ДРАЙВЕР ДЛЯ IGBT-ТРАНЗИСТОРА

Техническое решение относится к полупроводниковой преобразовательной технике, а именно к устройствам возбуждения биполярных транзисторов с изолированным затвором.
5
Известно устройство (см. заявку №4-79759 Японии, МКИН02М 1/00, Н02М 3/155, заявл. 19.07.90, опубл. 13.03.92 - РЖ "Электротехника", 1995 г., 7Ю64П - "Схема возбуждения управляемого напряжением полупроводникового прибора"), в котором для гальванической развязки силовой цепи IGВТ-транзистора и его цепи управления использован транзисторный оптронный элемент. С затвором IGВТ-транзистора соединен выход усилителя мощности, выполненный на комплементарных биполярных транзисторах. Сигнал, подаваемый на базы комплементарных транзисторов, формируется в блоке, содержащем две пары биполярных транзисторов. Первая из них представляет собой усилительный каскад из двух одновременно управляемых транзисторов. Транзисторы второй пары включены по каскодной схеме. Кроме того, устройство содержит элементы сопряжения, включающие в себя резисторно-емкостную и резисторно-диодную цепи.
Сигнал возбуждения поступает с коллектора оптотранзистора на базы транзисторов усилительного каскада и затем с коллектора его второго транзистора - на базу верхнего каскодного транзистора, что обеспечивает открытое состояние последнего.
При перегрузке по току силового IGВТ-транзистора повышается напряжение и на его коллекторе. Снятие этой перегрузки обеспечивают указанные выше цепи сопряжения. При этом открывается нижний транзистор каскодной схемы и происходит шунтирование базовых цепей комплементарных транзисторов с помощью разряда конденсатора RC-цепи через транзисторы каскодной схемы. В результате плавно снижается напряжение на затворе силового IGBT-транзистора, и так же плавно уменьшается его коллекторный ток.
Однако данное устройство не обеспечивает защиту силового ключа от недопустимо высоких значений напряжения между его коллектором и эмиттером. Кроме того, это устройство не обеспечивает контроль питания, не позволяет формировать для внешних устройств сигнал о срабатывании токовой защиты и не дает возможности контролировать целостность цепей передачи сигналов срабатывания защиты.
Указанные недостатки сужают возможность использования данного устройства.
Известно другое устройство (см. Патент №31071, Россия, МПК Н02М 1/00, Н02М 3/155, заявл. 25.12.2002, опубл. 10.07.2003 года в БИ и ПМ №19 ч.IV, "Драйвер для IGBT-транзистора", авторы:
Виноградов С.И., Нехаев М.Г., Сыркин Б.Л., Хосидов З.К.), в котором перечисленные выше недостатки устранены.
Указанное устройство содержит:
- блок гальванической развязки, включающий в себя входной и выходной оптронные элементы,
- блок формирования сигналов, включающий в себя четыре логических элемента "2И-НЕ" с их внутренними связями между собой,
- блок усиления мощности сигналов, выполненный на комплементарной паре транзисторов,
- блок сопряжения сигналов, включающий в себя диодные, емкостные и резисторные цепи с их внутренними связями между собой, а также с двумя внутренними шинами самого блока сопряжения. Кроме того, он содержит цепь, включающую в себя два защитных диода и два резистора. Один из диодов, являющийся симметричным, предназначен для подключения между затвором и коллектором силового IGBT-транзистора. Другой диод предназначен для подключения его катодом также к коллектору силового транзистора, а анод его соединен с цепью указанных двух резисторов и с RC-цепью блока формирования сигналов. Входной оптрон драйвера соединен с входной цепью блока формирования сигналов, один выход которого подключен к входу блока усиления мощности, а выход последнего соединен со входом блока сопряжения. Второй выход блока формирования сигналов через дополнительный резистор подключен к катоду фотодиода выходного оптрона в блоке гальванической развязки. Выходы фототранзистора указанного оптрона предназначены для подключения к внешним цепям контроля целостности системы защиты силового транзистора. Плюсовая и минусовая питающие шины драйвера подключены к внешнему источнику питания микросхемы.
Это позволяет, во-первых, формировать сигналы управления открытием и закрытием силового ключа в штатных режимах с заданными параметрами.
А именно, при поступлении на входные зажимы драйвера со стороны контроллера электропривода сигналов на включение закрытого силового IGBT-транзистора в блоке гальванической развязки активизируется входной оптрон. Через его фотодиод протекает ток, что обеспечивает поступление на входные зажимы логических элементов "2И-НЕ" в блоке формирования сигналов таких потенциалов, которые формируют на его выходе сигнал логического нуля. Этот сигнал через входной зажим блока усиления мощности поступает на затворы его комплементарных транзисторов. При этом нижний из них закрывается, а верхний открывается. В результате первая шина блока сопряжения приобретает положительный потенциал и, будучи подключенной к затвору силового IGBT-транзистора, обеспечивает команду на его открытие. Закрытие силового транзистора в штатном режиме происходит при отсутствии сигналов на входных зажимах драйвера.
Во-вторых, данное устройство обеспечивает токовую защиту силового IGBT-транзистора.
А именно, с повышением тока через открытый силовой ключ повышается и падение напряжения на его переходе "коллектор-эмиттер". Это напряжение через диодно-резисторную защитную цепь, включенную между коллектором и эмиттером силового ключа, поступает на вход третьего логического элемента блока формирования сигналов.
К этому моменту он уже готов для смены своего состояния, определяемого штатным открытым состоянием силового ключа. Превышение падением напряжения на открытом силовом ключе величины внутреннего порога срабатывания указанного логического элемента приводит к смене его состояния. Однако эта смена состояний задерживается с помощью времязадающей RC-цепочки в выходной цепи первого логического элемента, которая определяет длительность зоны нечувствительности токовой защиты. Временная задержка токовой защиты предусмотрена для предотвращения ее ложных срабатываний, так как изменение сигнала на затворе силового ключа и завершение переходных процессов в его напряжении "коллектор-эмиттер" при его открытии и закрытии, то есть снижение его падения напряжения от текущего тока или появление полного напряжения при его закрытии происходят не одновременно. Таким образом, если длительность повышения падения напряжения на открытом силовом ключе превышает зону нечувствительности токовой защиты, то на выходе четвертого логического элемента в блоке формирования сигналов формируется сигнал, переводящий выходной оптрон блока гальванической развязки в пассивное состояние. В результате на выходных зажимах драйвера формируется сигнал отсутствия целостности цепей защиты, то есть сигнал срабатывания токовой защиты. Одновременно с другого выхода блока формирования сигналов на затворы комплементарных транзисторов блока усиления мощности поступает сигнал, меняющий их состояния, в результате чего силовой IGBT-транзистор закрывается.
Кроме сказанного, данная схема драйвера позволяет осуществлять защиту силового ключа от перенапряжений, вызванных его быстрым закрытием, то есть коммутацией. Сигнал, превышающий допустимое значение напряжения на коллекторе силового ключа, поступает на его затвор через второй симметричный диод в блоке сопряжения, включенный между коллектором и затвором силового ключа. В результате последний после достижения порога открытия по напряжению, приоткрываясь до необходимой глубины по цепи протекания силового тока, снимает возникшее перенапряжение.
Таким образом, осуществляется защита IGBT-транзистора при его выключении от перенапряжений, обусловленных индуктивностью монтажа схемы.
Однако, кроме этих перенапряжений, в силовой цепи IGBT-транзистора возможно возникновение перенапряжений, обусловленных параметрами LC-фильтра силового преобразователя, в частности, инвертора на IGBT-транзисторах.
огр.
ф
ф
ф
ф
огр
В рассмотренной выше схеме после выключения силового транзистора возможный выброс напряжения между его коллектором и эмиттером ограничивается на уровне U, определяемом порогом открытия IGBT-транзистора. В этом случае транзистор может быть открыт и повышением напряжения на фильтре С силовой схемы, скорость нарастания которого определяется параметрами фильтра L и С. Увеличение напряжения на конденсаторе фильтра может произойти, например, при обрыве тока через индуктивность L, если значение напряжения на фильтре в этот момент находится на уровне, близком к величине напряжения ограничения U.
Таким образом, в рассмотренной выше схеме IGBT-транзистор не может быть защищен от перенапряжений, связанных с параметрами LC-фильтра, так как при ограничении выбросов напряжения, он находится в активном режиме, который может вывести его из строя из-за больших потерь проводимости по сравнению с режимом переключения.
Кроме того, элементы схемы драйвера весьма чувствительны к колебаниям величины питающего низковольтного напряжения, которые могут привести к сбоям в работе самого драйвера. А в рассмотренной выше схеме драйвера не предусмотрен контроль питания его элементов.
Перечисленные недостатки сужают возможность использования данного устройства.
Задача состоит в повышении надежности работы силового транзистора путем усовершенствования схемы его драйвера.
Технический результат достигается тем, что драйвер для IGBT-транзистора содержит блок гальванической развязки, блок формирования сигналов, блок усиления мощности, блок сопряжения сигналов, плюсовую и минусовую питающие шины, блок контроля силового напряжения. При этом блок гальванической развязки включает в себя первый - входной оптронный элемент, входные зажимы, которого являются первой парой входных зажимов драйвера, и второй - выходной транзисторный оптрон, фототранзистор которого своими выходными зажимами образует первую пару выходных зажимов драйвера. Входными зажимами второго оптрона являются соответственно анод и катод его диода, подключенного анодом к плюсовой питающей шине, а катодом - к одному зажиму резистора, который другим зажимом подключен к первому выходу блока формирования сигналов, который включает в себя четыре логических элемента "2И-НЕ" с двумя входами и одним инверсным выходом каждый. Первый вход первого логического элемента образует первый вход блока формирования сигналов, который подключен к первому выходу первого оптронного элемента, второй выход которого подключен к минусовой питающей шине, при этом выход четвертого логического элемента является первым выходом блока формирования сигналов. Блок контроля силового напряжения включает в себя один конденсатор, один защитный диод, и два защитных резистора, один общий зажим которых подключен к аноду защитного диода, катод которого предназначен для подключения к коллектору силового транзистора. Блок формирования сигналов своим вторым выходом подключен к входу блока усиления мощности, который содержит комплементарную пару униполярных транзисторов, подключенных каждый своим истоком соответственно один к плюсовой, а другой к минусовой питающим шинам. Затворы их объединены в общий зажим, а в выходную цепь стоков каждого из указанных транзисторов включен свой резистор, другой зажим каждого из которых образует общий выходной зажим блока усиления, подключенный к входу блока сопряжения. Блок сопряжения содержит первую и вторую сборные шины сопряжения, один, симметричный, диод, подключенный одним зажимом к первой сборной шине сопряжения, один резистор, подключенный одним своим зажимом к первой сборной шине сопряжения, один резистор, подключенный одним своим зажимом к минусовой питающей шине, и другой диод, который подключен своим анодом также к минусовой питающей шине, а катодом - ко второй сборной шине сопряжения. При этом к обеим питающим шинам подключена цепь из двух последовательно соединенных входных конденсаторов, общий зажим которых подключен ко второй сборной шине блока сопряжения. Кроме того, первая и вторая шины сопряжения образуют вторую пару выходов драйвера, предназначенных для подключения соответственно к затвору и к эмиттеру силового IGBT-транзистора.
Дополнительно в драйвер включены блок питания, входные зажимы которого являются второй парой входов драйвера, и к выходным зажимам которого подключены соответственно плюсовая и минусовая питающие шины, а также блок контроля входного питающего напряжения, который подключен своей первой парой входов соответственно к плюсовой и минусовой питающим шинам. При этом его выход подключен ко второму входу блока формирования сигналов, образованному первым входом третьего и вторым входом четвертого логических элементов. Третий вход блока контроля питающего напряжения подключен к третьему выходу блока формирования сигналов, который образован выходом его второго логического элемента. При этом первые входы его первого и второго логических элементов объединены в общий зажим, к которому дополнительно подключен свободным зажимом первый защитный резистор блока контроля силового напряжения. Дополнительно в блок контроля силового напряжения введен второй защитный диод, а свободный зажим его второго защитного резистора, объединенный с одним из зажимов его конденсатора, подключен к третьему входу блока формирования сигналов, образованному вторым входом второго логического элемента, и к катоду его второго защитного диода, анод которого объединен в общий зажим с выходом третьего и с выходом четвертого логических элементов. Второй выход блока формирования сигналов образован выходом первого логического элемента. Конденсатор блока контроля силового напряжения свободным зажимом подключен ко второй сборной шине блока сопряжения сигналов. При этом в блок усиления мощности дополнительно введен повторяющий усилитель сигнала, входной зажим которого является входом блока усиления мощности, а его выходной зажим подключен к общему зажиму затворов униполярных транзисторов. Кроме того, дополнительно в блок сопряжения введены параллельно соединенные между собой конденсатор и второй резистор, один общий зажим которых подключен к катоду первого защитного диода блока контроля силового напряжения, а также - третий резистор и третий диод, анодом соединенный с третьим резистором и катодом подключенный к общему зажиму, который образован свободным зажимом симметричного диода и соединенным с ним вторым общим зажимом конденсатора и второго резистора. Ко второй сборной шине сопряжения подключены свободные зажимы первого и третьего резисторов, а также один зажим дополнительно введенного четвертого резистора, который своим свободным зажимом подключен к общему затворному зажиму транзисторов блока усиления мощности. Кроме того, входной оптронный элемент блока гальванической развязки выполнен интегральным, и его третий выход подключен к плюсовой питающей шине.
Блок питания содержит ШИМ-контроллер, входы которого являются входными зажимами блока питания, предназначенными для подключения к внешнему источнику питания постоянного тока, трансформатор с первичной и вторичной обмотками и диод, подключенный анодом к началу вторичной обмотки трансформатора. При этом между началом его первичной обмотки и одним выходным зажимом ШИМ-контроллера включен выходной конденсатор, а конец первичной обмотки трансформатора, объединенный со вторым выходным зажимом ШИМ-контроллера, подключен к его второму минусовому входу. Кроме того, плюсовой выход блока питания образован катодом выходного диода, а минусовым его выходом является конец вторичной обмотки трансформатора.
Блок контроля входного питающего напряжения содержит формирователь выходного сигнала, n-p-n транзистор, первую и вторую входные шины, образующие соответственно первый и второй входные зажимы блока контроля питающего напряжения, а также входную и выходную цепочки, образованные каждая своей парой последовательно соединенных резисторов. При этом свободные зажимы каждой пары резисторов включены между обеими входными шинами, общий зажим входной пары резисторов объединен с одним зажимом первого конденсатора и подключен к первому входному зажиму формирователя выходного сигнала, другой входной зажим которого соединен со второй входной шиной и выходной зажим которого подключен к эмиттеру транзистора, к базе которого подключен общий зажим выходной пары резисторов. А третий выходной резистор включен между плюсовой входной шиной и коллектором транзистора, образующим первый выход блока контроля входного питающего напряжения и соединенным с одним зажимом второго конденсатора и с анодом выходного диода, катод которого образует третий входной зажим блока контроля питающего напряжения, ко второй входной шине которого подключены вторые зажимы первого и второго конденсаторов.
Новым по сравнению с прототипом является следующее.
Во-первых, в устройство дополнительно включен блок питания, входные зажимы которого являются второй парой входов драйвера, и к выходным зажимам которого подключены соответственно плюсовая и минусовая питающие шины.
Во-вторых, в драйвер дополнительно включен блок контроля входного питающего напряжения, который подключен первой парой входов соответственно к плюсовой и минусовой питающим шинам.
В-третьих, выход блока контроля входного питающего напряжения подключен ко второму входу блока формирования сигналов, образованному первым входом третьего и вторым входом четвертого логических элементов. Третий вход блока контроля питающего напряжения подключен к третьему выходу блока формирования сигналов, который образован выходом его второго логического элемента. При этом первые входы первого и второго логических элементов объединены в общий зажим, к которому дополнительно подключен свободным зажимом первый защитный резистор блока контроля силового напряжения.
В-четвертых, в блок контроля силового напряжения дополнительно введен второй защитный диод. Свободный зажим второго защитного резистора блока контроля силового напряжения, объединенный с одним из зажимов его конденсатора, подключен к третьему входу блока формирования сигналов, образованному вторым входом второго логического элемента, и к катоду его второго защитного диода, анод которого объединен в общий зажим с выходом третьего и с выходом четвертого логических элементов. Второй выход блока формирования сигналов образован выходом первого логического элемента, а конденсатор блока контроля силового напряжения свободным зажимом подключен ко второй сборной шине блока сопряжения сигналов.
В-пятых, в блок усиления мощности дополнительно введен повторяющий усилитель сигнала, входной зажим которого является входом блока усиления мощности, а его выходной зажим подключен к общему зажиму затворов униполярных транзисторов.
В-шестых, дополнительно в блок сопряжения введены параллельно соединенные между собой конденсатор и второй резистор, один общий зажим которых подключен к катоду первого защитного диода блока контроля силового напряжения, а также - третий резистор и третий диод, анодом соединенный с третьим резистором и катодом подключенный к общему зажиму, который образован свободным зажимом симметричного диода и соединенным с ним вторым общим зажимом конденсатора и второго резистора. При этом ко второй сборной шине сопряжения подключены свободные зажимы первого и третьего резисторов, а также один зажим дополнительно введенного четвертого резистора, который своим свободным зажимом подключен к общему затворному зажиму транзисторов блока усиления мощности.
В-седьмых, входной оптронный элемент блока гальванической развязки выполнен интегральным и его третий выход подключен к плюсовой питающей шине.
Это позволяет,
- как и в прототипе, формировать управляющие импульсы силового транзистора с требуемыми параметрами,
- обеспечить защиту силового ключа от недопустимо больших токов,
- обеспечить защиту силового ключа от недопустимо высоких коммутационных перенапряжений,
- формировать для внутренних устройств сигнал о срабатывании защиты,
- а также обеспечить контроль целостности цепей передачи сигнала срабатывания защиты.
Но кроме того, предлагаемое устройство позволяет обеспечить защиту силового ключа от перенапряжений, обусловленных параметрами LC-фильтра силовой цепи,
- а также обеспечить контроль величины питающего напряжения элементов драйвера.
Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию новизна, а также о том, что между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого драйвера для IGBT-транзистора.
На фиг.2 приведена принципиальная схема блока питания драйвера.
На фиг.3 приведена принципиальная схема блока контроля входного питающего напряжения драйвера.
На фиг.4 приведена схема подключения в драйвере входных и выходных зажимов входного интегрального оптронного элемента.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства на конкретном примере.
Драйвер для IGBT-транзистора содержит (фиг.1) блок 1 гальванической развязки, блок 2 формирования сигналов, блок 3 усиления мощности, блок 4 сопряжения сигналов, плюсовую 5 и минусовую 6 питающие шины, блок 7 контроля силового напряжения. При этом блок 1 гальванической развязки включает в себя первый - входной оптронный элемент 8, входные зажимы 9, 10 которого являются первой парой входных зажимов драйвера, и второй - выходной транзисторный оптрон 11, фототранзистор 12 которого своими выходными зажимами 13, 14 образует первую пару выходных одноименных зажимов драйвера. Входными зажимами 15, 16 второго оптрона 11 являются соответственно анод и катод его диода 17, подключенного анодом к плюсовой питающей шине 5, а катодом 16 - к одному зажиму резистора 18, который другим зажимом 19 подключен к первому одноименному выходу блока 2 формирования сигналов, который включает в себя четыре логических элемента "2И-НЕ" 20, 21, 22, 23 с двумя входами и одним инверсным выходом каждый 24, 25, 26 (20), 27, 28, 29 (21), 30, 31, 32 (22), 33, 34, 35 (23). Первый вход 24 первого логического элемента 20 образует первый вход 36 блока 2 формирования сигналов, который подключен к первому одноименному выходу первого оптронного элемента 8, второй выход 37 которого подключен к минусовой питающей шине 6, при этом выход 35 четвертого логического элемента 23 является первым выходом 19 блока 2 формирования сигналов.
Блок 7 контроля силового напряжения включает в себя один конденсатор 38, один защитный диод 39, и два защитных резистора 40, 41, один общий зажим 42 которых подключен к аноду защитного диода 39, катод 43 которого предназначен для подключения к коллектору 43 силового IGBT-транзистора.
Блок 2 формирования сигналов своим вторым выходом 44 подключен к одноименному входу блока 3 усиления мощности, который содержит комплементарную пару униполярных транзисторов 45, 46, подключенных каждый своим истоком соответственно один 45 к плюсовой 5, а другой 46 к минусовой 6 шинам. Затворы их объединены в общий зажим 47, а в выходную цепь стоков каждого из указанных транзисторов 45, 46 включен свой резистор соответственно 48, 49, другой зажим каждого из которых образует общий выходной зажим 50 блока 3 усиления, подключенный к одноименному входу блока 4 сопряжения.
Блок 4 сопряжения содержит первую 51 и вторую 52 сборные шины сопряжения, один, симметричный, диод 53, подключенный одним зажимом к первой сборной шине 51 сопряжения, один резистор 54, подключенный одним своим зажимом к минусовой питающей шине 6, и другой диод 55, который подключен своим анодом также к минусовой питающей шине 6, а катодом - ко второй сборной шине 52 сопряжения. При этом к обеим питающим шинам 5, 6 подключена цепь из двух последовательно соединенных входных конденсаторов 56, 57, общий зажим 58 которых подключен также ко второй сборной шине 52 блока 4 сопряжения. Кроме того, первая и вторая шины 51, 52 сопряжения образуют вторую пару одноименных выходов 51, 52 драйвера, предназначенных для подключения соответственно к затвору и к эмиттеру силового IGBT-транзистора.
Дополнительно в устройство включены блок 59 питания, входные зажимы которого являются второй парой входов 60, 61 драйвера, и к выходным зажимам 62, 63 которого подключены соответственно плюсовая 5 и минусовая 6 питающие шины, а также блок 64 контроля входного питающего напряжения, который подключен своей первой парой входов 65, 66 соответственно к плюсовой 5 и к минусовой 6 питающим шинам.
При этом выход 67 блока 64 контроля питающего напряжения подключен ко второму одноименному входу блока 2 формирования сигналов, образованному первым входом 30 третьего 22 и вторым входом 34 четвертого 23 логических элементов; третий вход 68 блока 64 контроля питающего напряжения подключен к третьему одноименному выходу блока 2 формирования сигналов, который образован выходом 29 его второго логического элемента 21. При этом первые входы 24 и 27 первого 20 и второго 21 логических элементов объединены в общий зажим 36, к которому дополнительно подключен своим свободным зажимом 69 первый защитный резистор 40 блока 7 контроля силового напряжения, Дополнительно в блок 7 контроля силового напряжения введен второй защитный диод 70, а свободный зажим 71 его второго защитного резистора 41, объединенный с одним из зажимов его конденсатора 38, подключен к третьему одноименному входу блока 2 формирования сигналов, который образован вторым входом 28 второго логического элемента 21, и к катоду его второго защитного диода 70, анод которого объединен в общий зажим с выходом 32 третьего 22 и с выходом 35 четвертого 23 логических элементов.
Второй выход 44 блока 2 формирования сигналов образован выходом 26 первого логического элемента 20, а конденсатор 38 блока 7 контроля силового напряжения свободным зажимом 58 подключен ко второй сборной шине 52 блока 4 сопряжения сигналов.
При этом в блок 3 усиления мощности дополнительно введен повторяющий усилитель 72 сигнала, входной зажим которого является входом 44 блока 3 усиления мощности, а его выходной зажим подключен к общему зажиму 47 затворов униполярных транзисторов 45, 46.
Кроме того, дополнительно в блок 4 сопряжения введены параллельно соединенные между собой конденсатор 73 и второй резистор 74, один общий зажим которых подключен к катоду 43 первого защитного диода 39 блока 7 контроля силового напряжения, а также - третий резистор 75 и третий диод 76, анодом соединенный с третьим резистором 75 и катодом подключенный к общему зажиму 77, который образован свободным зажимом симметричного диода 53 и соединенным с ним вторым общим зажимом конденсатора 73 и второго резистора 74. При этом ко второй сборной шине 52 сопряжения подключены свободные зажимы первого 54 и третьего 75 резисторов, а также один зажим дополнительно введенного четвертого резистора 78, который своим свободным зажимом подключен к общему затворному зажиму 47 транзисторов 45, 46 блока 3 усиления мощности. Кроме того, входной оптронный элемент 8 блока 1 гальванической развязки выполнен интегральным, и его третий выход 79 подключен к плюсовой питающей шине 5.
Блок 59 питания (фиг.2) содержит ШИМ-контроллер 80, входы которого являются входными зажимами 60, 61 блока 59 питания, предназначенными для подключения к внешнему источнику питания постоянного тока, трансформатор 81 с первичной 82 и вторичной 83 обмотками и диод 84, подключенный анодом к началу вторичной обмотки 83 трансформатора 81. Кроме того, между началом его первичной обмотки 82 и одним выходным зажимом 85 ШИМ-контроллера 80 включен выходной конденсатор 86, а конец первичной обмотки 82 трансформатора 81, объединенный со вторым выходным зажимом 87 ШИМ-контроллера 80, подключен к его второму минусовому входу 61. При этом плюсовой выход 62 блока 59 питания образован катодом выходного диода 84, а минусовым его выходом 63 является конец вторичной обмотки 83 трансформатора 81.
Блок 64 контроля входного питающего напряжения (фиг.3) содержит формирователь 88 выходного сигнала, n-p-n транзистор 89, первую 65 и вторую 66 входные шины, образующие соответственно первый 65 и второй 66 входные зажимы блока 64 контроля питающего напряжения, а также входную и выходную цепочки, образованные каждая своей парой последовательно соединенных резисторов 90, 91 и 92, 93. При этом свободные зажимы каждой пары резисторов включены между обеими входными шинами 65 и 66; общий зажим 94 входной пары резисторов 90, 91 объединен с одним зажимом первого конденсатора 95 и подключен к первому входному зажиму 94 формирователя 88 выходного сигнала, другой входной зажим 66 которого соединен со второй входной шиной 66, и выходной зажим 96 которого подключен к эмиттеру транзистора 89, к базе которого подключен общий зажим 97 выходной пары резисторов 92, 93, а третий выходной резистор 98 включен между плюсовой входной шиной 65 и коллектором транзистора 89, образующим первый выход 67 блока 64 контроля входного питающего напряжения и соединенным с одним зажимом второго конденсатора 99 и с анодом выходного диода 100, катод которого образует третий входной зажим блока контроля питающего напряжения, ко второй входной шине которого подключены вторые зажимы первого 95 и второго 99 конденсаторов.
В качестве входного оптронного элемента 8 (фиг.1) может быть использован интегральный оптрон типа HCPL 2211, описанный в Каталоге Hewlett "Optoelectronics Packard Designer's Catalog" 1993. Printed in the USA 5091-4573E (6/93).
В качестве выходного транзисторного оптрона 11 может быть использован оптрон типа CNY17-4, описанный в Каталоге "ПЛАТАН" - Электронные компоненты, 2005 г., Головной офис: Москва, ул. Ивана Франко, 40, почта 121351, М., а/я 100.
В качестве диода 55 (фиг.1) и 84 (фиг.2) может быть использован диод Шоттки 10BQ040, описанный в Каталоге International Rectifier "Short Form Catalog". 1999-2000. Отпечатано в ИПО "Лев Толстой", г.Тула, ул. Ф.Энгельса, 70.
В качестве диодов, 70 (фиг.1) и 100 (фиг.3) могут быть использованы диоды типа Кд521А, описанные в Справочнике "Полупроводниковые приборы" под ред. А.В.Голомедова, изд. второе, "KYSK-a", M. 1994 г.
В качестве логических элементов "2И-НЕ" 20-23 может быть использована микросхема CD4093BD с триггерами Шмитта на входах, описанная в Справочнике "Популярные цифровые микросхемы", автор В.Л.Шило, изд-во "Металлургия", Челябинск, 1988, с.201-202.
Передаточная характеристика такого логического элемента по каждому входу имеет два порога: верхний порог срабатывания, и нижний порог отпускания. Помехоустойчивый элемент "2И-НЕ" со свойствами триггера Шмитта позволяет увеличить крутизну пологих фронта и спада импульса.
В качестве транзисторов 45 и 46 (фиг.1) могут быть использованы MOFSET транзисторы IRFD9024, IRFD024, описанные в Каталоге International Rectifier, 233, KANSAS ST., EL SECUNDO, "HEXFET", Volume III, CALIFORNIA 90245, 1995.
В качестве защитного диода 53 может быть использована цепочка из трех последовательно соединенных защитных диодов типа Р6КЕ300СА, описанных в "ПЛАТАН" - Электронные компоненты, 2005 г., Головной офис: Москва, ул. Ивана Франко, 40, почта 121351, М. а/я 100.
В качестве повторяющего усилителя 72 может быть использована микросхема CD4050BD, состоящая из шести преобразователей уровня КМОП-ТТЛ, описанная в Справочнике "Популярные цифровые микросхемы", автор В.Л.Шило, изд-во "Металлургия", Челябинск, 1988.
В качестве диодов 39 и 76 может быть использован высоковольтный диод типа BY203-20S, описанный в Каталоге Farnell - 2007, адрес Изд-ва: www.farnell.com.
В качестве ШИМ-контроллера 80 (фиг.2) может быть использована микросхема типа UC2845AN с ШИМ-контроллером, описанная в Справочнике по схемотехнике: Applications Handbook, UNITRODE, 7 Continental Boulevard Merrimack, May 1997.
В качестве формирователя 88 выходного сигнала (фиг.3) может быть использована микросхема MC33064D, описанная в "ПЛАТАН" - Электронные компоненты, 2005 г., Головной офис: Москва, ул. Ивана Франко, 40, почта 121351, М., а/я 100.
Прежде чем рассмотреть работу предлагаемого устройства, опишем назначение отдельных его узлов.
Блок 1 гальванической развязки (фиг.1) обеспечивает гальваническое разделение линий связи, по которым передаются входной и выходной сигналы от высоковольтной схемы. А именно, развязку входных сигналов осуществляет интегральный оптронный элемент 8, схема подключения входных и выходных зажимов которого в драйвере приведена на фиг.4, а развязку выходных сигналов осуществляет - оптрон 11.
Резистор 18 во входной цепи оптрона 11 ограничивает ток его диода.
Блок 2 формирования сигналов.
