Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2

Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2 Анатолий Бербенец

В статье дан лаконичный обзор драйверов для управления силовыми IGBT/MOSFET-модулями. Тщательно описаны устройства серий SCALE и SCALE-2, выпускаемые компанией CT-Concept. Рассмотрены особенности нового драйверного ядра, построенного на наборе микросхем SCALE-2. Приведены главные свойства и пример использования драйверов SCALE-2 для правления параллельным соединением IGBT-модулей.

юбому спецу по силовой электроники знаком термин «драйвер». Так именуют микросхему либо модуль на печатной плате, управляющие полупроводниковым силовым модулем либо дискретным полупроводниковым прибором (MOSFET, IGBT, биполярным транзистором, тиристором и т. п.) и выполняющие защитные и сервисные функции. Главной задачей, решаемой схемой управления затвором, к примеру IGBT-транзистора, является согласование уровней импульсов, вырабатываемых контроллером (процессором), с сигналами управления входами силовых ключей, которые, обычно, требуют некой мощности для включения/выключения. И мощность эта не может быть обеспечена малосигнальным по собственной сущности устройством типа микроконтроллер. В схемотехнике современные драйверы условно делятся на аналоговые (поточнее, аналого-цифровые) и цифровые. Принципно цифровой драйвер отличается от аналого-цифрового программно-управляемой логической частью, при помощи которой могут программироваться главные и защитные характеристики. Более известным, хотя и юным, производителем универсальных цифровых драйверов является компания InPower Systems, основанная в 2002 г. в Германии (Гамбург). Главным преимуществом цифровой архитектуры перед аналого-цифровой является наименьшая стоимость и поболее четкий, к примеру, пусковой (start up) контроль. Аналого-цифровые драйверы, в свою очередь, имеют наилучшие свойства по быстродействию и поболее эффективную реализацию защитных функций в динамике — защита от недлинного замыкания, динамическое ограничение управляющего напряжения, защита по du/ dt и т. п. Но, вследствие наименьшей универсализации схемотехники и как следствие — малой серий ности, стоимость аналого-цифровых драйверов выше. Драйверы управления IGBT выпускаются разными производителями: это Semikron (для IGBT 1200/1700 В), Floeth Electronic, International Rectifier, IXYS, SiLabs, MORNSUN, российские компании «Электровыпрямитель», «Электрум-АВ» и др. Броским представителем, специализирующимся на выпуске аналого-цифровых IGBT-драйверов, является австрийская компания CT-Concept Technologie AG [3], новинкам которой и посвящена данная статья.

CT-Concept — мировой технологический фаворит в секторе драйверов для IGBT (MOSFET) модулей среднего и огромного спектра мощностей с рабочими напряжениями 1200-6500 В. Компания имеет 20-летний опыт разработки и производства умственных IGBT-драйверов на базе известного ядра SCALE и предлагает самый широкий диапазон этих компонент для ведущих глобальных производителей силовых IGBT-модулей: ABB, Infineon, Fuji Electric, IXYS, Hitachi, Митсубиши и др. В 2007 г. CT-Concept объявила о выпуске нового набора заказных (ASIC) микросхем — базы ядра, получившего заглавие SCALE-2.

Что такое ядро драйвера?
Драйвер plug&play

Ядро драйвера CT-Concept — это модуль IGBT-драйвера на печатной плате, выполняющий главные три функции: гальваническая изоляция, защитные функции и интегрированный DC/DC изолированный источник питания. Сердечком ядра драйверов является набор заказных микросхем, нареченный SCALE (Scalable, Compact, All purpose, Low cost, Easy to use). Набор содержит в себе две заказные микросхемы: ИМС логического интерфейса драйвера (LDI) и ИМС умственного драйвера затвора (IGD). Размещение этих микросхем в многофункциональной схеме драйвера показано на рис. 1.

Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2

Видно, что микросхема LDI работает на первичной стороне драйвера и обеспечивает обработку сигналов управления и ошибок, управляет двухсторонней передачей сигналов и содержит схему контроллера DC/DC. В свою очередь ИМС IGD работает на вторичной стороне драйвера и делает функции двухсторонней передачи сигналов, мониторинга силового IGBT-модуля и делает фактически управление затвором IGBT-модуля. Одна из важных функций драйвера — гальваническое разделение первичной и вторичной стороны — в драйверах CT-Concept выполнено по трансформаторной схеме. При этом употребляется три конструктивно-те
хнологических метода реализации:

  • трансформатор на кольцевом магнитном сердечнике;

  • планарный трансформатор на низкопрофильном магнитном сердечнике;

  • планарный трансформатор без магнитного сердечника (coreless).

Модуль драйверного ядра устанавливается на интегральную схему, содержащую дополнительные составляющие, нужные для сопряжения с определенными IGBT-модулями. Составляющие эти могут быть разными.

