Рубрики
Технологии силовой электроники

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники Борис Семенов При разработке силовой

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники Борис Семенов

При разработке силовой преобразовательной техники на базе высокочастотных полумостовых транзисторных частей значимой неувязкой для силовой электроники всегда является обеспечение защиты от сквозных токов. Микросхемы IXDP630 и IXDP631, выпускаемые компанией IXYS, позволяют сравнимо просто воплотить такую защиту.

И звестно, что ни один силовой главный элемент не может одномоментно перейти в состояние отсечки, и если управляющие импульсы в полумостовой схеме будут следовать без некой задержки друг относительно друга, появляется опасное явление, называемое сквозным током. Последствия

появления сквозного тока известны: это выгорание силовых ключей и, как следствие, выход из строя прибора. Потому разработчики всегда стремятся обезопасить схему от сквозных токов, прибегая к разным схемотехническим ухищрениям, иногда очень сложным, чтоб ввести гарантированную паузу меж управляющими импульсами. Создателю, которому пришлось, в силу неких обстоятельств, реализовывать аналог микросхемы на российских элементах «жесткой логики», удалось выполнить эту задачку только разработкой отдельной платы с 16 корпусами.

Существенно упростить задачку позволяют микросхемы IXDP630 и IXDP631, выпускаемые компанией IXYS. Эта компания практикуется на разработке и поставке компонент силовой электроники: полевых транзисторов MOSFET, биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, диодов с малым временем оборотного восстановления FRED, диодов защиты от высоковольтных индуктивных выбросов, массивных тиристоров и драйверов управления силовыми модулями. Потому спецы компании не понаслышке знают о дилеммах разработчиков преобразовательной техники.

В уникальной технической документации эти микросхемы названы «Inverter Interface and Digital Deadtime Generator for 3-Phase PWM Controls». Другими словами, они представляют собой цифровые генераторы защитной паузы «мертвое время», которые могут быть использованы в трехфазных широтно-импульсных (ШИМ) схемах. Оговоримся: в трехфазных схемах более много употребляются способности микросхем, но их можно также просто применить и в мостовых, и в полумостовых однофазовых схемах. Формирование защитной паузы цифровым методом гарантирует наличие паузы «dead-time» с данной продолжительностью и ее возможность регулировки в широких границах. Не считая этого, в составе микросхемы имеются узлы, дозволяющие просто организовать защитное отключение силовых каскадов прибора при появлении аварийных ситуаций — недлинного замыкания, перегрузки, понижения напряжения питания.

На рис. 1 показана блок-схема внутреннего устройства микросхем IXDP630 и IXDP631. Как видно из рисунка, микросхема состоит из 3-х схожих и независящих ячеек DTG (dead-time generator), также одного генератора тактовых импульсов OSC. Ячейки DTG имеют личные входы управления каналами R, S, T (сигналы DATA IN R, DATA IN S, DATA IN T), личные входы отключения каналов R, S, T (сигналы ENABLE ENAR, ENABLE ENAS, ENABLE ENAT), групповой вход отключения каналов R, S, T (сигнал OUTPUT ENABLE OUTENA), вход отключения тактовой частоты (сигнал RESET). Тактовый генератор имеет вывод подключения времязадающих компонент (сигнал OSCIN) и наружный выход тактовой частоты (сигнал OSCOUT).

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники
Рис. 1. Блок-схема внутреннего устройства IXDP630 и IXDP631

Диаграммы, отражающие функционирование микросхемы, приведены на рис. 2. Эти диаграммы демонстрируют работу только канала R, так как неупомянутые каналы S и T имеют аналогичное устройство.

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники
Рис. 2. а), б) Многофункциональные диаграммы

Сначала разглядим режим обычного функционирования, показанный на рис. 2а. После установки сигнала RESET в состояние high (высочайший уровень) сигналы CLK тактового генератора OSC поступают на схему отсчета импульсов в узлах DTG, выходные сигналы RU и RL находятся в состоянии low (малого уровня). После установки сигналов OUTENA и ENAR врубаются выходы RU, RL и начинается отработка сигнала управления, поступающего на вход IN R. При установке входного сигнала в высочайшее состояние происходит установка высочайшего уровня на выходе RU, а на выходе RL сохраняется малый уровень. При переходе входного сигнала IN R в состояние low на выходе RU устанавливается малый уровень и запускается процедура отработки deadtime, занимающая 8 тактов генератора OSC. По окончании временного интервала выходной сигнал RL приобретает высочайший уровень. Дальше, при изменении входного сигнала процедура отработки deadtime повторяется.

