ISSN 2225-7551

О. В. Будьонний, канд. техн. наук

Є.Ю. Коваленко, магістрант

М.А. Прокопець, магістрант

Національний технічний університет України «КПІ», м. Київ, Україна

ДРАЙВЕР ДЛЯ КЕРУВАННЯ СИЛОВИМИ MOSFET ТА IGBT ТРАНЗИСТОРАМИ

Приведено опис та  принципову схему драйвера для керування силовими IGBT та MOSFET транзисторами. Розроблений прилад має значно нижчу вартість та кращі технічні показники, ніж існуючі драйвери, та не має моточних елементів, що дозволяє інтегрувати його в одну ІМС.

Вступ

На сьогодні в багатьох пристроях перетворювальної техніки необхідні ключі, здатні комутувати струми в десятки ампер та напруги в сотні вольт [1]. Для таких транзисторів потрібні системи керування, які б дозволили отримати достатньо круті фронти на високих частотах та захистити транзистор у випадку перевищення його номінального струму. Більшість драйверів, що випускаються промисловістю, не повністю відповідають цим вимогам [2]. Тому метою даної роботи є розробка драйвера, який би був досконаліший за існуючі аналоги, мав низьку ціну, міг би бути виготовлений у корпусі однієї ІМС та мав широкий діапазон застосування – зварювальні інвертори, перетворювачі частоти і т.д.

Вихідний каскад драйвера

Вихідний каскад (рис. 1) необхідний для підсилення сигналів керування. Він виконаний за схемою емітерного повторювача на транзисторах Q2 та Q3. Резистори R4 та R5 призначені для обмеження струмів заряду та розряду затвору силового транзистора. Каскад на транзисторі Q1 слугує для узгодження рівнів сигналу. Особливістю використання емітерного повторювача є те, що затвір силового транзистора не розряджається повністю при його вимиканні, а лише до напруги близько 1В (напруга насичення транзистора Q3). У більшості силових транзисторів значення порогової напруги лежить у діапазоні 3-5В, тому такий режим роботи драйвера є допустимим. У крайньому випадку, вихідний каскад можна живити від двополярного джерела, проте, це виключає можливість використання бутстрепної ланки для живлення драйвера верхнього транзистора у напівмостовій та мостовій схемах перетворювача.

Описание: вихiдний каскад

Рис. 1. Вихідний каскад драйвера

 

Вхідний тригер

Вхідний тригер (рис. 2) необхідний для покращення фронтів сигналу та вимикання вихідного каскаду при спрацюванні системи захисту. Він побудований на трьох логічних елементах АБО-НІ (NOR). Два з них (U1:B та U1:C) утворюють сам тригер, третій (U1:A) використовується для інверсії сигналу керування. Диференціююча ланка (C2, R1) необхідна для подавання короткого імпульсу, що переводить тригер у стан логічної «1». У стан логічного «0» він переводиться сигналом керування, поданим через діод D1, або сигналом від системи захисту. Діоди D1та D2 необхідні для розв’язки керуючого сигналу та сигналу захисту. На четвертому логічному елементі (U1:D) побудована система, яка при зниженні напруги живлення подає логічну «1» на вхід R, тим самим блокуючи імпульси керування.

Описание: сигнальний тригер

Рис. 2. Вхідний тригер

Система захисту

Система захисту може бути виконана у двох варіантах: тільки з швидкодіючим захистом, або з швидкодіючим та інтегральним захистом (рис. 3). Швидкодіючий захист запобігає перевищенню максимального струму силового транзистора, а інтегральний захист, оцінюючи час ввімкненого стану силового транзистора та струм через нього, запобігає перегріву кристала. У системі захисту були використані польові транзистори з керуючим p‑n переходом (JFET) з включенням по схемі генератора струму. Два таких генератора (Q2, Q3, R2 та Q4, Q5, R3), налаштовані на однаковий струм, включені послідовно. Відповідно, в середній точці напруга буде складати половину напруги живлення. Проте зміна напруги на шунті R5, включеного в силове коло або інтегруючій ланці (RV2, C1), змінює напругу на затворах нижніх транзисторів (Q4, або Q5), у результаті чого напруга в середній точці теж буде змінюватись. Через емітерний повторювач, виконаний на транзисторі Q1, вона потрапляє на вхід “R” тригера та при перевищенні струму або досягненні порогової напруги на конденсаторі С1 блокує тригер. Стабілітроном D1 задається поріг спрацьовування захисту. Транзистор Q6 потрібен для скидання інтегратора на етапі вимкнутого стану силового транзистора.

 

 

Описание: захист

Рис. 3. Система захисту (швидкодіючий та інтегральний захист)

 

Загальна схема драйвера

Загальна схема драйвера (рис. 4) представлена разом з понижуючим ШІПом. Останній зібраний на елементах Q10, L1, D5, C4 та RV3 у якості навантаження. При перевантаженні схема переходить у режим стабілізації струму, формуючи таким чином спадаючу ВАХ. Ця властивість схеми може бути використана в зварювальних інверторах для формування падаючої вольт-амперної характеристики або у перетворювачах частоти для запобігання кидка струму під час пуску двигуна.

 

 

Описание: 1111

Рис. 4. Загальна схема драйвера з понижуючим ШІПом у якості навантаження

Таблиця 1

Порівняльна таблиця характеристик розробленого драйвера та аналогів

Тип

Максимальний вихідний струм

Час спрацьовування інтегрального захисту

Час спрацьовування швидкодіючого захисту

Драйвер витримує коротке замикання на виході

Довжина фронтів (C=9nF)

Кількість елементів у схемі

Ціна

IR2101

0.2A

-

-

-

2.5 мкс

3

1.5$

IR2125

1.5A

від 20 мкс

-

-

1 мкс

5

3$

Драйвери модулів SEMICRON

10A

від 10 мкс

від 1 мкс

+

100 нс

близько 100, 5 трансфор- маторів

150$

Розроблений драйвер

10A

від 300 нс

від 300 нс

+

100 нс

27, без моточних виробів

2$

 

Висновки

Враховуючи потреби сучасної силової електроніки, було розроблено драйвер, що реалізує швидкий захист ключових транзисторів, має невелику кількість елементів та низьку вартість. Крім того, він не містить моточних елементів, а отже, може бути реалізований у вигляді однієї ІМС.

Список використаних джерел

1. Рогачёв К.Д. Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). [Электронный ресурс] / Рогачёв К.Д. – Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/igbt/transistor.htm.

2. Колпаков А.И. Обеспечение защиты от перегрузки в MOSFET драйверах. [Электронный ресурс] / Колпаков А.И. – Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/igbt/protect.htm.