ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННОМУ ДРАЙВЕРУ СИЛОВЫХ КЛЮЧЕЙ

Амелин С.А.¹, Амелина M.А.², Фролков О.А.³

¹ORCID: 0000-0002-1705-297X, кандидат технических наук, ²ORCID: 0000-0001-6210-1729, кандидат технических наук, ³ORCID: 0000-0002-7717-1161,

Филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-07-00380 А

ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННОМУ ДРАЙВЕРУ СИЛОВЫХ КЛЮЧЕЙ

Аннотация

Проведен обзор состояния дел в области разработки силовых преобразовательных устройств. Обоснованы причины необходимости создания отечественных драйверов силовых ключей. Намечены основные пути решения этой задачи. Сформулированы основные требования к набору функций, которые должен поддерживать современный драйвер силовых ключей. Приведены примеры недостатков драйверов фирмы CT Concept, выявленные в процессе их эксплуатации и предложены пути их устранения. Предложена новая топология выходного каскада драйвера, обеспечивающая управление импедансом цепи перезаряда входной емкости ключа на разных этапах процессов заряда-разряда. Показаны преимущества этой топологии при использовании режима активного ограничения индуктивных выбросов напряжения на ключе в процессе его выключения (Active Clamp).

Ключевые слова: драйверы, транзисторные ключи, силовые модули, MOSFET, IGBT, плато Миллера, Active Clamp, управляемый импеданс.

Amelin S.A.¹, Amelina M.A.², Frolkov O.A.³

¹ORCID: 0000-0002-1705-297X, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0001-6210-1729, PhD in Engineering, ³ORCID: 0000-0002-7717-1161,

Branch of FSBEI of Higher Education “National Research Moscow Power Engineering Institute” in Smolensk,

The research was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research within the framework of the scientific project No. 16-07-00380 A.

REQUIREMENTS TO THE MODERN DRIVER OF POWER SWITCHES

Abstract

We conducted a review of the state of power conversion devices development. The reasons for the necessity to create domestic power switch drivers are justified. The main ways of solving this problem are outlined. Basic requirements to the set of functions that a modern driver of the power switch should support are formulated. Examples of the shortcomings of the drivers of the CT Concept Company revealed during their operation are given; the ways of their elimination are suggested. A new topology of the output stage of the driver is proposed. It provides control of the impedance of the recharge circuit of the input switch capacity at different stages of the charge-discharge processes. The advantages of this topology are shown when using the active clipping mode for inductive voltage ejections on a switch during its shutdown (Active Clamp).

Keywords: drivers, transistor switches, power modules, MOSFET, IGBT, Miller plateau, Active Clamp, controlled impedance.

Практически любое устройство силовой преобразовательной техники содержит драйвер — функциональный блок, осуществляющий непосредственное управление силовым ключом.

Основной задачей, которую выполняет драйвер, является преобразование уровней токов и напряжений сигнала управления, поступающего от контроллера (который, как правило, является узлом, формирующим слаботочный логический сигнал) в уровни, достаточные для переключения силового ключа. Поскольку в качестве силовых ключей сейчас, как правило, используются мощные MOS- и IGBT-транзисторы, а также силовые модули на их основе, то фактически драйвер работает на емкостную нагрузку и должен обеспечивать токи, гарантирующие быстрый перезаряд входной емкости силового ключа [1]. При этом выходной импульсный ток может достигать десятков ампер при напряжении 10–15 В.

Дополнительными функциями драйвера является контроль за состоянием силового ключа и защита его от короткого замыкания, перегрузки по току и т.п.  Таким образом, драйвер является промежуточным звеном между силовым ключом и контролером, обеспечивающим выполнение общего алгоритма работы силового преобразовательного устройства. В устройствах малой мощности (до сотен ватт) функции контроллера и драйвера могут совмещаться в одном функциональном блоке или даже в одной интегральной микросхеме.