В итоге выходит так именуемый pluguplay-драйвер, который устанавливается в свою очередь на IGBT-модуль. Составляющие сопряжения — это резисторы затвора, схемы ограничения выбросов напряжения, схемы согласования интерфейсов, также DC/DC источники питания (наружные для IGBT-модулей 4,5-6,5 кВ). Драйверные ядра CT-Concept применимы также для управления силовыми MOSFET-транзисторами с частотой переключения до 500 кГц. Драйверные ядра выпускаются с напряжением изоляции 600-3300 В с числом каналов от 1 до 6. На рис. 2 и 3 показаны ядра драйвера последнего поколения SCALE-2 (1SC2060P) и pluguplay-драйвера 2SP0320T для 1200/1700В IGBT-модулей PrimePack Infineon.

Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2 Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2

Новое поколение драйверов с ядром SCALE-2, номенклатура plug&play драйверов

В набор SCALE-2 заходит несколько модификаций ASIC-микросхемы умственного драйвера IGD и заказной микросхемы LDI-логического интерфейса драйвера. Все микросхемы чипсета выполнены по КМОП-технологии. Чипсет SCALE-2 спроектирован специально для реализации последующих функций драйверов IGBT/MOSFET:

  • возможность раздельного масштабирования (опции) токов включения и выключения затворов;

  • поддержка активного ограничения выходных напряжений силового транзистора в режиме выключения;

  • сопоставимость со специфичными режимами управления инверторами на базе многоуровневых и параллельных топологий соединения силовых ключей;

  • возможность опционального использования как дешевых электронных, так и оптоволоконных сигнальных интерфейсов;

  • возможность управления исходными параметрами запуска (setup) и параметрами диагностики.

SCALE-2 ИМС умственного драйвера затвора (IGD)

Для заслуги требуемой функциональности, к примеру двунаправленного интерфейса на базе сигнальных трансформаторов либо оптоволоконного интерфейса, в различной стандартной продукции используются различные выводы для подключения к кристаллу. Заказная ИС драйвера затвора, топология которой приведена на рис. 4, также содержит частичномодифицируемую область, что позволяет воплотить дополнительную специфическую функциональность. Доступ к расширению функций управления предоставляет однократно программируемая железная маска. Частичномодифицируемая область образована такими заблаговременно сконфигурированными ячейками, как аналоговые компараторы, логические элементы, простые приборы и контактные площадки.

Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2

При включении и удержании транзистора в открытом состоянии ИС драйвера сформировывает стабилизированное на уровне +15 В напряжение затвор-эмиттер. Это получается из-за регулировки эмиттерного потенциала на выводе Vee (рис. 5). По мере надобности поддерживается установка специфичных напряжений затвор-эмиттер.

Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2

ASIC содержит окутанную оборотной связью схему управления скоростью нарастания и ограничения уровня напряжения коллектор-эмиттер при выключении IGBT-транзистора Данная схема содействует ускорению процесса активного ограничения напряжения коллектор-эмиттер, понижению утрат коммутации при выключении и улучшению возможности к отключению при действии токов недлинного замыкания. Главные характеристики
SCALE-2 микросхемы IGD:

  • стабилизированное напряжение затвор-эмиттер;

  • интегрированный драйверный каскад на 8 A/0,8 Вт;

  • простота масштабирования тока драйвера до 60 А/20 Вт с внедрением наружного транзистора;

  • отдельные пути протекания для токов включения и выключения затвора силового IGBT;

  • улучшенное активное ограничение напряжения коллектор-эмиттер при выключении;

  • защита силового IGBT-транзистора от недлинного замыкания;

  • вход/выход аварийного сигнала на вторичной стороне;

  • блокировка при недопустимом понижении напряжения питания;

  • оптоволоконные интерфейсы;

  • электронные интерфейсы сигнальных трансформаторов.

SCALE-2 ИМС логического интерфейса драйвера (LDI)

Топология заказной ИС логического интерфейса драйвера показана на рис. 6. В микросхеме реализованы двухканальный двунаправленный трансформаторный интерфейс, масштабируемый контроллер DC/DC-преобразователя с особенной последовательностью пуска, также масштабируемая логика опции и защиты.

Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2

Двунаправленный трансформаторный интерфейс предназначен для передачи команд и аварийных сигналов при помощи маленьких импульсов, обеспечивающих наименьшую задержку команд. В случае коллизии аварийный сигнал за счет роста продолжительности импульса доминирует и над командным сигналом, и над шумовыми токами, вызванными действием dv/dt. Применяемый способ асинхронной передачи аварийного сигнала также позволяет выполнить требования к временным чертам параллельновклю-ченных IGBT-транзисторов и преобразователей, выполненных по многоуровневым топологиям, потому что в этом случае задержка передачи аварийного сигнала на первичную сторону составляет менее 1 мкс. Таким макаром, данный режим передачи аварийного сигнала способен говорить об аварийной ситуации еще до того, как начнется отключение соответственных IGBT-транзисторов. Задержка отключения управляется микросхемой драйвера IGD. У драйверов с трансформаторным интерфейсом (рис. 7) эта задержка составляет менее 80 нс, а величина фазового джиттера менее ±1 нс.

Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2

Режимы работы LDI

На базе микросхемы логического драйвера LDI чипсета SCALE-2 реализуются три режима работы. В режиме DIRECT может быть независящее управление обоими каналами.

Данный режим отличается наибольшей гибкостью и, как следует, предпочтителен для использования в системах завышенной трудности с микроконтроллерным управлением. В режиме HALF-BRIDGE в качестве общего командного сигнала микросхема употребляет только один вход и генерирует два противофазных выходных сигнала. Выбор режима и регулировка паузы неперекрытия производятся зависимо от требований внедрения при помощи 1-го резистора. По запросу клиента вероятна реализация еще 1-го режима работы, который предназначен для взаимоблокировки либо взаимоисключения.

Логика работы защитных функций

После срабатывания хоть какой из защит на первичной стороне драйвер перебегает в состояние, в каком соответственный канал оказывается отключенным в течение определенного интервала времени. Продолжительность этого интервала (время блокирования) задается при помощи 1-го наружного резистора и по мере надобности может быть установлена равной нулю. Главные свойства, обеспечиваемые ИМС LDI:

  • интегрированная схема контроллера DC/DC-преобразователя;
  • блокировка при недопустимом понижении напряжения питания;
  • электронные интерфейсы сигнальных трансформаторов;
  • выходы сигнализации об аварийных состояниях;
  • сопоставимость с IGBT-транзисторами на напряжение до 3300 В;
  • оснащение входов триггером Шмитта;
  • интерфейс для логических уровней 3,3-15 В;
  • сопоставимость со всеми семействами логических ИС;
  • режимы DIRECT и HALF-BRIDGE;
  • очень малая задержка по времени (<80 нс);
  • очень малый джиттер (<±1 нс);
  • хорошая электрическая сопоставимость (dv/dt>100 В/нс);
  • сопоставимость с IGBT-транзисторами на напряжение до 6500 В при использовании оптоволоконного интерфейса;
  • сигнальный оптоволоконны
    й канал;
  • доказательство фронта сигнала;
  • оборотная связь по состоянию оптоволоконного канала.

Номенклатура ядер драйверов, производимых CT-Concept на базе наборов заказных микросхем SCALE/SCALE-2, приведена в таблице 1. В таблице 2 перечислены plug&play-драйверы на базе этих ядер. Итог сопоставления основного набора черт IGBT-драйверов на базе чипсетов SCALE и SCALE-2 показан в таблице 3.

Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2 Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2 Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2

Приведенный выше набор черт чипсета SCALE-2 определяет главные области внедрения драйверов на его базе:

  • драйверы IGBT-транзисторов с малым разбросом времени задержки и дрейфом;
  • коммутация на частотах до 750 кГц;
  • параллельно и поочередно включенные IGBT-транзисторы.

SCALE-2 драйверы и управление параллельными и многоуровневыми топологиями инверторов

И, в конце концов, нельзя не отметить новые схемотехнические способности, возникшие с возникновением новых драйверов на базе ядер SCALE-2, а конкретно — управление параллельными и многоуровневыми топологиями силовых полупроводниковых устройств.

Драйверы CT-Concept для силовых IGBT- и MOSFET-модулей на базе нового ядра SCALE-2

Обычно параллельно включенные силовые ключи, к примеру IGBT-модули в составе инверторов, управляются от 1-го общего массивного драйвера, дополненного затворными и эмиттерными резисторами для каждого IGBT. Кроме резисторов, некие новые модули, к примеру серии PrimePack Infineon, требуют внедрения дополнительных личных каскадов для активного ограничения напряжения. Все это наращивает количество подвесных компонент, в особенности при значимом числе параллельно включенных силовых устройств. С другой стороны, потребность в силовых инверторах широкого спектра мощностей просит и соответственной номенклатуры массивных драйверов. С возникновением SCALE-2 стало вероятным другое решение — каждый параллельно включенный IGBT-модуль управляется своим драйвером (рис. 8).

Маленькое время задержки (<80 нс), малозначительный разброс этого параметра (<±4 нс), маленький джиттер (<±2 нс), быстродействующая защита и относительно низкая цена новых драйверов позволяют сделать конкурентноспособное решение для инверторов большой мощности [1]. Для реализации этого принципа для полумостовых модулей PrimePack Infineon был разработан plug&play SCALE-2 двухканальный драйвер 2SP0320T2 [2].

Заключение

Рассмотрено новое семейство драйверов CT-Concept на базе чипсета SCALE-2, которое характеризуется последующими особенностями:

  • высочайшая степень интеграции и, как следствие, уменьшение количества подвесных компонент (до 80%) и цены драйверов (до $10 на канал);
  • куцее время пуска новых изделий и хорошая адаптируемость;
  • гибкое управление логикой работы защит;
  • поддержка параллельных, 2-уровневых, 3-уровневых и многоуровневых топологий;
  • надежность, долгий срок службы.
Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий