eng
Выпуск #7/2019
Т. Брэнд
КЛЮЧЕВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОЛИРОВАННЫХ ДРАЙВЕРОВ ЗАТВОРА МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
КЛЮЧЕВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОЛИРОВАННЫХ ДРАЙВЕРОВ ЗАТВОРА МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Просмотры: 1295
При выборе драйвера затвора следует учитывать ряд важных характеристик. В статье рассматриваются особенности изолированного драйвера затвора ADuM4135 от компании Analog Devices, который обеспечивает оптимальное решение с точки зрения минимизации потерь, нагрузочной способности выхода, напряжения пробоя изоляции и помехоустойчивости.
Теги: current-driving capability insulated gate bipolar transistor insulated gate driver insulation withstand voltage noise immunity биполярный транзистор с изолированным затвором изолированный драйвер затвора нагрузочная способность выхода напряжение пробоя изоляции помехоустойчивость
Ключевые характеристики изолированных драйверов затвора мощных транзисторов
Т. Брэнд 1
В силовой электронике, в частности в схемах приводов электродвигателей, для коммутации высоких напряжений и токов часто применяют биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Основные потери в мощных транзисторах, управляемых напряжением, генерируются в процессе их переключения. Для минимизации потерь необходимо обеспечить короткое время переключения. Однако быстрое переключение связано с опасностью возникновения высоковольтных переходных процессов, которые могут воздействовать или даже вывести из строя логические цепи процессора. Поэтому драйверы затвора, управляющие IGBT, должны выполнять также функцию защиты от короткого замыкания и регулировать скорость переключения. При выборе драйвера затвора следует учитывать ряд важных параметров.
Нагрузочная способность выхода
В процессе коммутации к транзистору кратковременно приложено не только высокое напряжение, но и высокий ток. Согласно закону Ома это влечет за собой потери, которые зависят от длительности состояния переключения (рис. 1). Задача состоит в том, чтобы минимизировать данный интервал времени. Основной фактор, определяющий длительность этого процесса, – емкость затвора транзистора, которая заряжается и разряжается при переключении. Более высокие переходные токи ускоряют процесс заряда / разряда емкости.
Драйверы, обеспечивающие высокие управляющие токи в течение длительного времени, более предпочтительны с точки зрения снижения потерь на переключение. Так, например, драйвер ADuM4135 от компании Analog Devices (рис. 2) способен формировать выходной ток до 4 А. В зависимости от используемого IGBT это позволяет сократить время переключения до значений наносекундного диапазона.
Временные параметры
Основные параметры процесса переключения, – время нарастания tR, время спада tF и задержка распространения tD, которая определяется как время, требуемое для того, чтобы входной фронт сигнала достиг выхода, и зависит от выходного тока драйвера и нагрузки на выходе (рис. 3). Из-за небольшого разброса задержки распространения драйверов затвора возникает некоторое искажение ширины импульса: PWD = tDLH – tDHL. Поскольку у драйверов зачастую несколько выходных каналов, которые характеризуются разным временем отклика, хотя и управляются от одного входа (рис. 4), возникает небольшое дополнительное смещение, или неравномерность задержки распространения tSKEW.
Напряжение пробоя изоляции
В силовой электронике гальваническую развязку применяют как для обеспечения необходимого функционала, так и для безопасности. Поскольку драйверы затвора часто используют, например, в полумостовых топологиях приводов электродвигателей, где наряду с низковольтными схемами присутствуют шины высокого напряжения и тока, развязка в этих устройствах обязательна. Функциональная причина применения развязки состоит в том, что управление силовым каскадом обычно осуществляется низковольтными схемами, возбуждение ключа верхнего плеча полумостовой схемы было бы невозможно из-за его более высокого потенциала и при одновременно открытом нижнем плече. В то же время развязка обеспечивает надежную изоляцию высоковольтных цепей от управляющей схемы в случае короткого замыкания, гарантируя защиту человека, прикасающегося к изделию. Изолированные драйверы затвора, как правило, характеризуются электрической прочностью на пробой диэлектрика на уровне не менее 5 кВ (rms).
Помехоустойчивость
Жесткие условия эксплуатации в промышленной среде требуют максимально высокого уровня стойкости изделия к воздействию помех. К критичным относятся такие факторы, как радиочастотный шум, синфазные переходные процессы и магнитные поля, поскольку они могут наводить помехи на драйвер и вызывать внезапное переключение силового каскада. Для изолированных драйверов затвора устойчивость к синфазным помехам определяется как способность подавлять синфазные переходные процессы между входом и выходом. Например, для ADuM4121 этот показатель составляет не менее 150 кВ / мкс.
Рассмотренные параметры отражают далеко не полный перечень характеристик и возможностей драйверов затвора. Большое значение имеют также рабочее и питающее напряжения, диапазон рабочих температур, а также наличие дополнительных встроенных функций, таких как схема подавления эффекта Миллера и защита от выхода из насыщения. В зависимости от требований к приложению разработчик может выбрать подходящую модель драйвера затвора на основе этих параметров. ●
Т. Брэнд 1
В силовой электронике, в частности в схемах приводов электродвигателей, для коммутации высоких напряжений и токов часто применяют биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Основные потери в мощных транзисторах, управляемых напряжением, генерируются в процессе их переключения. Для минимизации потерь необходимо обеспечить короткое время переключения. Однако быстрое переключение связано с опасностью возникновения высоковольтных переходных процессов, которые могут воздействовать или даже вывести из строя логические цепи процессора. Поэтому драйверы затвора, управляющие IGBT, должны выполнять также функцию защиты от короткого замыкания и регулировать скорость переключения. При выборе драйвера затвора следует учитывать ряд важных параметров.
Нагрузочная способность выхода
В процессе коммутации к транзистору кратковременно приложено не только высокое напряжение, но и высокий ток. Согласно закону Ома это влечет за собой потери, которые зависят от длительности состояния переключения (рис. 1). Задача состоит в том, чтобы минимизировать данный интервал времени. Основной фактор, определяющий длительность этого процесса, – емкость затвора транзистора, которая заряжается и разряжается при переключении. Более высокие переходные токи ускоряют процесс заряда / разряда емкости.
Драйверы, обеспечивающие высокие управляющие токи в течение длительного времени, более предпочтительны с точки зрения снижения потерь на переключение. Так, например, драйвер ADuM4135 от компании Analog Devices (рис. 2) способен формировать выходной ток до 4 А. В зависимости от используемого IGBT это позволяет сократить время переключения до значений наносекундного диапазона.
Временные параметры
Основные параметры процесса переключения, – время нарастания tR, время спада tF и задержка распространения tD, которая определяется как время, требуемое для того, чтобы входной фронт сигнала достиг выхода, и зависит от выходного тока драйвера и нагрузки на выходе (рис. 3). Из-за небольшого разброса задержки распространения драйверов затвора возникает некоторое искажение ширины импульса: PWD = tDLH – tDHL. Поскольку у драйверов зачастую несколько выходных каналов, которые характеризуются разным временем отклика, хотя и управляются от одного входа (рис. 4), возникает небольшое дополнительное смещение, или неравномерность задержки распространения tSKEW.
Напряжение пробоя изоляции
В силовой электронике гальваническую развязку применяют как для обеспечения необходимого функционала, так и для безопасности. Поскольку драйверы затвора часто используют, например, в полумостовых топологиях приводов электродвигателей, где наряду с низковольтными схемами присутствуют шины высокого напряжения и тока, развязка в этих устройствах обязательна. Функциональная причина применения развязки состоит в том, что управление силовым каскадом обычно осуществляется низковольтными схемами, возбуждение ключа верхнего плеча полумостовой схемы было бы невозможно из-за его более высокого потенциала и при одновременно открытом нижнем плече. В то же время развязка обеспечивает надежную изоляцию высоковольтных цепей от управляющей схемы в случае короткого замыкания, гарантируя защиту человека, прикасающегося к изделию. Изолированные драйверы затвора, как правило, характеризуются электрической прочностью на пробой диэлектрика на уровне не менее 5 кВ (rms).
Помехоустойчивость
Жесткие условия эксплуатации в промышленной среде требуют максимально высокого уровня стойкости изделия к воздействию помех. К критичным относятся такие факторы, как радиочастотный шум, синфазные переходные процессы и магнитные поля, поскольку они могут наводить помехи на драйвер и вызывать внезапное переключение силового каскада. Для изолированных драйверов затвора устойчивость к синфазным помехам определяется как способность подавлять синфазные переходные процессы между входом и выходом. Например, для ADuM4121 этот показатель составляет не менее 150 кВ / мкс.
Рассмотренные параметры отражают далеко не полный перечень характеристик и возможностей драйверов затвора. Большое значение имеют также рабочее и питающее напряжения, диапазон рабочих температур, а также наличие дополнительных встроенных функций, таких как схема подавления эффекта Миллера и защита от выхода из насыщения. В зависимости от требований к приложению разработчик может выбрать подходящую модель драйвера затвора на основе этих параметров. ●
Отзывы читателей
