Драйвер средней мощности - на чём собрать
На сегодняшний день существует очень много микросхем драйверов IGBT-транзисторов, производства «International Rectifier», «Agilent», «Motorola», «Mitsubishi» и других. Микросхемы имеют много общего, направлены на решение одних и тех же задач, но всё же схемотехника для каждого типа драйверов остаётся своя. Так на каких же типах микросхем проще всего собрать полноценный драйвер?
Допустим, имеется задача: собрать драйвер IGBT-транзистора с гальванической развязкой вход-выход, с защитой по ненасыщению, выходным импульсным током 5…10 А, работающим на частоте до 25 кГц. Задача типовая. Первым делом изучаем номенклатуру «законодателя моды» на рынке драйверов IGBT-транзисторов – «CT Concept» и находим наиболее подходящие драйверы: 2SD106AI (первое поколение) и 2SC0106T (второе поколение). Это полноценные драйверы, требующие для своей работы минимального количества элементов в схеме включения и, к тому же, содержащие в своём составе DC/DC-преобразователи. Но есть и минусы: относительно большие габариты собранной схемы и цена. И эти минусы настолько существенны, что в большинстве случаев разработчик обращается к микросхемам драйверов и создаёт собственный драйвер IGBT-транзистора.
Отсюда первым возникает вопрос, что представляет собой «стандартный» полноценный драйвер? Основные функции драйвера – это формирование мощных сигналов управления затвором в соот. с управляющими командами и защита силового транзистора по ненасыщению, при этом указанные функции должны осуществляться с гальванической развязкой входных и выходных цепей. Из вышесказанного следует структурная схема самого простого драйвера, представленная на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структурная схема простейшего драйвера
В схеме содержатся следующие узлы:
1. Развязка сигнала управления.
На рис.1 указана опторазвязка, но развязка может быть и трансформаторной, хотя она и значительно сложнее в реализации. Функция данного узла: передать логический управляющий сигнал в выходную схему управления.
2. Схема управления.
Предназначена для преобразования сигнала узла 1 в сигнал управления затвором (с соот. амплитудами напряжения отпирания и запирания) с необходимым импульсным и средним током.
3. Схема защиты.
Предназначена для отслеживания напряжения насыщения силового транзистора, его безопасного аварийного отключения при выходе из состояния насыщения, формирования статусного сигнала аварии, формирования сброса режима аварии. Последняя функция может быть реализована как в выходной схеме драйвера, так и с помощью входной логики.
4. Развязка статусного сигнала.
Предназначена для гальванически развязанной передачи статусного сигнала схемы защиты во входную, логическую, часть драйвера.
Безусловно, драйвер может содержать и иные функции, такие как защита от пониженного напряжения на затворе, защита от перенапряжения цепи коллектор-эмиттер, блокировка по внешнему сигналу (например, с термодатчика) и т.д. Но, тем не менее, схема рис.1 является базовой для любого полноценного драйвера IGBT-транзистора.
Далее разработчик должен определиться с типом микросхемы драйвера, которые можно разделить на следующие основные группы:
1. Микросхема, содержащая все узлы. Т.е. драйвер, обеспечивающий управление, защиту и гальваническую развязку. Это, например, HCPL316 (производства «Agilent») или М57962 (производства «Mitsubishi» или аналог МД150А производства «Электрум АВ»). Сюда же можно было бы отнести драйверы производства «International Rectifier», которые так же обеспечивают и управление, и защиту, и развязку, но данные драйверы осуществляют защиту только по току шунта, но не по насыщению, что исключает их использование в мощных драйверах.
2. Микросхема оконечного драйвера, которая выполняет функции управления и защиты, но не обеспечивает гальванической развязки. Например, МС33153 (производства «Motorola») и множество одноканальных драйверов от того же «International Rectifier».
3. Микросхема гальванической развязки, т.е. специализированные оптопары-драйверы, например TLP250 (производства «Agilent»).
Последний тип, в случае необходимости использования защиты по ненасыщению, используется редко, т.к. здесь требуется полноценная схема защиты по ненасыщению, собранная на отдельных элементах, что значительно усложняет задачу разработки.
