Драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов предназначены для управления мощными полупроводниковыми приборами в выходных каскадах преобразователей электрической энергии. Используются в качестве промежуточного звена между управляющей схемой (контроллером или цифровым сигнальным процессором) и мощными исполнительными элементами, коммутирующими нагрузку. Драйверы - это основная группа высоковольтных ИС International Rectifier. К ней также можно отнести контроллеры электронных балластов.

Этапы развития энергетической (силовой) электроники определяются достижениями в технологиях силовых ключей и схем управления. Динамические и статические параметры силовых приборов постоянно улучшаются, но мощными ключами нужно еще и эффективно управлять. Для сбалансированного взаимодействия между управляющей схемой и выходными каскадами и предназначены новые мощные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов фирмы International Rectifier. Драйверы IR имеют высокие выходные токи (до ±4 А), малые длительности фронта, спада, задержки и другие интересные отличительные особенности. Выпускаемые International Rectifier управляющие микросхемы предназначены для работы в любых конфигурациях силовых каскадов в диапазоне мощности до 3-5 кВт.

Упрощенная структура силового каскада с высоковольтной управляющей микросхемой показана на рисунке 1.

Рис. 1. Упрощенная структура полумостового силового каскада с высоковольтным драйвером (HVIC)

Высоковольтный драйвер MOSFET/IGBT должен удовлетворять следующим требованиям:

• управляться логическим сигналом, связанным с сигнальной шиной общего провода, следовательно, драйвер верхнего плеча должен иметь высоковольтный каскад сдвига уровня;
• мощность, рассеиваемая схемой управления, должна быть пренебрежимо мала по сравнению с общей рассеиваемой мощностью;
• схема управления должна обеспечивать токи заряда/разряда цепи затвора, гарантирующие динамические характеристики транзистора.

Производство микросхем управления HVIC вобрало в себя все достижения высоковольтных технологий, но их развитие происходит все более быстрыми темпами, появляются дополнительные функциональные возможности, возрастает степень интеграции при уменьшении площади кристалла и стоимости. Воплощением всех этих достижений стали высоковольтные силовые микросхемы управления 5-го поколения G5 HVIC. На рисунке 2 проиллюстрирован переход от старых серий высоковольтных управляющих микросхем к новому поколению G5 HVIC. Микросхемы предыдущих поколений со временем будут сняты с производства, цена старых драйверов в переходный период будет расти. Из нижних графиков рисунка 2 видно, что со временем отношение функциональность/стоимость будет увеличиваться. Это объясняется дальнейшим снижением цен при улучшении параметров с добавлением дополнительных функций при повышении степени интеграции ИС.

Рис. 2. Развитие HVIC (высоковольтных ИС) International Rectifier

Драйверы нового поколения G5 HVIC условно можно разделить на две категории, показанные на рисунке 3:

• обновленные версии первых поколений;
• новые драйверы с расширенной функциональностью и улучшенными характеристиками.

Рис. 3. Две категории новых высоковольтных драйверов G5 HVIC

Обновленные версии драйверов новых поколений полностью совместимы по выводам, имеют более жесткие допуски по многим параметрам, благодаря чему расширяется выбор внешних дискретных компонентов и упрощается расчет схемы, дополнительно повышается надежность всей схемы. Во многих случаях новые ИС уже содержат встроенный бутстрепный диод (bootstrap diode), благодаря чему отпадает необходимость в относительно громоздком по сравнению с самой микросхемой драйвера внешнем бутстрепном диоде. Высокая плотность структуры при уменьшенном кристалле, совместимость с логикой 3,3 В, раздельные выводы для сигнальной и силовой «земли», фиксируемое и программируемое время паузы (deadtime) при переключении транзисторов полумостовых и мостовых схем, блокировка по низкому напряжению питания облегчают разработчику проектирование высоконадежных силовых устройств.

Основные параметры новых драйверов и микросхем предыдущих поколений сведены в таблицу 1. Обозначения микросхем новых серий отличаются добавленной буквой «S», похожей на цифру «5» (5-е поколение G5). Наименования некоторых новых микросхем оканчиваются на букву «D», что означает наличие встроенного бутстрепного диода. Некоторые новые драйверы G5 не имеют аналогов в предыдущих поколениях микросхем.

