Поколения драйверов
Требования к преобразовательной технике всё время меняются: увеличивается мощность, увеличивается частоты преобразования, уменьшаются габариты… Внедрение микроконтроллерного и микропроцессорного управления требует организации обратных связей с исполнительными элементами, а значит и функциональных возможностей по этим связям. За более чем 15 лет опыта в проектировании и развитии драйверов управления IGBT-транзисторами нами значительно были пересмотрены как базовые подходы к разработке драйвера, так и его основные характеристики. В данной статье будут рассмотрены основные этапы, поколения, в развитии драйверов IGBT-транзисторов от «Электрум АВ».
В истории «Электрум АВ» первым серийным драйвером IGBT-транзисторов был базовый модуль МД250 (двухканальное исполнение) и его «урезанная» версия – МД150 (одноканальный). Через незначительный промежуток времени драйвер был несущественно доработан: поменяны транзисторы оконечного каскада, что позволило поднять импульсный ток с 5 А до более чем 8 А. Этот модуль драйвера, получивший наименование МД280, стал базовым на долгое время и, фактически, определил первое поколение драйверов.
Первое поколение характеризовалось ориентированностью на драйверы серии SKHI от «Semikron» из чего следовали и параметры драйвера: частота до 50 кГц, импульсный ток не менее 8 А, выходные напряжения +18 / -7 В, задержка срабатывания защиты по ненасыщению порядка 3 мкс и т.д. Всё это вполне соответствовало характеристикам SKHI 10, SKHI 23 и т.п. драйверов. На основе МД280 были созданы драйверы ДР280, ДР180, 2ДР180 как стандартных, так и множества нестандартных исполнений под потребителя.
Рисунок 1 – Базовый модуль МД280 Рисунок 2 – Драйвер ДР280 (аналог SKHI 23)
Так же были созданы более мощные и более быстродействующие драйверы (поколение «1+»), такие как ДР1300 (с импульсным током не менее 30 А) или ДРБ280 (с коммутируемой частотой до 200 кГц), но принципиально, ни схемно, ни конструктивно, ни идеологически, данные драйверы не отличались от всё того же МД280, потому и относятся они к всё тому же первому поколению, пусть и с приставкой «+».
Достаточно долгое время все эти драйверы удовлетворяли требованиям к преобразовательной технике, несмотря на свои недостатки, такие как: относительно большие габариты, малая выходная мощность и коммутируемая частота, низкое быстродействие, ограниченные функциональные возможности. Однако низкая цена, надёжность и простота отладки позволяют этим драйверам и по сей день иметь стабильный спрос.
Но времена менялись, вырабатывалось более современное понимание понятия «драйвер» и, как следствие, менялись требования к нему. К концу первого десятилетия двадцать первого века «моду» на драйверы стал уверенно диктовать «CT Concept», ныне «Power Integration», а значит возникла необходимость соответствовать, что и дало импульс к появлению второго поколения.
Второе поколение драйверов взяло за основу, за базовый модуль, драйвер МД2180, представляющий собой основательно переработанный, «ускоренный» и «умощнённый» предыдущий драйвер МД2180. Теперь частота коммутации была до 100 кГц, импульсный ток не менее 18 А, почти в два раза уменьшились все временные задержки (на распространение сигнала, отработку ненасыщения, сигнализацию аварии и т.п.), а выходные напряжения стали соответствовать «стандарту» +15 / -10 В. На этом модуле была построена целая серия драйверов второго поколения, представляющих собой конструктивные и функциональные аналоги драйверов первого поколения от «CT Concept» («Power Integration»). В том числе аналог высоковольтного драйвера 1SР0635 (до 3300 В) и даже аналог многоканального мощного драйвера 2ED300E17-SFO от «Infineon».
Рисунок 3 – Драйвер ДР2180П-Б1 (аналог 2SD315AI) Рисунок 4 – Драйвер ДР2180П-Б3 (аналог 2SP0320T)
Отдельное направление второго поколения (поколение «2+») – аналоги драйверов серий «М» и «VLA» от «Mitsubishi» («Powerex») получившие наименования МД150 и МД1120 соответственно, кардинально отличающиеся, как схемно, так и конструктивно, от базового модуля МД2180. На этих модулях была построена серия многоканальный драйверов (от четырёх до семи каналов) типа ДР4(6,7)120.
Рисунок 5 – Драйвер МД1120 (аналог VLA500-01) Рисунок 6 – Драйвер ДР4120
Второе поколение стало полностью соответствовать современным требованиям в части характеристик и габаритов, но уже не удовлетворяло в плане функциональных возможностей.
На заре развития драйверов, что почти совпало с началом развития преобразовательной техники на основе IGBT-транзисторов у нас в стране, очень часто разработчик (потребитель) хотел драйвер с конкретными, необходимыми ему, характеристиками и функциями. Драйверы делались под конкретное применение: «драйвер полумоста в преобразователь частоты управления двигателем на частоту 12 кГц и ток 400 А». Драйвер настраивался соответственно, получал нестандартное исполнение и мог применяться только в такого рода схемах; его уже нельзя было применить, например, в схеме управления импульсным трансформатором на 100 А. Сейчас разработкой ТЗ потребитель заниматься не хочет, требуются готовые решения, требуется универсальность. Т.е. драйвер должен работать и в полумостовой схеме и с независимым управлением, «мёртвое время» должно настраиваться легко и в большом диапазоне, время перезапуска тоже должно меняться и управляться, по возможности, внешней схемой и т.д. Требование к универсальности означает, прежде всего, расширение функциональных возможностей схемы управления, что и привело к появлению микроконтроллерного направления в драйверах и, тем самым, к началу третьего поколения.
Изначально в качестве базового контроллера для драйверов третьего поколения был выбран Attiny24, который показал неплохие возможности и на основе которого были созданы несколько драйверов, однако Attiny24 показал себя и с плохой стороны: не хватало быстродействия. В результате функционал расширился, но быстродействие стало на уровне первого поколения. Было решено применить более высокочастотный контроллер и, одновременно с этим, было принято решение о переходе драйверов с оптической развязки на трансформаторную, дабы полностью удовлетворять современным требованиям. Итогом разработок стал базовый модуль драйвера МД270, построенный на основе микроконтроллера PIC16 и имеющий трансформаторную развязку вход-выход. Этот модуль и схемные решения, применённые в нём, стали основой для драйверов поколения «3+». И это драйверы отвечающие всем современным требованиям: малые габариты, высокое быстродействие, большие функциональные возможности, трансформаторная развязка и т.д. Пример наиболее сложного драйвера этого, последнего, поколения – ДРС6180, аналог SKIM-63(93) от «Semikron».
Рисунок 7 – Драйвер МД270 Рисунок 8 – Драйвер ДРС6120 (аналог SKIM 63)
Таким образом, история драйверов от «Электрум АВ», которой уже более 15 лет, насчитывает несколько поколений, прошедших путь от относительно простых драйверов соответствующих уровню 80-х годов прошлого века, до драйверов, ничем не уступающих драйверам второго поколения «Power Integration» образца второго десятилетия этого века. И вся эта история, если кратко, на рисунке 9.
Рисунок 9 – Поколения драйверов IGBT-транзисторов от «Электрум АВ».
