Рубрики
Силовые разъемы

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer) А. Волке, М. Хорнкамп, Б. Стрзалковски
(компании Infineon Technologies AG и eupec GmbH, Германия)
Николай Лишманов
Андрей Копылов

В текущее время микросхемы драйверов для IGBT либо MOSFET обширно употребляются в почти всех областях силовой электроники и электротехники. Но суровой неувязкой остается электронная изоляция управляющих цепей от высочайшего напряжения силовой части. Фактически все решения сейчас основываются на применении оптронных гальванических развязок, наружных силовых трансформаторов либо преобразователей уровня напряжения, призванных обеспечить корректную работу и высочайшее качество изоляции. В данной статье рассматривается новый подход, реализованный в ИМС драйвера 2ED020I12-F с встроенным силовым трансформатором без сердечника.

О технологии силового трансформатора без сердечника

Сейчас основными способами по обеспечению надежной изоляции цепей управления от силовой части являются: внедрение оптоэлектронных развязок, разных силовых трансформаторов либо интегральных преобразователей уровня напряжения. Каждое из этих решений имеет отлично известные плюсы и недочеты. Основная задачка технологии силового трансформатора без сердечника (Coreless Transformer Technology, CLT) — соединить плюсы вышеперечисленных способов и в то же время избежать присущих им недочетов. Это, а именно, значит обеспечение высочайшего свойства изоляции, не подверженной старению и гарантирующей абсолютную надежность в протяжении всего срока эксплуатации. Не считая того, нужно сохранить маленькие размеры корпуса, неплохую сопоставимость с дополнительными логическими схемами и невысокую цена производства. База технологии CLT— тонкий микротрансформатор, выполненный на интегральном уровне в одном корпусе с полупроводниковыми структурами. Силовой трансформатор производит гальваническую развязку входных и выходных цепей, обеспечивая совместно с тем высочайшее качество передачи сигнала.

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)
Короткое описание полумостового драйвера 2ED020I12-F

Разработка ИС драйвера 2ED020I12-F началась с усовершенствования современных драйверных решений, о которых уже было упомянуто выше.

ИС 2ED020I12-F содержит два канала для управления полумостовыми схемами на базе IGBT либо MOSFET, при этом канал управления верхним плечом гальванически развязан с нижним благодаря микротрансформатору, реализованному по технологии CLT. Главные электронные характеристики ИС драйвера последующие:

  • номинальное рабочее напряжение до 1200 В;
  • выходное управляющее напряжение от 0 до +18 В;
  • наибольший выходной ток +1 А/–2 А.

Внедрение технологий CLT и SPT 5 позволило достигнуть продолжительности задержки передачи управляющего сигнала 50 нс при рассогласовании всего в ±10 нс. Не считая того, ИС содержит дополнительный операционный усилитель (ОУ) общего внедрения и компаратор с открытым коллектором.

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)
Стойкость к электрическому излучению

Отменная изоляция — далековато не единственное требование к драйверу промышленного внедрения. Только принципиальным свойством является его стойкость к электрическим помехам со значимой скоростью нарастания напряжения dV/dt и защищенность от конфигурации наружного магнитного поля. В структуре ИС 2ED020I12-F самым восприимчивым звеном тут является, непременно, микротрансформатор. Проведенные тесты проявили стойкость 2ED020I12-F к электрическим помехам с динамическими параметрами более 50 кВ/мкс и 100 A/м/нс. Такие отличные результаты достигнуты благодаря малой своей емкости микротрансформатора (наименее 0,2 пФ), пониженной внутренней паразитной емкости и электрическому экранированию.

Анализ работы драйвера в режиме однополярного управления

В большинстве технических описаний на силовые IGBT-модули приводится номинальное управляющее напряжение на затворе со значениями –15 В и +15 В. Но драйвер 2ED020I12-F обеспечивает значения смещения на затворе от 0 до +15 В. Потому возникает ряд вопросов, к примеру: каким должно быть сопротивление резистора затвора RG, каковы будут утраты энергий при включении и выключении (Eon, Eoff) и как воздействует на время включения и выключения (td_on, td_off) напряжение управления. Сопротивление резистора в цепи затвора — один из важных характеристик, определяющих утраты при выключении IGBT. Чтоб высчитать его значение для определенной выделяемой мощности при выключении в критериях однополярного управления силовым транзисторным ключом, употребляется последующее эмпирическое правило:

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)

где 1/3 — множитель, определяемый из соотношения (2) при условии, что неизменное напряжение, обусловленное эффектом Миллера VMP, находится в границах от +8 до +10 В зависимо от определенного типа IGBT-кристалла и тока коллектора.

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)

На рис. 3 представлен график, довольно точно отображающий зависимость утрат энергии при выключении от сопротивления резистора в затворе Eoff = ƒ(RG) при разных управляющих напряжениях. Из графических зависимостей видно, что при схожих величинах энергопотерь, к примеру, Eoff ≈ 1,55 мДж, значение множителя 1/3 соблюдается. Так, при напряжении на затворе от 0 до +15 В сопротивление RG 0/15 = 62 Ом, а при напряжении от –15 В до +15 В — RG –15/15 = 180 Ом.

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)

В отличие от выключения, при включении не существует различия меж однополярным (от 0 до +15 В) и двухполярным (от –15 до +15 В) управлением. Причина в том, что утраты при включении зависят от тока коллектора IC IGBT-ключа. В свою очередь, IC зависит только от напряжения на затворе, другими словами, согласно передаточной функции, представленной на рис. 4, коллекторный ток потечет только тогда, когда напряжение на затворе будет больше нуля. Соответственно, нет никакой различия меж исходным управляющим смещением 0 В и –15 В.

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)

Преимущество двухполярного управления — это угнетение вероятных электрических помех и бросков напряжений, возникающих при выключении IGBT. Этот эффект принципиально учесть для среднемощных и массивных устройств, но он практически не проявляется в области средних и малых мощностей.

В отличие от включения при двухполярном управлении IGBT, при однополярном наблюдается наименьшее время задержки. Значения сих пор td_on, снятые для нескольких значений сопротивлений в цепи затвора, представлены на рис. 5.

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)

Но, с другой стороны, общее время выключения при однополярном (от 0 до +15 В) напряжении управления на затворе больше, чем при двухполярном (от –15 до +15 В), что отражено на рис. 6.

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)
Области внедрения драйвера

Микросхема 2ED020I12-F подходит не только лишь для IGBT, да и, благодаря собственной рабочей частоте переключения до 60 кГц, полностью применима для управления каскадами на базе MOSFET. Таким макаром, открываются последующие способности для ее использования:

  • трехфазные мало- и среднемощные преобразователи для электроприводов переменного тока и вентильных (бесконтактных) движков;
  • Н-мосты для питания движков неизменного тока либо построения импульсных источников питания.

Новенькая интегральная микросхема драйвера 2ED020I12-F для IGBT / MOSFET транзисторов на базе технологии встроенного силового трансформатора без сердечника (CLT – Coreless Transformer)

Продолжение следует