Драйверы силовых транзисторов

Усилитель импульсов управления, который формирует выходные сигналы заданной мощности и формы, изготовленный в виде отдельной интегральной схемы, называется драйвером. Структурно схему драйвера для силовых транзисторов показана на рис. 2.29. Схема содержит входной узел, принимающий сигнал информационного канала, узел согласования, преобразующий информационный сигнал в сигнал управления необходимого уровня, и выходной узел, осуществляющий окончательное формирование импульса управления требуемой формы и мощности. Дополнительно на драйвер могут быть возложены функции защиты силового ключа от перегрузок или функция слежения за уровнем напряжения питания микросхемы.

В зависимости от применяемой развязки входной узел представляет собой либо фотоприемное устройство оптопары, либо логическую схему, с передающую информационный сигнал в узел высокочастотной трансформаторной системы разделения цепей. Узел согласования представляет собой один или несколько ключевых транзисторов, преобразующих потенциальный уровень информационного сигнала. Основные требования к схеме согласования — высокий коэффициент усиления по току и повышенное быстродействие. С этой целью используют схемы ненасыщенных ключей с высоким собственным коэффициентом передачи hFE, например, как это показано на рис. 2.30.

Рис. 2.29 Рис. 2.30

Построение выходного узла основывается на характеристике цепи управления силового ключа и зависимости временных параметров от режима управления.

Характеристика цепи управления биполярного транзистора представляет собой ВАХ прямосмещенного р-n-перехода (аналогично для биполярного индукционного транзистора), а теоретически оптимальная форма базового тока для улучшения динамических свойств ключа выглядит так, как это показано на рис. 2.32. Входную цепь ключевых транзисторов с изолированным затвором характеризует проходная ВАХ, а также зависимость заряда, накопленного в цепи затвора от входного напряжения (рис. 2.33).

Рис. 2.31

Основные требования к выходному узлу формирователя, для биполярного транзистора:

1. Биполярный транзистор — прибор, управляемый током. Таким образом, во входной цепи ключа необходимо реализовать режим источника тока.

2. Большая амплитуда тока управления уменьшает время нарастания силового тока и динамические потери при включении, это увеличивает накапливаемый заряд, что увеличивает выключение. Поэтому осуществляют формированный режим включения с последующим спадом входного тока до уровня гарантированного насыщения.

3. Для уменьшения задержки выключения и фронта спада силового тока увеличивают запирающий ток базы.

4. Для уменьшения глубины насыщения транзистора применяют нелинейную обратную связь между входом и выходом ключа.

Рис. 2.32

Выходной узел драйвера, управляющего изолированным затвором, должен соответствовать следующим требованиям:

1. МДП-транзисторы и IGBT — управляются напряжением, однако для увеличения входного напряжения до 12...15 В. необходимо обеспечить в цепь затвора соответствующий заряд.

2. Динамические характеристики переключения определяются скоростью перезаряда конденсаторов транзистора. Минимальные времена обеспечиваются в режиме перезаряда постоянным динамическим током.

3. Для ограничения скорости нарастания тока в режиме малых нагрузок и уменьшения динамических помех используются последовательные сопротивления в цепях затвора.

4. Для защиты транзисторов от динамических скачков выходных напряжений используют отрицательное смещение в цепи затвора в закрытом состоянии ключа (от -2.5 до-15 В).

Данным требованиям соответствует выходной узел, представленный на рис. 2.33.

Рис. 2.33

Рассмотрим несколько примеров практической реализации драйверов силовых транзисторов.

На рис. 2.34 представлена схема драйвера M57915L компании «Mitsubishi Electric» для управления биполярным транзистором на коллекторный ток 10... 100 А.

Входной узел драйвера выполнен в виде транзисторной оптопары, осуществляющей развязку с информационным каналом. Чтобы не увеличивать задержку передачи сигнала, транзистор оптрона работает в линейном режиме за счет включенного в цепь коллектора конденсатора.

Далее транзисторные ключи узла согласования преобразуют потенциальный уровень информационного сигнала, что обеспечивает управление выходными ключами драйвера в противофазном режиме.

Окончательное формирование импульса управления обеспечивается схемой подключения драйвера к входной цепи транзистора. Драйвер, управляющий МДП-транзистором, показан на рис. 2.37 (микросхема M57924L компании «Mitsubishi Electric» для выходных токов силового ключа 15... 100 А).

Рис. 2.34 Рис. 2.35

Во входной цепи схемы используется быстродействующий диодный оптрон с усилением фототока, питаемый от выходного напряжения цепи стабилитрона (схема параметрической стабилизации). Усиленный информационный сигнал управляет ключом согласующего узла, который для повышения быстродействия выполнен на МДП-транзисторе. Выходной узел представляет собой комплементарную пару биполярных транзисторов, осуществляющих перезаряд емкостей силового ключа. Структурная схема драйвера для IGBT на силовой ток до 400 А компании «Semikron» показана на рис. 2.36. Данный драйвер использует трансформаторную развязку входной и выходной цепи. Для этого внутрь схемы встроены высокочастотный трансформатор и импульсный преобразователь. Это позволяет применять схему в широком температурном диапазоне (-25...+85°С) при напряжении изоляции (4 кВ). Импульсный преобразователь обеспечивает питанием выходные узлы драйвера, что обеспечивает питание драйвера на стороне информационного сигнала. Дополнительные функции драйвера: защита IGBT от токовой перегрузки, слежение за напряжением питания драйвера.

Качество драйверов характеризуется: напряжение изоляции, рабочий диапазон температур, электрические параметры входного и выходного сигнала, задержка распространения сигнала и внутренняя мощность рассеяния.

Рис. 2.36,a

Рис. 2.36,б