С учетом того, что силовые ключи в полумостовых, мостовых и многоуровненых схемах работают при напряжениях, существенно превышающих потенциалы сигналов контроллера, устройство управления затвором должно осуществлять или высоковольтный сдвиг уровня, или гальваническую изоляцию входных импульсов управления от импульсов, поступающих на затворы [2].

Номенклатура драйверов, обеспечивающих обозначенные выше функции, достаточно разнообразна. Такие устройства выпускаются фирмами IXYS, Motorola, Agilent, International Rectifier, CT-Concept, Semikron [3, 4]. Однако в России наибольшее распространение получила продукция фирмы CT-Concept. Популярность изделий этой фирмы связана с достаточной простотой этих драйверов, поддержкой принципа plug-and-play, обеспечивающего хорошую совместимость с разными типами силовых транзисторов. Немаловажным фактором оказалась доступность (по крайней мере, до недавнего времени) на отечественном рынке электронных комплектующих. Однако введение режима экономических санкций против России изменило ситуацию. Если использование импортной элементной базы в изделиях оборонной отрасли и раньше достаточно жестко ограничивалось, то теперь такие ограничения вводятся и в ряде других стратегически важных для нашего государства отраслей. Например, введены ограничения для продукции, предназначенной для РЖД. Причем, речь идет не только об ограничениях при разработке новых изделий, но и о необходимости замены импортных комплектующих на отечественные аналоги в уже разработанной и ныне выпускаемой аппаратуре [5].

Выполнение этих требований связано с большими трудностями. В изделиях оборонной промышленности проблема частично решена и фирма «Электрум АВ» выпускает ряд драйверов-аналогов продукции «CT Concept». Эти драйверы функционально совместимы с оригинальными драйверами и аналогичны им по габаритам и схеме включения. Однако, как заявляет сама фирма разработчик, ни один из драйверов-аналогов абсолютного соответствия параметрам драйвера-прототипа не имеет. При разработке данных драйверов во главу угла была поставлена возможность получения полного соответствия с помощью настроек [6].

Главным недостатком этих драйверов является их высокая стоимость. Это обусловлено тем, что оригинальные драйверы построены на основе специализированных интегральных микросхем, что позволило предельно упростить схему и технологичность производства. А устройства-аналоги от «Электрум АВ» реализованы на основе микросборок, выполненных по гибридным технологиям. Кроме того, изделия «Электрум АВ» изначально разрабатывались для оборонной отрасли и имеют в своем составе только комплектацию, допущенную для создания электронной аппаратуры военного назначения (соответствующую так называемой «приемке 5»). Это накладывало серьезные ограничения и на выбор элементной базы, и на схемные решения, и на конструктивное исполнение. Все эти ограничения приводили к повышению стоимости устройства.

Для изделий военной техники такой подход является единственно возможным. Однако применение драйверов «Электрум АВ» в продукции гражданского назначения приводит к неоправданному повышению её стоимости. Но на данный момент альтернативы нет. Кроме того, «Электрум АВ» выпускает аналоги не для всех драйверов фирмы «CT Concept». В частности, на данный момент не существует аналогов драйверов малой мощности, драйверов на планарных трансформаторах и драйверов высоковольтных модулей с высоким напряжением защиты от выхода из насыщения.

В связи с вышеизложенным становится очевидным актуальность задачи создания семейства отечественных драйверов силовых транзисторов и силовых модулей, предназначенных для работы в изделиях гражданского назначения. Причем далеко не обязательно эти драйверы должны быть полными функциональными копиями изделий фирмы «CT Concept», поскольку у иных фирм есть технические решения, позволяющие превзойти по ряду параметров продукцию «CT Concept». Кроме того, существуют отечественные разработки, позволяющие обеспечивать более эффективные алгоритмы управления силовым ключом, нежели используемые в драйверах «CT Concept» [7].

Следует учесть, что схемотехнические решения, используемые при создании драйвера, должны допускать возможность его реализации в виде набора специализированных интегральных микросхем. Аналогичным образом разрабатывались драйвера CT Concept. В частности, последние версии этих драйверов строятся на основе набора микросхем SCALE-2, который специально спроектирован для реализации основных функций драйверов IGBT- и MOSFET-транзисторов. В этот набор входит несколько модификаций микросхемы интеллектуального драйвера IGD и заказной микросхемы LDI-логического интерфейса драйвера. Эти микросхем выполнены по КМОП-технологии [4].

Для создания отечественного драйвера силового ключа необходимо сначала сформулировать требования к этому устройству. За основу можно взять функции, реализованные в наборе микросхем SCALE-2 [4]:

• независимые установки импеданса цепей заряда и разряда входной емкости силового ключа;
• активное ограничение индуктивных выбросов выходного напряжения силового ключа на этапе его выключения;
• управление параметрами начального запуска преобразователя (плавный пуск);
• система выключения при снижении напряжения питания ниже допустимого значения;
• система диагностики и сигнализации об аварийных состояниях (в частности, защита от выхода силового ключа из насыщения);
• возможность реализации алгоритмов управления силовыми преобразователями, построенными с использованием многоуровневых и параллельных топологий;
• встроенный контроллер преобразователя постоянного напряжения для обеспечения гальванически развязанного питания выходных каналов драйвера;
• гальванически развязанные электрические интерфейсы управления силовым ключом;
• совместимость со всеми семействами логических ИС;
• задержка прохождения сигнала не более 80нс;
• работоспособность при высоких скоростях изменения сигналов du/dt>100В/нс;

Кроме того, в набор функций, который реализует драйвер, целесообразно добавить:

• ограничение скорости выключения силового ключа в случае короткого замыкания или перегрузки по току (реализовано в драйверах семейства компании SEMIKRON);
• возможность использования переменного импеданса цепей заряда и разряда силовых ключей.

Последняя функция в настоящее время не реализована ни в одном из существующих драйверов, однако, как будет показано ниже, она позволяет существенно снизить потери при использовании активного ограничения индуктивных выбросов выходного напряжения силового ключа на этапе его выключения, поэтому эти функции целесообразно использовать совместно.

При разработке нового драйвера необходимо также учесть недостатки драйверов CT Concept, выявленные в процессе эксплуатации устройств на их основе. Одним из таких недостатков является использование простейшего двухтактного преобразователя напряжения, не имеющего демпфирующих цепей (рис. 1).

Рис. 1 – Схема преобразователя напряжения в драйверах CT-Concept

 

Как известно, в такой схеме на стоках полевых транзисторов возникают выбросы напряжения. Эти выбросы обусловлены наличием индуктивности рассеяния трансформатора преобразователя напряжения.

В рассматриваемой схеме выбросы напряжения ограничиваются лишь паразитной емкостью полевого транзистора. Однако в определенных условиях этого недостаточно. В частности, при использовании многоуровневых драйверов на индуктивные выбросы, формируемые трансформатором преобразователя, накладываются кондуктивные помехи от переключения силового ключа, и суммарное напряжение на стоке транзистора преобразователя превышает допустимую величину. В результате транзистор преобразователя выходит из строя. Это явление наблюдалось неоднократно и для его устранения приходилось модифицировать оригинальную схему драйвера (добавлять демпфирующие цепи). В простейшем случае достаточно добавить супрессор или аналогичную ему цепь на основе стабилитрона [8], [9].

Также стоит отметить, что при постоянном импедансе разрядной цепи на этапе выключения обеспечивать малую задержку выключения можно только ценой увеличения амплитуды выброса напряжения на коллекторе транзистора. Чтобы оптимизировать оба этих параметра импеданс разрядной цепи на разных участках этапа выключения силового ключа должен меняться. На этапе медленных изменений тока силового ключа, соответствующих «плато Миллера», импеданс должен быть низким (рис. 2).

Рис. 2 – Процессы заряда входной емкости при включении ключа на основе БТИЗ: I_g – ток цепи затвора, I_Cge – ток заряда емкости затвор-эмиттер, I_Cgc –ток заряда емкости затвор-коллектор, U_ge – напряжение затвор-эмиттер

 

Это позволяет обеспечить малое время задержки выключения. А на этапе резкого изменения тока ключа импеданс должен быть достаточно высоким, чтобы ограничивать скорость изменения тока и, соответственно, величину индуктивного выброса напряжения на ключе.

Для реализации драйвера, обеспечивающего такое изменение импеданса, необходим еще один ключ S3, переключающийся по сигналу системы управления СУ, отслеживающей напряжение на затворе силового транзистора (рис. 3).

Рис. 3 – Структура силовой части драйвера с изменяемым импедансом на этапе выключения ключа

 

Результаты математического моделирования с использованием программы схемотехнического анализа Micro-Cap [10] показывают, что использование такой топологии драйвера позволяет существенно уменьшить задержку выключения t_З без увеличения скорости изменения тока ключа и увеличения индуктивного выброса напряжения на коллекторе (рис. 4). Протяженность «плато Миллера» и, следовательно, задержка выключения, будет определяться сопротивлением резистора R_g(off2), а скорость изменения коллекторного тока – резистором R_g(off1).

При переменном импедансе ток разряда входной емкости транзисторного ключа на начальном участке переключения в несколько раз превышает ток разряда схемы с постоянным импедансом. За счет этого уменьшается время перезаряда емкости затвор-сток и, соответственно, протяженность «плато Миллера», которое в основном и определяет задержку выключения.

Рис. 4 – Процессы выключения БТИЗ-ключа при переменном (1) и постоянном (2) импедансе разрядной цепи затвора: U_ge – напряжение затвор‑исток, U_ce – напряжение коллектор-эмиттер, I_g – ток цепи затвора

 

Рассмотренный алгоритм переключения ключа целесообразно использовать в мостовых схемах, поскольку он позволяет существенно уменьшить опасность возникновения сквозных токов на этапе коммутации за счет минимизации задержки переключения, вызванной наличием «плато Миллера». Однако отечественных драйверов с такими функциональными возможностями пока не существует.

Изменяемый импеданс разрядной цепи затвора может оказаться полезным и при использовании активного демпфирования индуктивного выброса напряжения (Active Clamp) [8, 11]. В схемах драйверов мощных силовых ключей для этой цели, как правило, используются мощные стабилитроны (снабберы), подключаемые между коллектором и затвором IGBT‑транзистора. В такой схеме ток пробоя стабилитрона ограничен только импедансом разрядной цепи и может достигать единиц ампер. При этом на стабилитроне рассеивается существенная мощность (единицы–десятки Вт). Для уменьшения тока пробоя и, соответственно, мощности, рассеиваемой на стабилитроне, необходимо на время его пробоя увеличивать импеданс разрядной цепи. Реализовать это можно на основе рассмотренной ранее топологии, изменив алгоритм управления дополнительным ключом S3 (рис. 5).

Рис. 5 – Структура силовой части драйвера с изменяемым импедансом при использовании активного демпфирования

 

Для ограничения тока в снабберной цепи необходимо на время пробоя стабилитрона размыкать ключ S3. При этом ток снабберной цепи будет протекать через ключ S2 и резистор R_g(off1) с сопротивлением достаточно большой величины (сотни Ом – единицы кОм). В остальной промежуток времени выключения ключа ток затвора протекает через резистор R_g(off2), сопротивлением единицы-десятки Ом.

