Драйвера Mosfet Транзисторов
В статье рассматриваются высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов, изготовленные по новой технологии G5 HVIC (Generation 5 High. IR4427 Микросхема IR4427 это двухканальный драйвер полевых транзисторов сделанных по технологии КМОП(MOSFET). Применяется IR4427 для улучшения характеристик транзисторов и устранения проблем во время открывания полевых транзисторов. Собственно драйвер выполняет усиление тока для уменьшения потерь переключения полевого транзистора.
В статье описано новое семейство P-канальных МОП-транзисторов, рабочие характеристики которых схожи с показателями N-канальных МОП-транзисторов, включая быстрое переключение и работу с обратной полярностью. Развитие электроники идет в направлении постоянного расширения функционала при одновременном уменьшении размеров устройств, что стимулирует инновации в достижении этих целей.
Новый понижающий преобразователь TPS62620 производства компании Texas Instruments предназначен для решения этих проблем. Он работает на частоте 6 МГц в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяя использовать миниатюрные внешние компоненты также в высокоэффективном режиме частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Квазирезонансная коммутация (КРК) вентилей в инверторах напряжения позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот, повышает надежность и улучшает электромагнитную совместимость систем электропитания и управления с сетью и нагрузкой 1. Новые мостовые (full-bridge) инверторы напряжения с КРК имеют более простые силовые схемы, и в них обеспечивается высокая симметрия нагрузок вентилей. Для новых схем применимы все известные способы регулирования и импульсной модуляции, в т.ч. Односторонней или двусторонней однократной и многократной двухполярной релейно-импульсной модуляции (РИМ). Д ля дальнейшего совершенствования своей продукции и с тем, чтобы обеспечить долговременные лидирующие позиции в производстве высоковольтных интегральных схем, компания International Rectifier (IR) развивает новую технологию G5 HVIC (Generation 5 High Voltage Integrated Circuit).
Драйвер Полевых Mosfet Транзисторов
По сравнению с традиционной HVIC-технологией, новая технология позволяет улучшить технические характеристики устройств, увеличить их функциональность, обеспечивая при этом привлекательную стоимость. G5 HVIC-технология нашла применение в нескольких товарных линейках компании IR: микросхемах для управления освещением, микросхемах для аудиоприложений и в основном – в интегральных схемах высоковольтных драйверов MOSFET- и IGBT-транзисторов. Именно эти компоненты рассматриваются в статье.
Плата Драйвера Mosfet Транзисторов
Продукты, изготовленные с применением G5 HVIC-технологии, можно разделить на две категории: – обновленные версии приборов, предназначенные для замены драйверов ранних поколений; – новые изделия, не имеющие прототипов в ранних поколениях. Обновленные версии драйверов должны обеспечивать: – полную совместимость по выводам с изделиями-прототипами; – улучшенные характеристики; – повышенную надежность; – меньшую стоимость. Новые изделия должны обеспечивать: – расширенные функциональные возможности; – характеристики на уровне лучших образцов в отрасли; – высокую надежность; – низкую стоимость. Рисунок 1 позволяет сравнить HVIC-драйверы ранних поколений и драйверы поколения G5 HVIC 1. График А иллюстрирует изменение цены изделий с течением времени. Сравнение HVIC-микросхем поколения G5 и микросхем ранних поколений Точка 1 соответствует выводу на рынок высоковольтных драйверов первых поколений.
В дальнейшем стоимость изделий снижается за счет отработки технологических процессов производства и увеличения объемов выпуска (точка 2). Точка 3 — технологические процессы полностью отработаны, объем выпускаемой продукции стабилизировался. Резервы снижения цены практически исчерпаны.
Драйвер Mosfet Транзистора
Точка 4 — вывод на рынок первых HVIC-микросхем поколения G5. На временном интервале 5 происходит постепенный вывод на рынок изделий поколения G5, замещающих HVIC-драйверы ранних поколений. С точки 6 начинает расти стоимость изделий ранних поколений за счет снижения объемов выпуска (поскольку часть этого объема замещается изделиями поколения G5). С течением времени за счет увеличения объемов выпуска и отработки технологических процессов снижается цена на изделия поколения G5 (точка 7), что в конечном итоге приводит к снятию с производства HVIC-микросхем ранних поколений (точка 8).