Таблица 1. Замены для высоковольтных микросхем предыдущего поколения из новых серий G5 HVIC

БУТСТРЕПНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Часто из-за слишком большого входного напряжения для транзисторов верхнего плеча применяется относительно простая и недорогая бутстрепная схема управления (схема с «плавающим» источником питания). В такой схеме длительность управляющего импульса ограничена величиной бутстрепной емкости. Кроме того, необходимо обеспечить условия для его постоянного заряда с помощью высоковольтного быстродействующего каскада сдвига уровня. International Rectifier применяет свою запатентованную схему каскада сдвига уровня на высоковольтных транзисторах MOSFET. Каскад сдвига уровня передает логический сигнал схеме управления транзисторам верхнего плеча. International Rectifier выпускает драйверы, рассчитанные на перепад напряжения до 600 В (серия IR21xx и новая серия IRS21xx) и до 1200 В (серия IR22xx и новая серия IRS22xx). Каскад сдвига уровня содержит генератор, формирующий короткие импульсы, совпадающие с фронтами входного логического сигнала, дискриминатор импульсов и RS-триггер (защелку) для формирования сигнала управления выходным транзистором верхнего плеча. Такое построение схемы управления позволяет резко снизить ток потребления верхнего каскада драйвера. Принцип работы бутстрепной схемы управления для полумостового каскада проиллюстрирован на рисунке 4. Красным цветом выделены основные компоненты, активные в рассматриваемый момент работы схемы.

Рис. 4. Принцип работы бутстрепной схемы для полумостового каскада

Кроме формирования тока затвора MOSFET и IGBT драйверы International Rectifier имеют ряд очень важных дополнительных функций:

• защита от короткого замыкания (Short Circuit Protection);
• защита от перегрузки по току (Overcurrent Protection);
• защита от защелкивания при низких напряжениях питания и управления (Under Voltage LockOut - UVLO). Для ключей выходного каскада понижение напряжения управления очень опасно. В этом случае транзистор может перейти в линейный режим и может произойти катастрофический отказ из-за перегрева кристалла. Для исключения такого режима практически во всех современных драйверах MOSFET и IGBT имеется схема UVLO. Все драйверы International Rectifier выдерживают фронты напряжения до 50 В/нс. Этот параметр называется dv/dt immune. Он характеризует высокую устойчивость к режиму защелкивания, который, как известно, очень опасен для высоковольтных импульсных схем.

Поиск на сайте IR (www.irf.com) функционально близких замен из нового поколения G5 для драйверов предыдущих поколений.

Инженеры International Rectifier составили большое количество таблиц для сравнения параметров новых драйверов G5 с высоковольтными микросхемами предыдущих поколений. Например, при поиске сравнительной таблицы для драйверов IR2110 в формате PDF необходимо на сайте IR в окне поиска набрать «PDF G5HVIC IR2110» и отметить "Site Search" (поиск по всему сайту). Необходимо обратить внимание на то, что G5HVIC необходимо набирать слитно. (см. рис. 5). 

Рис. 5. Первое окно для поиска параметров новых функционально близких драйверов G5

Поиск по сайту производится средствами известного поискового механизма Google (см. рис. 6 со ссылками на результаты поиска).

Рис. 6. Найденные ссылки с результатами поиска сравнительной таблицы параметров новых драйверов G5 и ИС предыдущих поколений

Найденный PDF файл содержит несколько страниц. Страница со сравнительной таблицей, фрагмент которой показан на рисунке 7, находится в конце файла. Автор умышленно не стал переводить названия параметров, чтобы не вводить читателя в заблуждение. С другой стороны, есть полная уверенность, что в данном конкретном случае это и не требуется. Аналогичным способом поиска читатель может найти сравнительные таблицы для других драйверов ранних поколений, приведенных в таблице 1.

Рис. 7. Найденная сравнительная таблица с параметрами для IR2110 и функционально близких к ним новых драйверов поколения G5

НОВЫЕ G5 ДРАЙВЕРЫ

Необходимо обратить внимание на новые драйверы International Rectifier поколения G5:

• IRS2453D - мостовой 600-вольтовый драйвер со встроенными бутстрепными диодами и генератором. Выходные токи драйвера составляют 180/260 мА. Микромощная схема запуска, встроенный стабилитрон 15,6 В по питанию Vcc, отличная защита от защелкивания, время паузы (deadtime) составляет 1,5 мкс, наличие входа shutdown;
• IRS2186, IRS21864 - 600-вольтовые драйверы нижнего и верхнего уровней. Выходные токи драйверов составляют ±4 А, совместимость с логикой управления 3,3 и 5 В, защита от пониженного напряжения, улучшенные показатели надежности;
• IRS21851S - одиночный 600-вольтовый драйвер верхнего уровня. Выходные токи ±4 А, длительность фронтов при нарастании и спаде напряжения около 170 нс, защита от пониженного напряжения, улучшенные показатели надежности.