Высоковольтные ИС для надежных платформ управления электроприводом


PDF версия

Высоковольтные ИС, удовлетворяющие требованиям к драйверам затворов полупроводниковых приборов, все чаще применяются в силовых каскадах схем управления электроприводом. Обеспечивая высокий уровень интеграции, эти высоковольтные ИС позволяют удовлетворить требованиям проекта, сведя к минимуму количество компонентов в таких приложениях как кондиционеры воздуха, вентиляторы, насосы, преобразователи общего назначения и автомобильная электроника.

Новейшие высокоскоростные и мощные драйверы MOSFET и IGBT, например, не требуют ни ограничительного диода, ни токоограничивающего резистора и имеют зависимые или независимые выходные каналы верхнего и нижнего уровней с управляющим напряжением затвора в диапазоне 10…20 В. Драйверы (начиная с семейства International Rectifier IRS260xD) имеют выходной буферный каскад высокого импульсного тока, предназначенный для минимизации перекрестной проводимости. Плавающий канал используется для управления N-канальными мощными MOSFET или IGBT в конфигурации верхнего уровня при рабочем напряжении до 600 В. Эти устройства обеспечивают согласованную задержку при прохождении сигнала для обоих каналов и усовершенствованный входной фильтр для повышения помехоустойчивости. Устойчивость к выбросам отрицательного напряжения защищает систему при переключении больших токов и в условиях возникновения КЗ.

Помимо функций блокировки при пониженном напряжении питания, которыми обладают почти все драйверы компании IR, новые семейства устройств для управления электроприводом отличаются очень малым током потребления, что позволяет их использовать даже в самых требовательных приложениях. Для уменьшения числа компонентов, упрощения схемы и повышения ее надежности новейшие драйверы оснащены встроенной бутстрепной схемой, которая реализуется за счет высокого внутреннего высоковольтного MOSFET, обеспечивающего протекание тока на верхний уровень через питающую сеть низкого уровня (замена внешнего бутстрепного диода).

Безопасный режим

Разрабатывая схему инвертора, необходимо убедиться в том, что конкретная высоковольтная ИС обеспечит требуемое быстродействие как в нормальном режиме, так и при перегрузке. Устойчивость к отрицательным всплескам напряжения особенно важна.

Элементы драйвера верхнего уровня высоковольтной ИС изолированы от остальной цепи p-n-переходом с обратным смещением. Каждый раз, когда отрицательный импульс переходного напряжения уменьшает потенциал цепи верхнего уровня ниже земли, изолирующий переход смещается в обратном направлении. Вследствие этого элементы верхнего уровня могут воздействовать на другие цепи из-за наличия внутренних паразитных биполярных структур.

На рисунке 1 показана стандартная структура высоковольтной ИС с диодом (D7) на эпитаксиальной подложке и с n-p-n-транзистором (Q7), которые являются наиболее заметными паразитными элементами. При отрицательном всплеске напряжения Vs диод D7 и транзистор Q7 могут включиться, что приведет к изменению поведения цепи и созданию условий защелкивания. В результате могут возникнуть временная неустойчивость работы или даже выход прибора из строя.

Рис. 1. Структура высоковольтной ИС

Чтобы избежать этих затруднений, International Rectifier создала метод, который использует концепцию NTSOA (Negative Transient Safe Operating Area — область безопасной работы при отрицательных переходных напряжениях) для определения работоспособности драйвера при отрицательных выбросах напряжения.

На рисунке 2 приведен график NTSOA для ИС драйвера. Как видно из иллюстрации, устройство гарантированно работает при возникновении любого отрицательного выброса напряжения, если его длительность и амплитуда соответствуют области, расположенной выше кривой NTSOA. Например, устройство продолжает работу при –40-В выбросе длительностью 100 нс.

Рис. 2. Область безопасной работы при отрицательном переходном напряжении Vs для драйверов затвора IR (при VBS = 15 В)

В случае выбора высоковольтных ИС компании International Rectifier устойчивая работа каждого нового драйвера затвора в указанных пределах области NTSOA проверяется специализированными тестами, во время которых эти компоненты подвергаются воздействию импульсов отрицательного напряжения переменной амплитуды и длительности. При этом также определяются условия возникновения отказа для обеспечения безопасной работы компонентов в указанных границах. Помимо соответствия условиям работы в области NTSOA, каждый новый компонент тестируется в составе конечного устройства и подвергается воздействию условий КЗ. Печатная плата преобразователя проектируется таким образом, чтобы воспроизвести наихудший вариант возникновения паразитных условий в реальной сборке, а драйвер тестируется при КЗ на выходе инвертора при управлении IGBT c различными параметрами и при разных токах нагрузки.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *