Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
SKYPER 52 ó<br />
ÔÂapple‚˚È Ò‚ÂappleıÏÓ˘Ì˚È ˆËÙappleÓ‚ÓÈ ‰apple‡È‚Âapple IGBT<br />
ÓÚ ÍÓÏÔ‡ÌËË SEMIKRON<br />
Для работы любого преобразо<strong>в</strong>ателя, созданного с применением IGBT-модулей,<br />
необходимо устройст<strong>в</strong>о, осущест<strong>в</strong>ляющее передачу упра<strong>в</strong>ляющих сигнало<strong>в</strong><br />
от контроллера к зат<strong>в</strong>орам сило<strong>в</strong>ых ключей. С ростом мощностей эта задача<br />
стано<strong>в</strong>ится <strong>в</strong>се более сложной, для ее решения необходимо у<strong>в</strong>еличи<strong>в</strong>ать<br />
нагрузочную способность драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong>, по<strong>в</strong>ышать их помехозащищенность<br />
и стойкость к на<strong>в</strong>еденным фронтам напряжения. Кроме этого, со<strong>в</strong>ременное<br />
устройст<strong>в</strong>о упра<strong>в</strong>ления должно <strong>в</strong>ыполнять целый набор защитных и сер<strong>в</strong>исных<br />
функций.<br />
Осно<strong>в</strong>ной целью разработки полностью цифро<strong>в</strong>ого драй<strong>в</strong>ера SKYPER 52 стало<br />
обеспечение <strong>в</strong>ысококачест<strong>в</strong>енной передачи изолиро<strong>в</strong>анных контрольных сигнало<strong>в</strong><br />
<strong>в</strong> системах средней и большой мощности. В предлагаемой статье описаны осно<strong>в</strong>ные<br />
характеристики но<strong>в</strong>ого устройст<strong>в</strong>а упра<strong>в</strong>ления и обсуждены преимущест<strong>в</strong>а<br />
цифро<strong>в</strong>ого способа передачи данных.<br />
Маркус Херм<strong>в</strong>иль<br />
(Markus Hermwille)<br />
Андрей Колпако<strong>в</strong><br />
Andrey.Kolpakov@semikron.com<br />
Идеология «ядра»<br />
Драй<strong>в</strong>ер зат<strong>в</strong>оро<strong>в</strong> MOSFET/IGBT, как с<strong>в</strong>язующее<br />
з<strong>в</strong>ено между контроллером и сило<strong>в</strong>ым каскадом, я<strong>в</strong>ляется<br />
одним из ключе<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong> преобразо<strong>в</strong>ательного<br />
устройст<strong>в</strong>а. Характеристики схемы упра<strong>в</strong>ления<br />
<strong>в</strong>о многом определяют параметры сило<strong>в</strong>ых<br />
модулей — <strong>в</strong>еличину статических и динамических<br />
потерь, скорость переключения, уро<strong>в</strong>ень электромагнитных<br />
помех.<br />
В статическом состоянии <strong>в</strong>ход упра<strong>в</strong>ления IGBT<br />
практически не потребляет мощности, транзисторы<br />
данного типа (как и MOSFET) относятся к классу<br />
электронных ключей, упра<strong>в</strong>ляемых напряжением.<br />
Однако при переключении IGBT драй<strong>в</strong>еру приходится<br />
коммутиро<strong>в</strong>ать большие токи, необходимые для<br />
перезаряда емкостей зат<strong>в</strong>ора. Поэтому одним из осно<strong>в</strong>ных<br />
параметро<strong>в</strong>, определяющих мощность схемы<br />
упра<strong>в</strong>ления, я<strong>в</strong>ляется <strong>в</strong>еличина заряда Q G , накапли<strong>в</strong>аемого<br />
на емкостях C GE (зат<strong>в</strong>ор-эмиттер) и C GC<br />
(зат<strong>в</strong>ор-коллектор).<br />
Гла<strong>в</strong>ной задачей, решаемой драй<strong>в</strong>ером, я<strong>в</strong>ляется<br />
преобразо<strong>в</strong>ание слаботочного логического сигнала<br />
контроллера <strong>в</strong> сигнал упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>ором, мощности<br />
которого должно х<strong>в</strong>атать для быстрого перезаряда<br />
емкостей зат<strong>в</strong>ора IGBT. Поскольку сило<strong>в</strong>ые<br />
ключи работают при напряжениях, сущест<strong>в</strong>енно пре<strong>в</strong>ышающих<br />
потенциалы сигнало<strong>в</strong> контроллера,<br />
устройст<strong>в</strong>о упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>ором должно осущест<strong>в</strong>лять<br />
<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтный сд<strong>в</strong>иг уро<strong>в</strong>ня или галь<strong>в</strong>аническую<br />
раз<strong>в</strong>язку контрольных импульсо<strong>в</strong> и импульсо<strong>в</strong>,<br />
поступающих на зат<strong>в</strong>оры. Кроме того, со<strong>в</strong>ременные<br />
драй<strong>в</strong>еры немыслимы без многочисленных<br />
защитных и сер<strong>в</strong>исных функций, необходимых для<br />
безотказной работы IGBT <strong>в</strong>о <strong>в</strong>сех режимах эксплуатации,<br />
<strong>в</strong>ключая а<strong>в</strong>арийные.<br />
Устройст<strong>в</strong>о упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>ором должно обеспечи<strong>в</strong>ать<br />
оптимальный баланс таких качест<strong>в</strong>, как<br />
функциональная полнота и гибкость, простота и надежность,<br />
конкурентоспособная цена. Стремясь<br />
к максимальной унификации, а, следо<strong>в</strong>ательно,<br />
и удеше<strong>в</strong>лению продукции, компания SEMIKRON<br />
решила использо<strong>в</strong>ать популярную идеологию «ядра»<br />
для создания уни<strong>в</strong>ерсального модуля упра<strong>в</strong>ления<br />
IGBT. Несколько лет назад на рынок было <strong>в</strong>ыпущено<br />
пер<strong>в</strong>ое поколение устройст<strong>в</strong> подобного типа,<br />
получи<strong>в</strong>ших наз<strong>в</strong>ание SKYPER 32 [1]. Осно<strong>в</strong>ной<br />
концепцией, заложенной <strong>в</strong> конструкцию SKYPER,<br />
стала идея сопряжения с модулем IGBT с помощью<br />
интерфейсных плат (рис. 1), широкую гамму которых<br />
предлагает SEMIKRON.<br />
Ядро SKYPER 32 разрабаты<strong>в</strong>алось как осно<strong>в</strong>а для<br />
построения серии драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong> широкого применения.<br />
Оно содержит набор базо<strong>в</strong>ых узло<strong>в</strong>, необходимых<br />
<strong>в</strong> большинст<strong>в</strong>е практических применений: блок обработки<br />
сигнала с изолиро<strong>в</strong>анным интерфейсом,<br />
Рис. 1. Сборка «драй<strong>в</strong>ер SKYPER 32 —<br />
интерфейсная плата – модуль IGBT SEMiX»<br />
36 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
Рис. 2. Функциональная схема SKYPER 32PRO<br />
устройст<strong>в</strong>о защиты и мониторинга, <strong>в</strong>ыходные<br />
каскады упра<strong>в</strong>ления изолиро<strong>в</strong>анными зат<strong>в</strong>орами<br />
и DC/DC-преобразо<strong>в</strong>атель. Блок-схема<br />
драй<strong>в</strong>ера SKYPER 32PRO, отличающегося<br />
от базо<strong>в</strong>ой <strong>в</strong>ерсии расширенным набором сер<strong>в</strong>исных<br />
функций, показана на рис. 2.<br />
Для работы драй<strong>в</strong>ера требуется один низко<strong>в</strong>ольтный<br />
источник +15 В, д<strong>в</strong>уполярные напряжения<br />
+15/–7 В, необходимые для питания<br />
<strong>в</strong>ыходных каскадо<strong>в</strong>, <strong>в</strong>ырабаты<strong>в</strong>аются <strong>в</strong>строенным<br />
DC/DC-кон<strong>в</strong>ертором.<br />
Осно<strong>в</strong>ные технические характеристики<br />
SKYPER 32:<br />
• д<strong>в</strong>а канала упра<strong>в</strong>ления;<br />
• <strong>в</strong>строенный DC/DC-кон<strong>в</strong>ертор;<br />
• галь<strong>в</strong>аническая изоляция сигнало<strong>в</strong> упра<strong>в</strong>ления<br />
с помощью импульсного трансформатора<br />
(изоляция по стандарту EN50178 PD2);<br />
• <strong>в</strong>ыходной ток (пико<strong>в</strong>ый) — 15 A;<br />
• заряд зат<strong>в</strong>ора упра<strong>в</strong>ляемого транзистора —<br />
до 6,3 мкКл;<br />
• рабочая частота — до 50 кГц;<br />
• напряжение изоляции — 4 кВ;<br />
• <strong>в</strong>иды защиты: DESAT (desaturation — <strong>в</strong>ыход<br />
из насыщения), UVLO (Under Voltage<br />
LockOut), пода<strong>в</strong>ление коротких шумо<strong>в</strong>ых<br />
импульсо<strong>в</strong>, программируемое <strong>в</strong>ремя t dt .<br />
Благодаря использо<strong>в</strong>анию специализиро<strong>в</strong>анной<br />
интегральной микросхемы (ASICs —<br />
Application Specific Integrated Circuits) количест<strong>в</strong>о<br />
<strong>в</strong>нешних дискретных элементо<strong>в</strong> с<strong>в</strong>едено<br />
к минимуму. Д<strong>в</strong>уканальная микросхема<br />
SKIC 2001, разработанная SEMIKRON для применения<br />
<strong>в</strong> драй<strong>в</strong>ерах и интеллектуальных сило<strong>в</strong>ых<br />
модулях серии SKiiP, <strong>в</strong>ыполняет следующие<br />
функции:<br />
• пода<strong>в</strong>ление шумо<strong>в</strong>ых импульсо<strong>в</strong>;<br />
• нормиро<strong>в</strong>ание уро<strong>в</strong>ней и фронто<strong>в</strong> <strong>в</strong>ходных<br />
сигнало<strong>в</strong>;<br />
• мониторинг напряжения питания (UVLO);<br />
• мониторинг сигнало<strong>в</strong> ошибки;<br />
• запрет одно<strong>в</strong>ременного <strong>в</strong>ключения транзисторо<strong>в</strong><br />
полумоста (функция “interlock”), формиро<strong>в</strong>ание<br />
<strong>в</strong>ремени задержки переключения<br />
t dt ;<br />
www.power-e.ru<br />
• упра<strong>в</strong>ление <strong>в</strong>строенным изолиро<strong>в</strong>анным<br />
DC/DC-кон<strong>в</strong>ертором.<br />
Изоляция контрольных сигнало<strong>в</strong><br />
С точки зрения сило<strong>в</strong>ой электроники упра<strong>в</strong>ляющие<br />
системы, такие как микроконтроллеры,<br />
ЦСП и т. д., работают при с<strong>в</strong>ерхнизких<br />
уро<strong>в</strong>нях сигнало<strong>в</strong>, несоизмеримых с напряжениями<br />
сило<strong>в</strong>ых сетей. Устройст<strong>в</strong>о, осущест<strong>в</strong>ляющее<br />
потенциальную раз<strong>в</strong>язку импульсо<strong>в</strong><br />
упра<strong>в</strong>ления, должно иметь не только <strong>в</strong>ысокие<br />
изолирующие с<strong>в</strong>ойст<strong>в</strong>а, но и хорошую помехозащищенность.<br />
В проти<strong>в</strong>ном случае шумо<strong>в</strong>ые<br />
импульсы, проникающие <strong>в</strong> устройст<strong>в</strong>о<br />
упра<strong>в</strong>ления через паразитные емкости изолирующих<br />
барьеро<strong>в</strong>, могут достигать соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующих<br />
логических уро<strong>в</strong>ней и при<strong>в</strong>одить к<br />
сбою <strong>в</strong> работе цифро<strong>в</strong>ых схем.<br />
В мощных преобразо<strong>в</strong>ателях, получающих<br />
питание от промышленных сетей, к изолиро<strong>в</strong>анному<br />
драй<strong>в</strong>еру предъя<strong>в</strong>ляется д<strong>в</strong>а осно<strong>в</strong>ных<br />
требо<strong>в</strong>ания: <strong>в</strong>ысокое напряжение изоляции<br />
и стойкость к скоростным фронтам<br />
импульсо<strong>в</strong> напряжения, образующихся при<br />
коммутации IGBT (<strong>в</strong> англоязычной литературе<br />
этот параметр назы<strong>в</strong>ают dv/dt immunity).<br />
Для достижения хорошего иммунитета к dv/dt<br />
необходимо снижать емкость изолирующего<br />
перехода до предельно достижимого уро<strong>в</strong>ня,<br />
<strong>в</strong>еличина этой паразитной емкости<br />
не должна пре<strong>в</strong>ышать нескольких пикофарад.<br />
Лучшим способом решения данной задачи<br />
я<strong>в</strong>ляется использо<strong>в</strong>ание специальных<br />
импульсных изолирующих трансформаторо<strong>в</strong><br />
[2, 3].<br />
Передача импульсо<strong>в</strong> по фронтам<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя <strong>в</strong> пода<strong>в</strong>ляющем большинст<strong>в</strong>е<br />
изолирующих драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong> (<strong>в</strong> том числе<br />
и SKYPER 32) сигнальные трансформаторы<br />
используются для передачи фронто<strong>в</strong> импульсо<strong>в</strong>,<br />
которые далее <strong>в</strong>осстана<strong>в</strong>ли<strong>в</strong>аются<br />
с помощью триггерных схем.<br />
Как пра<strong>в</strong>ило, короткие «фронто<strong>в</strong>ые» импульсы<br />
<strong>в</strong>ырабаты<strong>в</strong>аются <strong>в</strong> пер<strong>в</strong>ичных каскадах<br />
драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong> с помощью демпфиро<strong>в</strong>анных<br />
последо<strong>в</strong>ательных резонансных контуро<strong>в</strong>. Переданные<br />
через трансформатор данные детектируются<br />
и <strong>в</strong>осстана<strong>в</strong>ли<strong>в</strong>аются специальным<br />
блоком <strong>в</strong> <strong>в</strong>ыходном каскаде драй<strong>в</strong>ера, надежность<br />
данного способа передачи сигнала, как<br />
пра<strong>в</strong>ило, обеспечи<strong>в</strong>ается за счет относительно<br />
медленной скорости детектиро<strong>в</strong>ания.<br />
Технология <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления «по фронтам»<br />
пригодна только для сигнало<strong>в</strong> <strong>в</strong>ключения<br />
и <strong>в</strong>ыключения, она не может быть использо<strong>в</strong>ана,<br />
например, для передачи последо<strong>в</strong>ательности<br />
по<strong>в</strong>торяющихся импульсо<strong>в</strong>. Если один<br />
импульс передан, то перед транслиро<strong>в</strong>анием<br />
следующего, идущего <strong>в</strong> проти<strong>в</strong>оположном напра<strong>в</strong>лении,<br />
должно пройти определенное <strong>в</strong>ремя<br />
(так назы<strong>в</strong>аемое <strong>в</strong>ремя <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления).<br />
Цифро<strong>в</strong>ая передача импульсо<strong>в</strong><br />
Осно<strong>в</strong>ной задачей проектиро<strong>в</strong>ания цифро<strong>в</strong>ого<br />
устройст<strong>в</strong>а упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>ором стала<br />
разработка технологии обработки сигнала,<br />
обеспечи<strong>в</strong>ающей максимально надежную его<br />
трансформацию при минимальной за<strong>в</strong>исимости<br />
от <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ия <strong>в</strong>нешних климатических<br />
факторо<strong>в</strong> и паразитных распределенных<br />
параметро<strong>в</strong> компоненто<strong>в</strong> схемы. Кроме того,<br />
очень <strong>в</strong>ажно, чтобы эти показатели сохранялись<br />
<strong>в</strong> течение <strong>в</strong>сего срока эксплуатации,<br />
то есть не были под<strong>в</strong>ержены <strong>в</strong>лиянию так назы<strong>в</strong>аемого<br />
эффекта старения.<br />
В разработанной схеме для генерации импульсо<strong>в</strong><br />
заданной формы и длительности<br />
используется программируемая логическая матрица<br />
(FPGA), что поз<strong>в</strong>олило обеспечить неза<strong>в</strong>исимость<br />
параметро<strong>в</strong> сигнало<strong>в</strong> от характеристик<br />
полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых переходо<strong>в</strong>. Восстано<strong>в</strong>ление<br />
данных произ<strong>в</strong>одится с помощью<br />
дифференциальной схемы, обеспечи<strong>в</strong>ающей <strong>в</strong>ысокую<br />
помехозащищенность канала передачи.<br />
Как пра<strong>в</strong>ило, шумы одинако<strong>в</strong>о <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>уют<br />
на оба <strong>в</strong>ыхода импульсного трансформа-<br />
37
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
тора. Если уро<strong>в</strong>ень на<strong>в</strong>еденных при этом помех<br />
одинако<strong>в</strong>, <strong>в</strong> дифференциальной схеме они<br />
компенсируются и соотношение сигнал/шум<br />
остается удо<strong>в</strong>лет<strong>в</strong>орительным, даже если амплитуда<br />
шумо<strong>в</strong>ых импульсо<strong>в</strong> больше чем информационных.<br />
Высокая надежность передачи сигнала достигается,<br />
когда <strong>в</strong>ыходной ток трансформатора<br />
достаточно <strong>в</strong>ысок, а <strong>в</strong>ходной полный импеданс<br />
приемника мал. В этом случае отпадает<br />
необходимость <strong>в</strong> формиро<strong>в</strong>ании импульсо<strong>в</strong><br />
упра<strong>в</strong>ления большой амплитуды и, соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>енно,<br />
не требуется источник питания с <strong>в</strong>ысоким<br />
<strong>в</strong>ыходным напряжением. При ого<strong>в</strong>оренном<br />
<strong>в</strong>ыше усло<strong>в</strong>ии, что работа схемы не за<strong>в</strong>исит<br />
от параметро<strong>в</strong> компоненто<strong>в</strong>, устройст<strong>в</strong>о<br />
может надежно работать даже при напряжении<br />
питания 3,3 В.<br />
На рис. 3 показана упрощенная схема цифро<strong>в</strong>ой<br />
передачи данных драй<strong>в</strong>ера SKYPER 52.<br />
Мощный <strong>в</strong>ходной мосто<strong>в</strong>ой каскад, образо<strong>в</strong>анный<br />
MOSFET-транзисторами, генерирует<br />
пачки импульсо<strong>в</strong> переменной длительности,<br />
которые далее передаются <strong>в</strong>о <strong>в</strong>торичные каскады<br />
с помощью изолирующего трансформатора.<br />
Сформиро<strong>в</strong>анный таким образом сигнал<br />
принимается дифференциальным д<strong>в</strong>ухпорого<strong>в</strong>ым<br />
компаратором и напра<strong>в</strong>ляется<br />
далее на программируемую логическую матрицу<br />
для обработки и кодиро<strong>в</strong>ания.<br />
Рис. 4. Импульсная диаграмма<br />
При<strong>в</strong>еденная на рис. 4 последо<strong>в</strong>ательность<br />
импульсо<strong>в</strong>, образо<strong>в</strong>анная задающим генератором,<br />
необходима для формиро<strong>в</strong>ания приемником<br />
одного импульса упра<strong>в</strong>ления. Полумосто<strong>в</strong>ые<br />
каскады передатчика для упрощения<br />
показаны <strong>в</strong> <strong>в</strong>иде логических <strong>в</strong>ентилей<br />
(HB1 и HB2), а д<strong>в</strong>ухпорого<strong>в</strong>ый компаратор заменен<br />
дифференциальным приемником.<br />
Сердечник изолирующего трансформатора<br />
изгота<strong>в</strong>ли<strong>в</strong>ается из материала с <strong>в</strong>ысокой магнитной<br />
проницаемостью. Он способен намагничи<strong>в</strong>аться<br />
при относительно малом токе<br />
(около 10 мА), <strong>в</strong> то <strong>в</strong>ремя как нагрузка на <strong>в</strong>торичную<br />
обмотку может быть намного <strong>в</strong>ыше.<br />
Поддержи<strong>в</strong>ая столь низкий ток намагничи<strong>в</strong>ания,<br />
можно уменьшать ток пер<strong>в</strong>ичной обмотки<br />
практически до нуля, пока не пропадет остаточная<br />
намагниченность. При этом <strong>в</strong>ремя, которое<br />
должно пройти между по<strong>в</strong>торяющимися<br />
импульсами (<strong>в</strong>ремя <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления), оказы<strong>в</strong>ается<br />
достаточно коротким.<br />
Благодаря низкому уро<strong>в</strong>ню намагничи<strong>в</strong>ания<br />
и, следо<strong>в</strong>ательно, малой <strong>в</strong>еличине запасаемой<br />
<strong>в</strong> сердечнике энергии можно достичь значения<br />
такто<strong>в</strong>ой частоты около 1 МГц. Генерация<br />
импульсо<strong>в</strong> может быть прер<strong>в</strong>ана сигналом<br />
счетчика <strong>в</strong> любое <strong>в</strong>ремя, типо<strong>в</strong>ая последо<strong>в</strong>ательность<br />
импульсо<strong>в</strong> <strong>в</strong>ыключения <strong>в</strong> одном<br />
из дифференциальных канало<strong>в</strong> передачи показана<br />
на рис. 5.<br />
С помощью широтно-импульсной модуляции<br />
импульсных пакето<strong>в</strong> (изменяется длительность<br />
импульса и <strong>в</strong>ремя паузы между ними)<br />
осущест<strong>в</strong>ляется д<strong>в</strong>унапра<strong>в</strong>ленная передача информации<br />
между пер<strong>в</strong>ичными и <strong>в</strong>торичными<br />
каскадами драй<strong>в</strong>ера. Цифро<strong>в</strong>ая схема передачи<br />
данных поз<strong>в</strong>оляет <strong>в</strong>месте с сигналами<br />
упра<strong>в</strong>ления транслиро<strong>в</strong>ать статусные сигналы<br />
и информацию, получаемую от <strong>в</strong>строенных<br />
датчико<strong>в</strong> модуля IGBT.<br />
Оценка качест<strong>в</strong>а передачи<br />
Метод измерений с помощью индикаторной,<br />
или «глазко<strong>в</strong>ой» диаграммы обычно используется<br />
для оценки качест<strong>в</strong>а передачи информации<br />
<strong>в</strong> цифро<strong>в</strong>ых системах. В осно<strong>в</strong>е<br />
данного метода лежит принцип отображения<br />
информации, соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующий <strong>в</strong>осприятию<br />
чело<strong>в</strong>еческого глаза (отсюда и наз<strong>в</strong>ание). Форма<br />
сигнала <strong>в</strong> процессе передачи искажается,<br />
практически идеальные фронты прямоугольных<br />
импульсо<strong>в</strong> приобретают экспоненциальную<br />
форму. Суперпозиция таких импульсо<strong>в</strong><br />
формирует напряжение, напоминающее<br />
по форме глаз.<br />
Индикаторная диаграмма создается при<br />
наложении д<strong>в</strong>ух сигнало<strong>в</strong> (проти<strong>в</strong>офазных<br />
<strong>в</strong> нашем случае), поданных на разные <strong>в</strong>ходы<br />
широкополосного цифро<strong>в</strong>ого осциллографа.<br />
Полученная <strong>в</strong> результате картинка способна<br />
комплексно отображать осно<strong>в</strong>ные характеристики<br />
импульсного напряжения: изменение<br />
амплитуды, длительность и частоту<br />
по<strong>в</strong>торения, мерцание фронто<strong>в</strong>, шумо<strong>в</strong>ой<br />
фон и т. д. При хорошем качест<strong>в</strong>е сигнала осциллограмма<br />
соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ует «открытому глазу»,<br />
который будет «закры<strong>в</strong>аться» по мере<br />
роста искажений.<br />
На рис. 6 предста<strong>в</strong>лен фрагмент индикаторной<br />
диаграммы, полученной при исследо<strong>в</strong>ании<br />
работы цифро<strong>в</strong>ой системы изолиро<strong>в</strong>анной<br />
передачи импульсных сигнало<strong>в</strong><br />
SKYPER 52. Несмотря на то, что показана<br />
единичная раз<strong>в</strong>ертка осциллограммы, картинка<br />
с<strong>в</strong>идетельст<strong>в</strong>ует о низком уро<strong>в</strong>не искажений<br />
и джиттера. Про<strong>в</strong>еденный качест<strong>в</strong>енный<br />
анализ подт<strong>в</strong>ердил, что описанная<br />
схема поз<strong>в</strong>оляет переда<strong>в</strong>ать данные с <strong>в</strong>ысокой<br />
скоростью при минимальном уро<strong>в</strong>не<br />
фликкер-шумо<strong>в</strong>.<br />
Рис. 3. Принцип цифро<strong>в</strong>ой передачи<br />
изолиро<strong>в</strong>анного сигнала<br />
Рис. 5. По<strong>в</strong>торяющиеся импульсы <strong>в</strong>ыключения<br />
38 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
• защита от падения напряжения упра<strong>в</strong>ления<br />
UVLO;<br />
• динамическая защита от перегрузки по току<br />
и КЗ с инди<strong>в</strong>идуальной настройкой<br />
и функцией intellectual turn-off;<br />
• изолиро<strong>в</strong>анная передача сенсорных сигнало<strong>в</strong><br />
(температура модуля IGBT);<br />
• цифро<strong>в</strong>ая настройка блока обработки сигнала<br />
ошибки;<br />
• диагностический CAN-интерфейс.<br />
Цифро<strong>в</strong>ая схема обработки и транслиро<strong>в</strong>ания<br />
сигнала драй<strong>в</strong>ера SKYPER 52 обладает <strong>в</strong>ысокой<br />
гибкостью, большинст<strong>в</strong>о параметро<strong>в</strong><br />
может быть задано пользо<strong>в</strong>ателем. К настраи<strong>в</strong>аемым<br />
относятся характеристики схемы защиты,<br />
параметры режимо<strong>в</strong> переключения<br />
и способ формиро<strong>в</strong>ания сигнала неиспра<strong>в</strong>ности.<br />
Сигнальные коннекторы платы SKYPER 52<br />
расположены на ее обратной стороне, что поз<strong>в</strong>оляет<br />
устана<strong>в</strong>ли<strong>в</strong>ать устройст<strong>в</strong>о с помощью<br />
пайки или соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующего разъема.<br />
Рис. 6. Вид индикаторной (глазко<strong>в</strong>ой) диаграммы<br />
SKYPER 52 —<br />
осно<strong>в</strong>ные особенности<br />
Цифро<strong>в</strong>ой способ передачи данных использо<strong>в</strong>ан<br />
<strong>в</strong> но<strong>в</strong>ейшей разработке компании SEMI-<br />
KRON — мощном д<strong>в</strong>ухканальном драй<strong>в</strong>ерном<br />
ядре SKYPER 52 (рис. 7), предназначенном<br />
для упра<strong>в</strong>ления модулями IGBT с рабочим<br />
напряжением до 1700 В. Топология платы показана<br />
на рис. 8, примечательно, что осно<strong>в</strong>ным<br />
элементом <strong>в</strong>ходных и <strong>в</strong>ыходных каскадо<strong>в</strong><br />
устройст<strong>в</strong>а я<strong>в</strong>ляется программируемая логическая<br />
матрица.<br />
Рис. 7. Внешний <strong>в</strong>ид платы драй<strong>в</strong>ера<br />
SKYPER 52<br />
Рис. 8. Топология платы цифро<strong>в</strong>ого драй<strong>в</strong>ера SKYPER 52<br />
Изолирующий барьер формируется с помощью<br />
трех импульсных трансформаторо<strong>в</strong>: д<strong>в</strong>а<br />
используются для передачи данных, один —<br />
для упра<strong>в</strong>ления DC/DC-кон<strong>в</strong>ертором, питающим<br />
<strong>в</strong>ыходные каскады драй<strong>в</strong>ера. Благодаря<br />
с<strong>в</strong>ерхнизкому значению паразитной емкости<br />
перехода (единицы пикофарад) удалось достичь<br />
хорошего иммунитета устройст<strong>в</strong>а к быстрым<br />
перепадам напряжения: SKYPER 52 способен<br />
надежно работать при dv/dt до 100 кВ/мкс.<br />
Питание <strong>в</strong>ыходных каскадо<strong>в</strong> драй<strong>в</strong>ера осущест<strong>в</strong>ляется<br />
от изолирующего DC/DC-преобразо<strong>в</strong>ателя,<br />
формирующего д<strong>в</strong>уполярное напряжение,<br />
необходимое для упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>орами.<br />
Осно<strong>в</strong>ные технические характеристики<br />
SKYPER 52:<br />
• <strong>в</strong>ыходной ток (пико<strong>в</strong>ое значение) I out_peak —<br />
50 А;<br />
• напряжение упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>орами V Gon/off —<br />
±15 В;<br />
• <strong>в</strong>ыходная мощность — 9 Вт на канал;<br />
• <strong>в</strong>озможность упра<strong>в</strong>ления длительностью<br />
<strong>в</strong>ремени блокиро<strong>в</strong>ки t dt и режимом запрета<br />
<strong>в</strong>ключения транзисторо<strong>в</strong> полумоста IN-<br />
TERLOCK;<br />
• мониторинг критического по<strong>в</strong>ышения частоты;<br />
Дифференциальная<br />
обработка сигнала<br />
Драй<strong>в</strong>ер SKYPER 52 принимает логические<br />
импульсы, <strong>в</strong>ырабаты<strong>в</strong>аемые микроконтроллером<br />
или ЦСП (f sw_max = 100 кГц без ограничения<br />
ск<strong>в</strong>ажности) и преобразует их <strong>в</strong> д<strong>в</strong>уполярные<br />
сигналы упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>орами. Цифро<strong>в</strong>ые<br />
<strong>в</strong>ходы и <strong>в</strong>ыходы драй<strong>в</strong>ера со<strong>в</strong>местимы<br />
с TTL логикой со стандартными уро<strong>в</strong>нями 3,3<br />
и 5 В, они могут быть подключены непосредст<strong>в</strong>енно<br />
к контроллеру без использо<strong>в</strong>ания<br />
устройст<strong>в</strong> сд<strong>в</strong>ига уро<strong>в</strong>ня или усилителей.<br />
Для обеспечения хорошей помехозащищенности<br />
и <strong>в</strong>ысокой надежности при работе <strong>в</strong> применениях<br />
<strong>в</strong>ысокой мощности <strong>в</strong> драй<strong>в</strong>ере<br />
SKYPER 52 применен метод дифференциальной<br />
обработки сигнало<strong>в</strong>. Для этого цифро<strong>в</strong>ой<br />
сигнал передается по д<strong>в</strong>ум раздельным линиям<br />
и далее обрабаты<strong>в</strong>ается с помощью низкоимпедансного<br />
инструментального усилителя.<br />
Такая схема обеспечи<strong>в</strong>ает хорошее пода<strong>в</strong>ление<br />
синфазных шумо<strong>в</strong>, и, как следст<strong>в</strong>ие, она<br />
имеет низкую чу<strong>в</strong>ст<strong>в</strong>ительность к электромагнитным<br />
помехам.<br />
Изолиро<strong>в</strong>анные сенсорные и статусные сигналы<br />
доступны на диагностическом разъеме<br />
с CAN-интерфейсом, <strong>в</strong> котором также используется<br />
дифференциальный способ передачи<br />
данных с доминантным нуле<strong>в</strong>ым уро<strong>в</strong>нем.<br />
Формиро<strong>в</strong>ание сигнала ошибки<br />
Для индикации отказа IGBT могут быть использо<strong>в</strong>аны<br />
различные методы, соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>енно<br />
отличаются и способы защиты от перегрузок.<br />
В большинст<strong>в</strong>е практических применений<br />
<strong>в</strong> случае обнаружения а<strong>в</strong>арии схема<br />
упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>орами отключает <strong>в</strong>се сило<strong>в</strong>ые<br />
транзисторы преобразо<strong>в</strong>ателя. Сигнал неиспра<strong>в</strong>ности<br />
при этом передается на схему обработки<br />
сигнала ошибки драй<strong>в</strong>ера и упра<strong>в</strong>ляющий<br />
контроллер или ЦСП. Для предот<strong>в</strong>ращения<br />
по<strong>в</strong>торной подачи импульсо<strong>в</strong><br />
<strong>в</strong>ключения IGBT <strong>в</strong> состоянии КЗ канал упра<strong>в</strong>ления<br />
должен блокиро<strong>в</strong>аться. Сброс сигнала<br />
ошибки произ<strong>в</strong>одится, как пра<strong>в</strong>ило, подачей<br />
www.power-e.ru<br />
39
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
<strong>в</strong>нешнего импульса RESET после устранения<br />
состояния неиспра<strong>в</strong>ности.<br />
В некоторых схемах, например, многоуро<strong>в</strong>не<strong>в</strong>ых<br />
преобразо<strong>в</strong>ателях, при индикации отказа<br />
не требуется отключение <strong>в</strong>сех IGBT. Напроти<strong>в</strong>,<br />
<strong>в</strong> этом случае сило<strong>в</strong>ые модули должны <strong>в</strong>ыключаться<br />
<strong>в</strong> определенной последо<strong>в</strong>ательности,<br />
зада<strong>в</strong>аемой контроллером-супер<strong>в</strong>изором.<br />
Применение цифро<strong>в</strong>ого модуля упра<strong>в</strong>ления<br />
зат<strong>в</strong>орами SKYPER 52 поз<strong>в</strong>оляет пользо<strong>в</strong>ателю<br />
зада<strong>в</strong>ать любой алгоритм работы схемы защиты.<br />
Инди<strong>в</strong>идуальная настройка режимо<strong>в</strong><br />
отключения сило<strong>в</strong>ых модулей с помощью интерфейса<br />
драй<strong>в</strong>ера SKYPER 52 дает <strong>в</strong>озможность<br />
по<strong>в</strong>ысить гибкость и надежность работы<br />
системы контроля преобразо<strong>в</strong>ательного<br />
устройст<strong>в</strong>а, неза<strong>в</strong>исимо от его схемы.<br />
Мощный <strong>в</strong>ыходной каскад<br />
драй<strong>в</strong>ера<br />
На данный момент SKYPER 52 я<strong>в</strong>ляется самым<br />
мощным серийно <strong>в</strong>ыпускаемым д<strong>в</strong>ухканальным<br />
устройст<strong>в</strong>ом упра<strong>в</strong>ления IGBT.<br />
Выходной каскад драй<strong>в</strong>ера, построенный по<br />
2-тактной схеме на MOSFET-транзисторах,<br />
обеспечи<strong>в</strong>ает пико<strong>в</strong>ое значение <strong>в</strong>ыходного тока<br />
до 50 А при среднем значении мощности<br />
9 Вт на канал.<br />
Входы MOSFET <strong>в</strong>ерхнего и нижнего плеча<br />
упра<strong>в</strong>ляются неза<strong>в</strong>исимыми сигналами, генерируемыми<br />
<strong>в</strong>строенным цифро<strong>в</strong>ым блоком.<br />
Когда один из них имеет <strong>в</strong>ысокий уро<strong>в</strong>ень,<br />
<strong>в</strong>ключен N-канальный поле<strong>в</strong>ой транзистор,<br />
P-канальный ключ откры<strong>в</strong>ается при низком<br />
уро<strong>в</strong>не <strong>в</strong>ходного сигнала. Преимущест<strong>в</strong>ом такой<br />
логики упра<strong>в</strong>ления я<strong>в</strong>ляется <strong>в</strong>озможность<br />
точного упра<strong>в</strong>ления <strong>в</strong>ременем задержки между<br />
переключением MOSFET <strong>в</strong>ерхнего и нижнего<br />
плеча. Это поз<strong>в</strong>оляет полностью устранить<br />
нежелательный ск<strong>в</strong>озной ток, который<br />
может <strong>в</strong>озникнуть между шинами питания<br />
V G+ и V G- <strong>в</strong>ыходного каскада при коммутации<br />
транзисторо<strong>в</strong>.<br />
Для упрощения формиро<strong>в</strong>ания асимметричного<br />
напряжения упра<strong>в</strong>ления SKYPER 52<br />
имеет д<strong>в</strong>а <strong>в</strong>ыхода. Это поз<strong>в</strong>оляет использо<strong>в</strong>ать<br />
раздельные резисторы R G (on) и R G (off) для режимо<strong>в</strong><br />
<strong>в</strong>ключения и <strong>в</strong>ыключения без раз<strong>в</strong>язы<strong>в</strong>ающего<br />
диода, необходимого <strong>в</strong> драй<strong>в</strong>ерах<br />
с одним <strong>в</strong>ыходом. Разделение цепей упра<strong>в</strong>ления<br />
зат<strong>в</strong>ором дает <strong>в</strong>озможность оптимизиро<strong>в</strong>ать<br />
осно<strong>в</strong>ные динамические характеристики<br />
IGBT: скорость нарастания/спада сигнала, уро<strong>в</strong>ень<br />
перенапряжения при <strong>в</strong>ыключении, энергию<br />
переключения, по<strong>в</strong>едение <strong>в</strong> состоянии КЗ.<br />
Важно отметить, что при этом резистор зат<strong>в</strong>ора<br />
не используется для ограничения ск<strong>в</strong>озного<br />
тока, как это обычно делается <strong>в</strong> 2-тактных<br />
усилителях с разделенным <strong>в</strong>ыходом.<br />
SKYPER 52 может упра<strong>в</strong>лять д<strong>в</strong>умя <strong>в</strong>ыходными<br />
каскадами с параллельно соединенными<br />
резисторами зат<strong>в</strong>ора. Эта особенность может<br />
быть использо<strong>в</strong>ана для контроля последо<strong>в</strong>ательности<br />
<strong>в</strong>ключения резисторо<strong>в</strong> с целью снижения<br />
коммутационных потерь или уро<strong>в</strong>ня перенапряжения<br />
при <strong>в</strong>ыключении.<br />
Заключение<br />
Рост мощностей, по<strong>в</strong>ышение эффекти<strong>в</strong>ности<br />
преобразо<strong>в</strong>ания и снижение массо-габаритных<br />
показателей — <strong>в</strong>от осно<strong>в</strong>ные требо<strong>в</strong>ания<br />
со<strong>в</strong>ременного рынка сило<strong>в</strong>ой электроники,<br />
диктующие усло<strong>в</strong>ия работы произ<strong>в</strong>одителям<br />
сило<strong>в</strong>ых модулей. Естест<strong>в</strong>енно, что для упра<strong>в</strong>ления<br />
мощными ключами и их параллельным<br />
соединением нужны <strong>в</strong>се более мощные и надежные<br />
драй<strong>в</strong>еры, имеющие <strong>в</strong>се большую степень<br />
«интеллекта».<br />
Использо<strong>в</strong>ание цифро<strong>в</strong>ых методо<strong>в</strong> обработки<br />
поз<strong>в</strong>оляет по<strong>в</strong>ысить качест<strong>в</strong>о передачи изолиро<strong>в</strong>анных<br />
сигнало<strong>в</strong>, улучшить помехозащищенность<br />
и иммунитет к dv/dt, что особенно<br />
<strong>в</strong>ажно для применений <strong>в</strong>ысокой мощности.<br />
Но<strong>в</strong>ый с<strong>в</strong>ерхмощный драй<strong>в</strong>ер SKYPER 52 я<strong>в</strong>ляется<br />
пер<strong>в</strong>ым <strong>в</strong> с<strong>в</strong>оем классе полностью цифро<strong>в</strong>ым<br />
устройст<strong>в</strong>ом, имеющим широчайшие<br />
<strong>в</strong>озможности конфигуриро<strong>в</strong>ания. Возможность<br />
инди<strong>в</strong>идуальной настройки параметро<strong>в</strong> и получения<br />
статусных сигнало<strong>в</strong> по последо<strong>в</strong>ательной<br />
шине <strong>в</strong> сочетании с <strong>в</strong>ысокой <strong>в</strong>ыходной<br />
мощностью поз<strong>в</strong>оляет использо<strong>в</strong>ать данное<br />
устройст<strong>в</strong>о для упра<strong>в</strong>ления сило<strong>в</strong>ыми ключами<br />
<strong>в</strong> широком диапазоне мощностей и схем.<br />
Литература<br />
1. Колпако<strong>в</strong> А. SKYPER 52 — идеология ядра<br />
// Электронные компоненты. 2006. № 6.<br />
2. Power Modules Application Manual, SEMI-<br />
KRON International.<br />
3. Hermwille M. Plug and Play IGBT Driver Cores<br />
for Converters. Power Electronics Europe. Issue 2,<br />
2006, pp. 10–12.<br />
4. Hermwille M. Gate Resistor — Principles and<br />
Applications. Application Note AN-7003.<br />
November 2007, SEMIKRON.<br />
5. Колпако<strong>в</strong> А. DriverSEL — простой и эффекти<strong>в</strong>ный<br />
инструмент разработчика // Сило<strong>в</strong>ая<br />
<strong>электроника</strong>. 2005. № 2.<br />
40 www.power-e.ru
Change language