На рис. 2б показана отработка сигналов OUTENA и ENAR. Из рисунка видно, что реакция микросхемы на эти сигналы однообразная: при установке OUTENA и ENAR в состояние low происходит установка выходных сигналов RU и RL в низкое состояние. Набросок также иллюстрирует реакцию процедуры отработки deadtime на присутствие шума (noise) по входу IN R — при наличии переключений сигнала на входе deadtime затягивается. Совместно с тем сигналы OUTENA и ENAR не запускают эту функцию.

В ближайшее время существенное внимание уделяется разработке преобразовательной техники наращиваемого типа, при котором нужную мощность прибора обеспечивают параллельной синхронной работой маломощных модулей. При проектировании таковой техники поможет наличие выходного сигнала генератора OSCOUT. Этот сигнал сумеет синхронизировать генераторы нескольких микросхем, если одна из их будет выбрана «ведущей», а другие — «ведомыми». Сигнал OSCOUT довольно подключить ко входам OSCIN.

Сейчас побеседуем об электронных и конструктивных параметрах микросхем. Оба устройства делаются на базе технологии КМОП, питаются от напряжения 5 В, что позволяет просто сопрягать IXDP630 и IXDP631 со стандартными микросхемами «жесткой логики», с портами микроконтроллеров. Наибольшее напряжение питания составляет 7 В и, как указывает практика, ни при каких обстоятельствах нельзя превосходить это значение (случаем либо целенаправленно) — микросхема гарантированно выйдет из строя.

Свой потребляемый ток составляет 1 мА, выходные сигналы допускают значение тока до 25 мА, что позволяет подключать конкретно к выходам драйверы опто-развязки типа HCPL3120. Рекомендуемое значение выходного тока — 8-10 мА.

Отличие микросхемы IXDP630 от IXDP631 невелико — в первом случае употребляется ча-стотозадающая RC-цепочка в генераторе тактовых импульсов, а во 2-м случае подключается кварцевый либо глиняний резонатор. Понятно, что применение резонатора существенно увеличивает временную точность формирования защитной паузы. Частота генератора задается в границах от 0,001 до 16 МГц для выполнения IXDP630 и в границах от 0,1 до 24 МГц для выполнения IXDP631.

Микросхемы обустроены входными триггерами Шмитта, что увеличивает их помехоустойчивость. Устройства выпускаются в пластиковом корпусе DIP-18 и обеспечивают работу в спектре температур от -40 до +85 °С. Размещение и наименование выводов показано на рис. 3.

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники
Рис. 3. Размещение и наименование выводов: а) IXDP630 б) IXDP631

Относительно выбора частотозадающих частей генератора производитель предоставляет последующую информацию. Для микросхемы IXDP630 нужно наличие всего 2-ух частей — конденсатора Cosc и резистора Rosc. Метод подключения частей к микросхеме показан на рис. 4.

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники
Рис. 4. Подключение частотозадающей цепи к IXDP630

В этом случае следует учесть, что при выборе тактовой частоты более 1 МГц температурная непостоянность отработки deadtime может достигать 5%. Не считая этого, при колебании напряжения питания микросхемы в границах от 4,5 до 5,5 В также будет наблюдаться ошибка отработки в 5%. Разработчики не советуют использовать резистор Rosc сопротивлением наименее 1 кОм, в неприятном случае вырастет чувствительность к дестабилизирующим факторам. Нижний вывод конденсатора нужно соединить с выводом 9 микросхемы кратчайшей методом, также выполнить кратчайшими связи частей с выводами 10 и 11 для минимизации паразитных индуктив-ностей монтажа.

Высчитать величины частотозадающих частей можно 2-мя методами — аналитическим и графическим. Лучше, естественно, пользоваться номограммой, приведенной на рис. 5.

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники
Рис. 5. Номограмма для определения Cosc и Rosc

Рассчитывая номиналы частей, не следует забывать, что фактическое время deadtime составляет 8 тактов генератора.

