка самого корпуса) и эргономичным, т.к. порою подключить кабель к корпусу, из-за различных выступов, креплений и т.п. – целая проблема.
Проблема вторая: ограниченное пространство корпуса. Отсюда проблемы с теплоотводом элементов драйвера. Безусловно, если выходной средний ток драйвера составляет 100…200 мА, то особого теплоотвода и не требуется, но если требуется большая мощность? На открытой плате даже естественный теплоотвод значительно уменьшает нагрев силовых транзисторов и диодов; в крайнем случае, под греющийся элемент можно поместить металлизированную площадку на плате или установить на корпус транзистора небольшой, например игольчатый, радиатор. В закрытом корпусе естественной вентиляции нет и вышеупомянутые решения здесь будут практически бесполезны. Все элементы, склонные к нагреву, не только не будут охлаждаться, но ещё и будут подогреваться от всей прочей схемы (как и прочая схема будет греться от них). Например, транзистор в корпусе ТО-92 нагревающийся при длительной работе и при естественном охлаждении до 50…60 0С в закрытом металлическом корпусе объёмом 7…10 см3 выходит из строя не позднее чем через 1 час. Выход – помещать силовые транзисторы DC/DC-преобразователя и транзисторы оконечного каскада непосредственно на корпус (который тогда будет работать как радиатор) с как можно меньшим тепловым сопротивлением. Это неизбежное решение, но из него т&am