Таким образом, наиболее распространены два первых типа: либо драйвер, в котором уже всё встроено (или почти всё), либо драйвер без развязки и к нему оптопары. На рисунках 2,3,4 представлены наиболее простые схемы включения такого типа драйверов, на примере типичных представителей своих групп: микросхем М57962L, HCPL316J, МС33153.
Рисунок 2 – Схема драйвера на основе М57962L (МД150А)
Рисунок 3 – Схема драйвера на основе HCPL316J
Рисунок 4 – Схема драйвера на основе МС33153
Заметна значительная разница в объёме схемы включения основной микросхемы драйвера, что обусловлено различным количеством функций базовой микросхемы. Для более наглядного сравнения различных типов микросхем в плане их функций и количества элементов в «обвязке» микросхемы драйвера, необходимых для построения полноценного драйвера IGBT-транзистора, приведена таблица 1.
Таблица 1 – Сравнение различных типов микросхем драйверов
Помимо этого, для схем на основе HCPL316, МС33153 и других микросхем того же типа, существует целый ряд подводных камней, которые не бросаются в глаза, но могут значительно усложнить дело. Например, большие габариты транзисторов оконечного каскада (площадь не менее, чем на два корпуса DPak), значительная цена высоковольтных быстродействующих оптопар, сложность настройки цепи перезапуска, низкое пороговое напряжения цепи защиты по ненасыщению (как правило, не более 6 В), отсутствие возможности подключить отрицательное напряжения выхода некоторых драйверов и т.д. Спрашивается, с какой схемой и с каким типом драйверов, оказывается проще всего?
Исходя из вышесказанного следует ещё одно подтверждение прописной истины: чем больше функций выполняет покупной узел, тем проще разработать конечную схемы и тем надёжнее она будет. Легче всего было бы собрать драйвер, в соответствии с поставленной в начале задачей, на основе драйверов «CT Concept», и если позволяют деньги и габариты, то это и будет оптимальным решением. Немногим хуже со специализированными микросхемами драйверов от «Mitsubishi», которые хоть и сложнее в плане включения (относительно «CT Concept»), но незначительно, зато гораздо дешевле и занимают гораздо меньше полезной площади. В частности, драйверы серии VLA500 (серия МД1120 у «Электрум АВ») имеют в своём составе DC/DC-преобразователь, а драйвер МД1120П-А1 содержит вообще все необходимые для драйвера узлы и для своего включения требует ещё меньше элементов и занимает меньше площади, чем драйверы «CT Concept». Далее следуют микросхемы типа HCPL316J, которые могут быть даже предпочтительнее вышеуказанных драйверов, если требуется выходной импульсный ток не более 2 А, а всё управление осуществляется контроллером и, таким образом, пересброс аварии драйвером не осуществляется. Но, тем не менее, для построения законченного драйвера с HCPL316J работать всё же сложнее, т.к. здесь никуда не уйти от схемы пересброса и внешнего усилительного каскада. Ещё сложнее схема с микросхемами драйверов без гальванической развязки, которые требуют довольно сложной и дорогой схемы «обвязки» (а это деньги, габариты, надёжность). И самым сложным получается драйвер на отдельных неспециализированных элементах (а равно и спец. оптопарах драйверов), который потому и разрабатывается, и используется крайне редко.
Таким образом, для построения полноценного драйвера IGBT-транзистора по минимальной цене и на минимальной площади (габаритных размерах) оптимальным решением является драйверы МД150А (М57962) или МД1120П-А (VLA500), если требуется встроенный DC/DC-преобразователь. Создание же драйвера на «неполноценных» микросхемах драйверов, не смотря на кажущуюся дешевизну и невероятно малые габариты, в итоге оборачивается ещё большими габаритными размерами (количество элементов в схеме включения), большей ценой (дорогостоящие оптопары и мощные транзисторы) и большими трудностями при разработке, обусловленными спецификой как самих микросхем драйверов в частности, так и спецификой силовой электроники в общем.
