  Универсальные и недорогие драйверы затвора на классы напряжений до 6500ВСнижение стоимости рассматриваемых драйверов достигнуто за счет применения высокоинтегрированных специализированных интегральных схем (ASIC)Набор высокоинтегрированных микросхем SCALE-2 делает возможным создание улучшенных драйверов затвора, которые одновременно сочетают такие свойства, как гибкость применения и малую стоимость. Несмотря на то, что микросхемы разработаны на основе двух различных полупроводниковых технологий, у них полностью сохранена функциональная и параметрическая совместимость. Кроме того, такие их конкурентные преимущества как очень выгодная цена и долговременная доступность опций оказывают существенное влияние на результат обоснования производства собственного драйвера или приобретения готового. Выполнение таких появившихся недавно требований к силовым полупроводниковым приборам и драйверам как расширение функций мониторинга и защиты, поддержка параллельного и последовательного включения приборов может привести к увеличению сложности проекта и усилий на его осуществление. В такой ситуации оказывается выгодным использование специализированных микросхем (ASIC), т.к. они дают возможность снизить сложность системы, а, следовательно, и уменьшить производственные затраты с одновременным улучшением надежности и рабочих характеристик. Стандартизация каскада подключения микроконтроллера к IGBT-транзисторуРазработка монолитной интегральной схемы требует обоснования вложений и сроков проектирования. Очевидно, что наилучшей окупаемости инвестиций можно добиться при массовом производстве ИС. Однако лишь небольшая часть продукции может похвастаться высокой востребованностью рынком. Работая на таком специфическом рынке, как рынок драйверов затворов для применений средней и большой мощности, компания CONCEPT потратила много сил ради преодоления всех сложностей внедрения монолитных интегральных схем. Рецепт успеха компании заключается в обобщении требований к драйверам различного назначения и создании универсального решения, основанном на нескольких специализированных микросхемах. Технология SCALE-2Новое поколение высокоинтегрированных драйверов затворов IGBT-транзисторовНабор микросхем SCALE-2 помогает разработчику оптимизировать коммутационные характеристики, надежность и масштабируемость, а также гибкость применения и сроки вывода продукции на рынок. Он специально оптимизирован для совместимости с широким диапзоном IGBT-транзисторов различных классов мощности (150:3600А, 600:6500В), но при этом допускает возможность предварительной конфигурации для соответствия специфическим требованиям применения. Разработанный компанией CONCEPT набор микросхем SCALE-2 является технологической платформой нового поколения для создания масштабируемых драйверов затворов IGBT- и мощных MOSFET-транзисторов с улучшенными динамическими характеристиками, точностью, функциональностью и простотой применения. В нем полностью учтена концепция построения драйверов SCALE, которые нашли широкое практическое использование и были проверены и испытаны во множестве применениях. Набор микросхем SCALE-2 состоит из нескольких вариантов специализированных ИС (ASIC) интеллектуальных драйверов затвора для вторичной стороны (IGD) и специализированной ИС двухканального логического интерфейса драйвера для первичной стороны (LDI). Сочетание возможностей современных аналоговых каскадов с малыми топологическими размерами цифровых элементов позволяет достичь оптимального отношения цена-качествоНабор высокоинтегрированных микросхем SCALE-2 для построения драйверов затвора реализует всю необходимую функциональность и отличается простотой масштабирования мощности до 60A/20Вт и даже более. Каскады, предшествующие драйверу, в основном предназначены для достижения оптимальных характеристик при непосредственном управлении внешним n-канальным DMOS-транзистором с использованием отдельных резисторов в цепи затвора для независимого управления включением и отключением. Специализированная ИС интеллектуального драйвера затвора (IGD)На рис. 1 показана микрофотография образца специализированной ИС драйвера затвора. Для достижения требуемой функциональности, например, двунаправленного интерфейса на основе сигнальных трансформаторов или оптоволоконного интерфейса, в разнообразной стандартной продукции применяются различные варианты проволочного подключения к кристаллу. Специализированная ИС также содержит частично-модифицируемую область, которая позволяет реализовать дополнительную специфическую функциональность. Доступ к расширению функций управления предоставляет однократно-программируемая металлическая маска. Частично-модифицируемая область образована такими заранее сконфигурированными ячейками как аналоговые компараторы, логические элементы, простейшие приборы и контактные площадки.