Предложенная схема ограничения тока стабилитрона не влияет на скорость процессов переключения ключа, однако существенно (в 10 раз и более) снижает среднюю и импульсную мощность, рассеиваемую на снаббере (рис. 6). Это позволяет снизить общие потери и повысить надежность его работы

Анализ работы рассмотренных топологий показывает, что оптимальный выбор импеданса цепи затвора силовых ключей и оптимальный алгоритм управления этим импедансом позволяет существенно повысить надежность работы силовых ключей за счет уменьшения перенапряжения при выключении и снижении динамических потерь при выключении. При разработке схем отечественных драйверов возможность использования переменного импеданса включения и выключения является обязательным условием получения эксплуатационных параметров, отвечающих современным требованиям к подобным устройствам.

Рис. 6 – Временные диаграммы токов и напряжений схемы без ограничения тока снаббера (1) и с ограничением тока снаббера (2): U_ce – напряжение коллектор-эмиттер, I_VD1 – ток снаббера VD1, E_VD1 – энергия, рассеиваемая в снаббере за время выключения ключа

Таким образом, драйвер, реализующий сформулированные в этой работе функции, по своим возможностям будет превосходить большинство серийно выпускаемых дайверов зарубежных производителей и способен оказаться конкурентоспособным не только на внутреннем рынке России. Топологии реализации этих функций будут рассмотрены в дальнейших работах.

Список литературы / References

1. Хермвиль М. Управление изолированным затвором IGBT / М. Хермвиль, А. Колпаков // Электронные компоненты. – 2008. – №6. – С. 43–50.
2. Арендт В. Управление изолированными затворами MOSFET/IGBT, базовые принципы и основные схемы / В. Арендт, Н. Ульрих, Р. Тобиас и др. // Силовая электроника. – 2013. – №5 (44). – С. 50–58.
3. Колпаков А. Драйверы MOSFET/IGBT: идеология «ядра» / А. Колпаков // Электронные компоненты. – 2006. – №6. – С. 37–42.
4. Pawel S. Prime (PACK) Time for SCALE-2 / S. Pawel, J. Thalheim, O. Garcia and others // Bodo's Power Systems. – 2008. – № 4. – P. 20–23.
5. Новиков П.В. Драйвер и приёмка «5»: всё ли так просто? [Электронный ресурс] / П.В. Новиков // Официальный интернет-сайт компании ЗАО «Электрум АВ», г. Орел. – URL: http://electrum-av.com/images/stati/drayveri%20i%20priemka%205.pdf (дата обращения: 20.11.2017).
6. Новиков П.В. CT Concept - made in Russia [Электронный ресурс] / П.В. Новиков // Официальный интернет-сайт компании ЗАО «Электрум АВ», г. Орел. – URL: http://electrum-av.com/images/stati/CT%20Concept%20-%20made%20in%20Russia.pdf (дата обращения: 20.11.2017).
7. Амелин С.А. Топологии драйверов силовых ключей с переменным импедансом цепей перезаряда затворной емкости / С.А. Амелин, М.А. Амелина, О.А. Фролков и др. // Вестник Московского энергетического института. –2017. – №3. – С. 60–66.
8. Новиков П.В. Защита силового транзистора часть 1. Перенапряжение / П.В. Новиков // Силовая электроника. – 2012. – №.4 (37). – С. 10–12.
9. Затулов С.Л. Моделирование переходных режимов работы ограничителя выбросов напряжения, работающего в режиме ограничения мощности / С.Л. Затулов, С.А. Амелин, М.А. Амелина // Практическая силовая электроника. – 2016. – № 1 (61). – С. 52–56.
10. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10. [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Амелина М.А., АмелинС.А – Электрон. текстовые дан. – СПб. : Лань, 2014. – 632 с. – Режим доступа: URL http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=53665
11. Крапп Й. Защитные функции современных драйверов IGBT / Й.Крапп // Силовая электроника. – 2010. – №5 (28). – С. 41–44.