Логические элементы 20-23 с функцией "2И-НЕ" предназначены для подачи с требуемым фронтом и снятия с требуемым срезом сигналов управления блоком 3 усиления мощности.
Блок 3 усиления мощности.
Микросхема усилителя 72 предназначена для усиления выходного сигнала блока 2 формирования и согласования его с выходным каскадом драйвера, а также с цепями смещения напряжения затвора силового IGBT-транзистора.
Выходной каскад образуют униполярные транзисторы 45 и 46 различной проводимости, соответственно, "p"-проводимости и "n"-проводимости, которые осуществляют инверсию сигнала с выхода усилителя 72 и согласуют его с затвором управляемого силового IGBT-транзистора.
Резисторы 48 и 49 образуют затворные резисторы соответственно включения и выключения силового IGBT-транзистора.
Блок 4 сопряжения.
Резисторы 54 и 78 образуют делитель напряжения для создания отрицательного смещения на затворе IGBT-транзистора в его выключенном состоянии.
Конденсаторы 56 и 57 (фиг.1) сглаживают напряжение питания драйвера после выпрямления диодом 84 (фиг.2).
Защитный, симметричный, диод 53 (фиг.1) предназначен для ограничения импульсных выбросов напряжения между выводами коллектор-эмиттер IGBT-транзистора при отключении его путем приоткрывания по затвору.
Конденсатор 73 предназначен для дифференцирования импульсов напряжения на коллекторе IGBT-транзистора при отключении от колебаний напряжения на LC-фильтре силовой схемы.
Резистор 74 разряжает конденсатор 73 при закрытом IGBT-транзисторе.
Высоковольтный диод 76 и резистор 75 предназначены для уменьшения времени разряда и величины тока разряда конденсатора 73 через открытый IGBT-транзистор.
Диод 55 обеспечивает протекание тока во время ограничения импульсов напряжения на выводах коллектор-эмиттер IGBT-транзистора при рабочем пробое симметричного диода 53.
Блок 7 контроля силового напряжения (фиг.1).
Резисторы 40 и 41, конденсатор 38 и диод 39 предназначены для привязки уровня измеряемого напряжения в открытом состоянии IGBT-транзистора с наличием сигнала управления на выходе 36 блока 1 гальванической развязки и входа 71 блока 2 формирования сигналов.
Диод 70 предназначен для фиксации блоком 2 формирования сигналов состояния, когда измеряемое напряжение открытого IGBT-транзистора носит импульсный характер и достигает каким-либо импульсом порога переключения на втором входе 28 второго 21 логического элемента, при котором на его выходе 29 устанавливается уровень логической единицы.
Блок 59 питающего напряжения драйвера (фиг.2).
Интегральная микросхема 80 обеспечивает преобразование входного питающего напряжения драйвера от внешнего источника постоянного тока в серию импульсов с заданными параметрами, а импульсный трансформатор 81 обеспечивает гальваническую развязку внешнего источника питания и внутренних цепей питания драйвера. Конденсатор 86 устраняет постоянную составляющую на первичной обмотке 82 трансформатора 81, а диод 84 выпрямляет импульсы напряжения на его вторичной обмотке 83.
Блок 64 контроля питающего напряжения драйвера (фиг.3). Формирователь выходного сигнала на микросхеме 88 отслеживает входной сигнал блока 64 контроля и, обеспечивая открытие или закрытие транзистора 89, осуществляет контроль питающего напряжения драйвера.
Диод 100 и конденсатор 99 предназначены для задержки уровня логической единицы на выходе 67 блока контроля 64 в зависимости от изменения уровня сигнала на зажиме 68 блока 64 контроля для обеспечения гарантированного сигнала на выходных зажимах 13, 14 выходного оптрона 11 при минимальных длительностях импульса управления на входных зажимах 9, 10 входного оптронного элемента 8.
Рассмотрим штатный режим работы устройства, то есть режим передачи последовательности импульсов управления на затвор силового IGBT-транзистора - зажимы 51 и 52 (фиг.1).
Блок 59 питания драйвера (фиг.2) включается при достижении напряжением на его входах 60 и 61 от внешнего источника питания значения, превышающего 12 В. Это напряжение, оказываясь и на входных питающих, одноименных, контактах микросхемы 80, обеспечивает запуск блока 59 питания и формирование на его выходах 62 и 63 питающего напряжения постоянного тока величиной 18 В.
Отключение блока питания происходит при снижении входного напряжения от внешнего источника до уровня 11 В.
Выходное напряжение блока 59 питания подается на питающие шины 5, 6 драйвера. При этом при достижении на конденсаторах фильтра 56, 57 уровня напряжения выше 16 В запускается блок 64 контроля входного питающего напряжения (фиг.3). А именно, микросхема 88, получая питание по входам 65 и 66, изменяет состояние выхода 96, в результате чего на эмиттере транзистора 89 появляется потенциал, обеспечивающий его закрытое состояние. На коллекторе транзистора 89 устанавливается потенциал, близкий к потенциалу питающей шины 5. В результате на входе 67 блока 2 формирования сигналов (фиг.1) появляется уровень напряжения, соответствующий логической единице на входах 30 и 34 его логических элементов 22 и 23.
В случае снижения напряжения питания на конденсаторах 56, 57 до уровня, меньшего величины 13,5 В, на выходе 96 микросхемы 88 (фиг.3), а значит и на эмиттере транзистора 89 появляется уровень сигнала, близкий к потенциалу питающей шины 6, обеспечивающий открытие транзистора 89. В результате через открытый транзистор 89 протекает коллекторный ток, а потенциал его коллектора снижается практически до нуля, что соответствует появлению логического нуля на входах 30 и 34 логических элементов 22 и 23 блока 2 формирования сигналов (фиг.1).
Таким образом, блок 64 контроля питающего напряжения при наличии заданного уровня питающего напряжения на шинах 5, 6 обеспечивает готовность блока 2 к формированию управляющих сигналов. И, наоборот, при снижении величины питающего напряжения ниже штатного уровня блок 64 контроля блокирует возможность формирования управляющих импульсов.
Кроме того, в контроллере электропривода, находящемся вне драйвера (на фиг.1-3 не указан), формируется последовательность импульсов управления силовым IGBT-транзистором с изменяющимися частотой следования и скважностью. При этом протекание тока по линии связи через ее оконечный элемент, а именно, входные зажимы 9, 10 и входной оптрон 8, соответствует команде на открытие силового ключа.
Допустим, что питающее напряжение на шинах 5, 6 соответствует заданному штатному уровню. Рассмотрим начальное состояние элементов схемы, исходя из условия, что в начальном состоянии силовой IGBT-транзистор закрыт.Это означает что на входах 9, 10 драйвера входное напряжение отсутствует, оптрон 8 находится в нерабочем состоянии и на его выходе 36 сформирован сигнал, соответствующий уровню логического нуля, который присутствует также и на входах 24, 27 логических элементов 20, 21 блока 2. С другой стороны, так как силовой IGBT-транзистор изначально закрыт, уровень логического нуля присутствует на зажимах 69, 71 блока 7 контроля силового напряжения.
При этом следует учесть, что любой из логических элементов "2И-НЕ" имеет на своем выходе уровень логического нуля только при условии, что на обоих его входах присутствует уровень логической единицы. Все остальные комбинации входных сигналов формируют на его выходе уровень логической единицы.
Поэтому комбинация логических нулей на входах 27, 28 "логики" 21 формирует на ее выходе 29 сигнал логической единицы, который попадает на вход 25 "логики" 20, на вход 31 "логики" 22 и на вход 33 "логики" 23. В результате на выходе 26 "логики" 20 сформирован уровень логической единицы, а на выходе 32 "логики" 22 и на выходе 35 "логики" 23 - уровень логического нуля.
Наличие сигнала логической единицы на выходе 26 блока 2, а значит и на входе 44 блока 3 усиления мощности приводит к появлению логической единицы на общем зажиме 47 затворов транзисторов 45, 46, в результате чего транзистор 45 находится в закрытом, а транзистор 46 - в открытом состоянии. Вследствие этого на первой шине 51 блока 4 присутствует отрицательный потенциал, который является отрицательным смещением для затвора 51 силового IGBT-транзистора и зависит от соотношения параметров резисторов 78 и 54. Отрицательный потенциал затвора держит силовой транзистор в закрытом состоянии.
Одновременно наличие сигналов логического нуля на выходах 32 и 35 логических элементов 22 и 23 блока 2 обеспечивает цепь протекания тока через диод 17 оптрона 11: - плюсовая шина 5 - диод 17 - резистор 18 - зажим 19 - зажимы 32, 35 - шина 6. В результате фототранзистор 12 оптрона 11 находится в активном состоянии, и через него по входам 13, 14 протекает ток внешних цепей защиты, фиксирующей исправное состояние цепей защиты драйвера.
Кроме того, одновременно происходит заряд конденсатора 99 (фиг.3) по цепи: - плюсовая шина 5 - зажим (шина) 65 - резистор 98 - зажим 67 - конденсатор 99 - минусовая шина 66 - зажим 66.
При появлении на входных зажимах 9, 10 драйвера (фиг.1) сигнала о необходимости открыть силовой транзистор через диод оптронной интегральной микросхемы 8 начинает протекать ток, и на выходе 36 последней появляется сигнал, соответствующий уровню логической единицы. Этот же сигнал поступает на вход 24 "логики" 20 и на вход 27 "логики" 21. В результате, на выходе 26 "логики" 20 уровень логической единицы меняется на уровень логического нуля, так как на ее входах 24 и 25 сформированы логические единицы. Сигнал логического нуля с выхода 26, попадая по входу 44 в блок 3 усиления мощности, обеспечивает наличие логического нуля на общем затворе 47 его транзисторов 45 и 46, что приводит к закрытию транзистора 46 и открытию транзистора 45. Вследствие этого шина 51 блока 4 приобретает положительный потенциал, который через одноименный его выход 51 попадает на затвор силового IGBT-транзистора и открывает его.
Режим токовой зашиты.
При открытом состоянии силового транзистора его коллекторное напряжение прикладывается к зажимам 43, 58 блока 7 контроля силового напряжения, элементы которого предназначены контролировать величину этого напряжения.
До тех пор пока ток, протекающий через IGBT-транзистор, не превышает величины 500А, на входе 28 "логики" 21 в блоке 2 присутствует уровень логического нуля. А на входе 27 в этот промежуток времени с выхода 36 оптрона 8 имеет место уровень логической единицы. Таким образом, на выходе 29 "логики" 21 присутствует уровень логической единицы.
При дальнейшем увеличении силового тока увеличивается напряжение насыщения открытого IGBT-транзистора, значение которого обеспечивает смещение на зажиме 42 в блоке 7 через высоковольтный защитный диод 39 и заряд конденсатора 38 через резистор 41. Параметры резисторов 40, 41 и конденсатора 38 определяют "мертвое время" цепи контроля напряжения насыщения силового транзистора и привязку к импульсу управления по входу 36.
В течение времени заряда конденсатора 38 на входе 28 "логики" 21 по входу 71 блока 2 сохраняется уровень логического нуля. Как только напряжение конденсатора 38 достигнет значения, равного порогу срабатывания "логики" 21, что означает смену уровня логического нуля по входу 28 на уровень логической единицы, так уровень логической единицы на выходе 29 "логики" 21 меняется на уровень логического нуля. Это приводит:
- во-первых, к закрытию силового IGBT-транзистора, так как комбинация сигнала логической единицы на входе 24 от импульса управления по входу 36 и уровня логического нуля на входе 25 с выхода 29 "логики" 21 приводит к появлению на выходе 26 "логики" 20 уровня логической единицы и, как следствие, появлению отрицательного смещения на затворе 51 IGBT-транзистора;
- во-вторых, появление логических нулей на входах 31 и 33 логических элементов 22 и 23 с выхода 29 "логики" 21 приводит к смене выходных сигналов на их выходах 32 и 35 с уровня логического нуля на уровень логической единицы, который через диод 70 блока 7 фиксирует состояние защиты до окончания импульса управления на входе 3;
- в-третьих, линия связи по сигналу защиты, которым является уровень логической единицы на выходе 19 блока 2, переходит в пассивное состояние, то есть обесточиваются диод 17 оптрона 11 и его фототранзистор 12.