Рис. 1. Микрофотография и структура интеллектуального драйвера затвора При включении и удержании транзистора в открытом состоянии ИС драйвера формирует стабилизированное на уровне +15В напряжение затвор-эмиттер. Это достигается за счет регулировки эмиттерного потенциала на выводе "Vee" (см. рис. 3). При необходимости, поддерживается установка специфического напряжения затвор-эмиттер. ASIC содержит охваченную обратной связью схему управления скоростью нарастания [1] и ограничения уровня [2] напряжения коллектор-эмиттер при отключении IGBT-транзистора. Данная схема способствует ускорению процесса активного ограничения напряжения, снижению потерь коммутации при отключении и улучшению способности к отключению при действии токов короткого замыкания. Специализированная ИС логического интерфейса драйвера (LDI)Микрофотография специализированной ИС логического интерфейса драйвера показана на рис. 2. Микросхема реализует двухканальный двунаправленный интерфейс на основе трансформаторов, масштабируемый DC/DC-преобразователь с особой последовательностью запуска, а также масштабируемую логику настройки и защит.
Рис. 2. Микрофотография и структура логического интерфейса драйвера Двунаправленный трансформаторный интерфейсДвунаправленный трансформаторный интерфейс предназначен для передачи команд и аварийных сигналов с помощью коротких импульсов, обеспечивающих минимальную задержку команд. В случае коллизии, аварийный сигнал за счет увеличения длительности импульса доминирует и над командным сигналом, и над шумовыми токами, вызванных действием dv/dt. Используемый метод асинхронной передачи аварийного сигнала также позволяет выполнить требования к временным характеристикам параллельно-включенных IGBT-транзисторов и преобразователей, выполненных по многоуровневым топологиям, т.к. в данном случае задержка передачи аварийного сигнала на первичную сторону составляет не более 1 мкс. Таким образом, данный режим передачи аварийного сигнала способен сигнализировать об аварийной ситуации еще до того как начнется отключение соответствующих IGBT-транзисторов. Задержка отключения регулируются микросхемой драйвера IGD. У драйверов с трансформаторным интерфейсом (см. рис. 3) можно достигнуть значений задержки менее 80нс и фазового шума +1нс.
Рис. 3. Схемотехника двухканального драйвера IGBT-транзисторов на основе высокоинтегрированных микросхем SCALE-2 Режимы работыВ режиме DIRECT возможно независимое управление обоими каналами драйвера. Данный режим отличается максимальной гибкостью и, следовательно, предпочтителен для использования в системах повышенной сложности с микроконтроллерным управлением. В режиме HALF-BRIDGE микросхема использует только один вход в качестве общего командного сигнала и генерирует два противофазных выходных сигнала. Выбор режима и регулировка паузы неперекрытия выполняются в зависимости от требований применения с помощью одного резистора. По запросу клиента возможна реализация еще одного третьего режима работы, который предназначен для взаимоблокировки или взаимоисключения. Логика работы защитПосле срабатывания любой из защит на первичной стороне драйвер переходит в состояние, в котором соответствующий канал оказывается отключенным в течение определенного интервала времени. Длительность этого интервала (время блокирования) задается с помощью одного внешнего резистора и при необходимости может быть установлена равной нулю. Интеграция в системуРазработанный CONCEPT набор микросхем SCALE-2 выступает в роли платформы для построения серии драйверов IGBT-транзисторов нового поколения.
Рис. 4. Схемотехника завершенного драйвера на основе микросхем SCALE-2 для IGBT-модулей на напряжение до 6500В На рис. 4 показана несколько упрощенная схема готового к использованию высоковольтного драйвера IGBT-модуля на напряжение до 6500В с улучшенной функцией активного ограничения. Работая совместно с внешними n-канальными DMOS-транзисторами в каскадах управления затвором и DC/DC-преобразования, драйвер способен развить выходной ток до 40А и мощность до 6Вт. Общее количество компонентов снижено более чем на 60% по сравнению с предшествующим набором микросхем драйверов SCALE [3]. Драйверы SCALE-2 затворов IGBT-транзисторов от 600В до 1700В
Типичные области применения
Общие особенности набора микросхем
Особенности ИС интеллектуального драйвера затвора
Особенности ИС логического интерфейса драйвера
Набор микросхем электрического интерфейса
Набор микросхем оптоволоконного интерфейса
* в зависимости от типа подключения
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