 Список литературы на английском языке / References in English

1. Hermvil' M. Upravlenie izolirovannym zatvorom IGBT [Isolated gate control of IGBT transistor] / M. Hermvil', A. Kolpakov // Jelektronnye komponenty [Electronic components]. – 2008. – №6. – P. 43–50. [in Russian]
2. Arendt V. Upravlenie izolirovannymi zatvorami MOSFET/IGBT, bazovye principy i osnovnye shemy [MOSFET/IGBT Isolated Gate Control, Basic Principles and Basic Circuits] / V. Arendt, N. Ul'rih, R. Tobias and others // Silovaja jelektronika [Power electronics]. – 2013. – №5 (44). – P. 50–58. [in Russian]
3. Kolpakov A. Drajvery MOSFET/IGBT: ideologija «jadra» [MOSFET / IGBT Drivers: Core Ideology] / A. Kolpakov // Jelektronnye komponenty [Electronic components]. – 2006. – №6. – P. 37–42. [in Russian]
4. Pawel S. Prime (PACK) Time for SCALE-2 / S. Pawel, J. Thalheim, O. Garcia and others // Bodo's Power Systems. – 2008. – № 4. – P. 20–23.
5. Novikov P.V. Drajver i prijomka «5»: vsjo li tak prosto? [The Driver and acceptance "5": is everything so simple?] [Electronic resource] / P.V. Novikov // Oficial'nyj internet-sajt kompanii ZAO «Jelektrum AV», g. Orel [The official website of the company "Elektrum AV", Orel]. – URL: http://electrum-av.com/images/stati/drayveri%20i%20priemka%205.pdf (accessed: 20.11.2017). [in Russian]
6. Novikov P.V. CT Concept - made in Russia [Electronic resource] / P.V. Novikov // Oficial'nyj internet-sajt kompanii ZAO «Jelektrum AV», g. Orel [The official website of the company "Elektrum AV", Orel]. – URL: http://electrum-av.com/images/stati/CT%20Concept%20-%20made%20in%20Russia.pdf (accessed: 20.11.2017). [in Russian]
7. Amelin S.A. Topologii drajverov silovyh kljuchej s peremennym impedansom cepej perezarjada zatvornoj emkosti [Topology of the power switches drivers with variable impedance of the gate capacitor overcharge circuit] / S.A. Amelin, M.A. Amelina, O.A. Frolkov and others. // Vestnik Moskovskogo jenergeticheskogo instituta [Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute]. – 2017. – № 3. – P. 60–66. [in Russian]
8. Novikov P.V. Zashhita silovogo tranzistora chast' 1. Perenaprjazhenie [Protection of power transistor part 1. Overvoltage] / P.V. Novikov // Silovaja jelektronika [Power electronics]. – 2012. – №.4 (37). – P. 10–12. [in Russian]
9. Zatulov S.L. Modelirovanie perehodnyh rezhimov raboty ogranichitelja vybrosov naprjazhenija, rabotajushhego v rezhime ogranichenija moshhnosti [Modeling of transients of the voltage limiter operating in the power limiting mode] / S.L. Zatulov, S.A. Amelin, M.A. Amelina // Prakticheskaja silovaja jelektronika [Practical power electronics]. – 2016. – № 1 (61). – P. 52–56. [in Russian]
10. Amelina M.A., Amelin S.A. Programma shemotehnicheskogo modelirovanija Micro-Cap. Versii 9, 10 [Micro-Cap circuit simulation program. Version 9, 10]. [Electronic resource]: Tutorial / Amelina M.A., Amelin S.A – Jelektron. tekstovye dan. – SPb. : Lan', 2014. – 632 p. – Rezhim dostupa [Access mode]: URL http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=53665 [in Russian]
11. Krapp J. Zashhitnye funkcii sovremennyh drajverov IGBT [Protective functions of modern IGBT drivers] / J. Krapp // Silovaja jelektronika [Power electronics]. – 2010. – №5 (28). – P. 41–44. [in Russian]