График Б характеризует изменение функциональных возможностей изделий с течением времени. Начиная с некоторого момента (точка 1), дальнейшее увеличение функциональности изделий ранних поколений становится затруднительным без повышения цены. Преимущества технологии G5 обеспечивают расширение функциональных возможностей этих изделий начиная с момента выведения их на рынок (точка 2).
С этого момента работы по увеличению функциональности изделий ранних поколений становятся нецелесообразными (точка 3). В процессе постепенной замены ранних изделий на аналоги поколения G5 появляется возможность сфокусироваться на разработке новых приборов с расширенными функциями, которые в наибольшей степени используют преимущества новой технологии (точка 4). Высоковольтные микросхемы ранних поколений имели префикс IR в наименовании микросхем, например, IR2181. Изделия поколения G5 имеют префикс IRS и старый цифровой номер для микросхем-заменителей (например, IRS2181) или уникальный номер для новых микросхем (например, IRS2186). Как уже отмечалось, в статье рассматриваются только высоковольтные драйверы, управляющие затворами MOSFET- и IGBT-транзисторов. Среди этих устройств можно выделить несколько типов, а именно: – независимые драйверы верхнего и драйверы нижнего плеча полумоста, интегрированные в одной микросхеме (High and Low Side Driver); – драйверы верхнего и драйверы нижнего плеча, включенные в схему полумоста (Half-Bridge Drivers); – драйверы верхнего плеча (High Side Drivers); – драйверы нижнего плеча (Low Side Drivers).
Драйверы верхнего и нижнего плеча Данный тип HVIC-микросхем является наиболее универсальным. Типовая структурная схема такого драйвера и схема включения (на примере IRS2181) представлены на рисунке 2. Очевидно, что микросхема содержит два независимых драйвера — верхнего и нижнего плеча. В зависимости от схемы включения, она может использоваться как в качестве независимого драйвера верхнего плеча (включение нагрузки между стоком верхнего транзистора и землей), нижнего плеча (включение нагрузки между истоком нижнего транзистора и шиной высоковольтного питания), так и в качестве полумоста (соединение стока верхнего и истока нижнего транзисторов). Структурная схема и схема включения драйвера верхнего и нижнего плеча К схеме управления затвором MOSFET- и IGBT-транзисторов предъявляются следующие основные требования 2: – напряжение на затворе при отпирании должно быть на 1015 В выше напряжения стока MOSFET- или коллектора IGBT-транзистора.
Таким образом, для транзистора верхнего плеча напряжение управления должно быть на 1015 В выше напряжения питания; – драйвер должен управляться логическим сигналом, связанным с «логической» землей. Следовательно, драйвер верхнего плеча должен иметь высоковольтный каскад сдвига уровня; – при падении напряжения управления ниже определенного предела выходные транзисторы могут перейти в линейный режим работы, что, в свою очередь, приведет к перегреву кристалла. Акт возврата брака ткани. Для предотвращения этого должны использоваться схемы контроля напряжения (UVLO — Under Voltage LockOut) как для верхнего, так и для нижнего плеча; – мощность, рассеиваемая схемой управления, должна быть пренебрежимо мала, по сравнению с общей мощностью рассеивания; – схема управления должна обеспечивать токи перезаряда цепи затвора, гарантирующие высокие динамические характеристики транзистора. Существуют различные схемные решения, применяемые для построения каскада верхнего плеча 3. В драйверах, выпускаемых компанией IR, как правило, применяется относительно простая и недорогая бутстрепная схема управления (схема с «плавающим» источником питания 2). В такой схеме длительность управляющего импульса ограничена величиной бутстрепной емкости. Кроме того, необходимо обеспечить условия для ее постоянного заряда с помощью высоковольтного быстродействующего каскада сдвига уровня.
Этот каскад обеспечивает преобразование логических сигналов к уровням, необходимым для устойчивой работы схемы управления транзистора верхнего плеча. Отметим также, что наименования ряда новых микросхем поколения G5 заканчиваются суффиксом D. Это указывает на наличие встроенного бутстрепного диода. Благодаря этому отпадает необходимость в применении внешнего диода — достаточно громоздкого по сравнению с самой микросхемой драйвера 4. В таблице 1 приведены параметры драйверов верхнего и нижнего плеча поколения G5.