На рис. 6 показано подключение частотоза-дающих цепей к микросхеме IXDP631. Там же указаны рекомендуемые номиналы частей. Нужно пристально отнестись к разработке топологии печатной платы и уменьшить до минимума электронные связи.

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники
Рис. 6. Подключение резонатора Z к IXDP631

Нынешняя идеология проектирования силовых полупроводниковых устройств — это как можно более высочайший процент использования покупных частей. В итоге такового подхода удается, не затрачивая значимых усилий на разработку типовых узлов, строить довольно действенные серийные преобразователи электроэнергии. В текущее время быстро появляется рынок модульных драйверов управления силовыми транзисторными ключами. Схемотехника большинства этих драйверов такая, что они могут управлять транзисторами в «нижнем» и «верхнем» плечах полумостов. Естественно, производители драйверов учли особенности силовых схем и ввели в состав драйверов возможность задания deadtime и его регулировки в неких границах.

Управляющие схемы частотной преобразовательной техники фактически всегда обязаны работать в критериях значимых помех, возникающих при переключении силовых узлов. При этом помехи могут наводиться на элементы управляющей части как по цепям питания, так и по «воздуху». Потому нужно принять дополнительные меры для увеличения помехоустойчивости входов микросхем IXDP630 и IXDP631. В связи с этим сигнальные входы каналов R, S, T лучше «притянуть» к общему выводу резисторами сопротивлением 5,1-10,0 кОм, а входы отключения (так как уровень сигналов на их меняется очень изредка) — также на общий вывод, но через конденсаторы емкостью 820-1000 пФ.

В заключение малость поведаем о реальном опыте создателя и вероятных областях внедрения микросхемы.

Микросхема употребляется для разработки и производства ряда статических преобразователей переменного напряжения 3×380 и 230 В с частотой 50 Гц в переменное напряжение 3×230 В и 230 В с частотой 400 Гц и мощностью 6 кВт. Такие преобразователи очень обширно употребляются в спецтехнике и поставляются взамен традиционных крутящихся электромеханических преобразователей серий АТО и АТТ. В разработанном и производимом с приемкой «5» статическом преобразователе частоты типа СТТ-6-400 (рис. 7) оказалось довольно сформировать модулированный по синусоидальному закону ШИМ-сигнал и подать его на входы микросхемы IXDP630. На выходы микросхемы подключаются через опторазвязки HCPLJ312 полумостовые IGBT-сборки, LC-фильтры и трансформатор гальванической развязки типа ОСМ либо ТСВМ (производства ОАО «Электрозавод»). Сигнал отключения по недлинному замыканию в нагрузке подается на вход OUTENA, а сигнал отключения по перегрузке — на объединенные выходы ENAR, ENAT, ENAS. Сигнал RESET агрессивно установлен на высочайший уровень.

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники
Рис. 7. Опытнейший эталон преобразователя СТТ-6-400

Другой статический преобразователь для спецтехники мощностью 12 кВт предназначен для поставки взамен крутящихся электромеханических преобразователей типа ЭМУ, АТПР. Преобразователь трансформирует переменное трехфазное напряжение 380 В с частотой 50 Гц в неизменное напряжение с номинальным значением ±230 В, которое регулируется от нуля в обе стороны. Отличительной особенностью такового преобразователя являются, во-1-х, высочайшая линейность статической свойства, составляющая менее 1,5%; во-2-х, малый уровень пульсаций выходного тока — менее 0,02%. Нагрузка преобразователя — активно-индуктивная. В этом преобразователе типа СРТ-12 (рис. 8) микросхема IXDP630 также употребляется для задания «мертвого времени», но уже только по каналам R и S. Сам преобразователь построен по схеме автогенераторного мостового инвертора со стабилизацией выходного тока. Применение в нем описываемой микросхемы позволило в процессе разработки избежать многих аварийных ситуаций, связанных с выходом из строя дорогостоящих транзисторных ключей.

Применение микросхем IXDP630 и IXDP631 для формирования защитной паузы «deadtime» в полумостовых преобразовательных схемах силовой электроники
Рис. 8. Опытнейший эталон преобразователя СРТ-12