По окончании импульса управления по входу 36 уровень логической единицы на входе 27 "логики" 21 меняется на уровень логического нуля. Это должно привести к появлению уровня логического нуля на выходах 32, 35 логических элементов 22, 23 и к восстановлению целостности внешней цепи сигнализации системы защиты путем восстановления рабочего состояния выходного оптрона 11. При этом, как только сигнал управления по входу 36 становится соответствующим уровню логического нуля, на выходе 29 "логики" 21 появляется уровень логической единицы, который с выхода 29 поступает на вход 25 "логики" 20, на вход 31 "логики" 22 и на вход 33 "логики" 23. Однако линия связи по цепи защиты остается в пассивном состоянии еще некоторое время, которое определяется параметрами резистора 98, конденсатора 99, а также диода 100 (фиг.3). При этом к катоду диода 100 через зажим 68 с выхода 29 "логики" 21 (фиг.1) прикладывается положительный потенциал, соответствующий уровню логической единицы. Конденсатор 99, будучи разряженным процессом срабатывания защиты через диод 100 и зажимы 32, 35 логических элементов 22, 23 к рассматриваемому моменту времени начинает заряжаться через резистор 98, поддерживая, потенциалы входов 30 и 34 логических элементов 22 и 23 соответствующими уровню логического нуля. По окончании процесса заряда конденсатора 99 до порога срабатывания по входам 30 и 34 восстанавливаются уровни логической единицы, и на выходах 32 и 35 элементов 22 и 23 появляются логические нули, приводя в активное состояние выходной оптрон 11 и линию связи защиты. Длительность процесса задержки восстановления линии связи выбирается около 30 мкс. Это позволяет отстроиться от "неидеальности" выходного оптрона 11, который имеет собственную задержку передачи сигнала в пределах 15-20 мкс. Указанное время задержки не позволяет передать сигнал защиты при длительностях импульсов управления на зажимах 9, 10 драйвера в пределах 8-15 мкс.
Режимы перенапряжений IGBT-транзистора.
Рассмотрим возможные режимы возникновения перенапряжений IGBT-транзистора и процессы ликвидации последствий этих режимов для сохранения целостности силового ключа.
В момент закрытия IGBT-транзистора на его зажимах 43, 52 - "коллектор - эмиттер" - могут возникнуть два вида выбросов напряжения.
п
Первый из них обусловлен наличием индуктивности L монтажа схемы (фиг.1) между фильтром инвертора и силовым IGBT-транзистором, приводящей к коммутационным перенапряжениям.
ф
ф
огр
Второй вид перенапряжений обусловлен колебаниями напряжения LC-фильтра инвертора напряжения, а именно, увеличением напряжения на конденсаторе С, например, при обрыве тока через индуктивность L. В процессе выключения силового транзистора выброс напряжения на нем ограничивается путем кратковременного открытия его током диода 53. Уровень ограничения выброса напряжения U определяется параметрами схемы (фиг.1), а именно:
огр
73
74
53
затв.
U=U||U+U+U,
73
74
где: U||U - падение напряжения на резисторе 74 и на включенном параллельно ему конденсаторе 73;
53
U - напряжение пробоя симметричного диода 53;
затв.
Geth
54
U=U+U - напряжение на затворе IGBT-транзистора, приложенное между зажимами 51 и 52;
Geth
U - пороговое напряжение затвора силового транзистора.
При возникновении выброса напряжения, превышающего напряжение пробоя диода 53, через этот диод и конденсатор 73 протекает ток, вызывающий кратковременное открытие силового транзистора за счет увеличения напряжения на резисторе 49. При этом, ток протекает по цепи: зажим 43 - конденсатор 73 и параллельный ему резистор 74 - диод 53 -зажим 50 - резистор 49 - открытый транзистор 46 - диод 55 - эмиттер 52 силового транзистора. Величина тока при этом определяется из выражения:
z
Geth
54
49
49
I≥(U+U)/R, где R - сопротивление резистора 49 (фиг.1).
При достижении напряжением между зажимами 51 и 52 IGBT-транзистора величины напряжения открытия силовой транзистор приоткрывается и в активном режиме начинает пропускать ток. Такое открытие силового транзистора может быть вызвано либо коммутационными процессами, либо колебаниями напряжения в силовом фильтре. При обоих видах перенапряжений силовой транзистор переходит в активный режим.
Однако во втором случае его активный режим может иметь длительность, большую, чем допустимая, что может привести к выходу из строя силового транзистора.
Чтобы этого не произошло, в схему драйвера введены конденсатор 73 и резистор 74. Конденсатор 73, заряжаясь при рабочем пробое диода 53 от напряжения на зажимах 43, 52, вызванного первым из видов выбросов силового напряжения, с одной стороны, предоставляет необходимое время для снятия перенапряжений при коммутации силового транзистора; а с другой стороны, при перенапряжениях второго вида конденсатор 73 по окончании своего заряда прерывает цепь протекания тока через диод 53, ограничивая тем самым время нахождения силового транзистора в активном режиме. Резистор 74 после заряда конденсатора 73 ограничивает ток диода 53 и не позволяет напряжению, появляющемуся на зажимах резистора 49, открыть силовой транзистор при перенапряжениях второго вида.
После закрытия силового транзистора, конденсатор 73 разряжается через резистор 74. Цепь, состоящая из последовательного соединения диода 76 и резистора 75, предназначена для ускорения процесса разряда конденсатора 73 через открытый силовой транзистор для подготовки схемы ограничения перенапряжений к следующей коммутации.
Таким образом, рассмотренное устройство осуществляет штатные режимы включения и отключения силового транзистора, обеспечивает его токовую защиту и сигнализацию о происходящих процессах во внешние цепи линии связи, а также обеспечивает снятие коммутационных перенапряжений при закрытии силового транзистора. Кроме того, оно обеспечивает минимизацию последствий от перенапряжений, вызванных параметрами фильтра силовых цепей, что сокращает или исключает длительность активного состояния силового транзистора в процессе снятия перенапряжений и, как следствие, защищает от разрушения внутреннюю структуру силового IGBT-транзистора. При этом устройство отслеживает величину входного питающего напряжения внутренних цепей драйвера и запускает его строго в соответствии с заданным значением входного напряжения, что исключает сбои и ложные срабатывания драйвера. В результате повышается надежность работы IGBT-транзистора.