Бутстрепный драйвер с двухполярным выходом

Техническое решение относится к области силовой электроники, а именно к схемам драйверов мостового инвертора с двухполярным выходом на оптоэлектронных приборах в качестве активных элементов, и может применяться при проектировании однофазных и многофазных мостовых инверторов напряжения, предназначенных для питания электродвигателей переменного тока или другой нагрузки.
При управлении биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT) и полевыми транзисторами (MOSFET) необходимо учитывать эффект Миллера, который состоит в появлении обратной связи между силовыми электродами и затвором транзистора через паразитную емкость между затвором и стоком (коллектором у IGBT) при высокой скорости изменения напряжения коллектор-эмиттер (сток-исток для MOSFET). При этом возникают затухающие колебания напряжения на затворе, которые приоткрывают транзистор и вызывают дополнительные потери мощности в нем. Начальные выбросы могут достигать порога отпирания транзистора и приводить к возникновению сквозных токов.
Из уровня техники известны технические решения, направленные на обеспечение надежного запирания IGBT/MOSFET в мощных мостовых схемах. К ним относятся драйверы с двухполярным выходом на основе оптопар. Такие драйверы формируют на затворе два уровня напряжения: отпирающее положительное: 15 В для IGBT, 10 В для MOSFET и отрицательное запирающее -(3…10) В. Запирающее смещение создается за счет включения между минусом питания драйвера и эмиттером (истоком) параллельно соединенных стабилитрона и конденсатора. Стабилитрон выбирается на напряжение отрицательного смещения затвора, а напряжение питания драйвера должно быть равно сумме отпирающего и запирающего смещений затвора, то есть 18…25 В для IGBT и до 13…20 В для MOSFET [1].
Недостатком известной схемы драйвера с двухполярным выходом является необходимость питания всех драйверов верхнего плеча мостовой схемы от отдельных гальванически развязанных источников напряжения.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является схема с бутстрепным питанием драйверов обоих транзисторов полумоста от одного источника напряжения, в которой драйверы верхнего плеча питаются от конденсаторов, периодически подзаряжаемых через бутстрепные диоды и открытые транзисторы нижнего плеча [2].
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является обеспечение повышение надежности устройства.
Указанная задача решена тем, что бутстрепный драйвер содержит две оптопары, управляющие транзисторами и осуществляющие гальваническую развязку управляющего контроллера от силовой схемы. При этом IN-выводы каждой из оптопар выполнены с возможностью подключения к ним выхода контроллера, VDD-выводы каждой из отптопар выполнены с возможностью их соединения с положительными полюсами источников напряжения, а GND-вывод второй из оптопар выполнен с возможностью подключения его к отрицательным полюсам источников напряжения; OUT-выводы первой и второй оптопар подключены к затворам и эмиттерам первого и второго транзисторов; дополнительно OUT-выводы первой и второй оптопар снабжены защитными цепями, содержащими стабилитроны, а также ограничителями скорости нарастания напряжения на затворах, выполненными в виде параллельно соединенных диода и резистора.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой совокупностью конструктивных признаков, является уменьшение количества полупроводниковых элементов, конденсаторов и проводников в составе схемы, что позволяет повысить надежность устройства, а также уменьшить его массу и габариты.
Техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема драйвера с двухуровневыми источниками питания; на фиг. 2 - приведена схема драйвера с двухполярными источниками питания; на фиг. 3 приведены осциллограммы управляющего сигнала, снятого с выхода драйвера.
Бутстрепный драйвер устроен следующим образом.
Драйвер содержит две оптопары DD1 и DD2, управляющие транзисторами VT1 и VT2 и осуществляющие гальваническую развязку управляющего контроллера от силовой схемы (на электрических принципиальных схемах не показаны). При этом IN-выводы каждой из оптопар выполнены с возможностью подключения к ним выхода контроллера, VDD-выводы каждой из оптопар выполнены с возможностью их соединения с положительными полюсами источников напряжения V1 и V2, а GND-вывод второй из оптопар выполнен с возможностью подключения его к отрицательным полюсам источников напряжения V1 и V2; OUT-выводы первой и второй оптопар подключены к затворам и эмиттерам первого и второго транзисторов VT1 и VT2; дополнительно OUT-выводы первой и второй оптопар DD1 и DD2 снабжены защитными цепями, содержащими стабилитроны VD5 и VD8, а также ограничителями скорости нарастания напряжения на затворах, выполненными в виде параллельно соединенных диода и резистора VD4-R2 и VD7-R6. Конденсаторы С2, С4, подключенные параллельно стабилитронам VD5 и VD8 заряжаются при открывании транзисторов VT1 и VT2, а при логическом нуле на входах драйвера создают запирающие напряжения. Бутстрепный конденсатор С1 заряжается через диод VD3, а разряжается - через диод VD2.
Бутстрепный драйвер работает следующим образом.
Первоначально к IN-выводам оптопар DD1 и DD2 через токоограничивающие резисторы R1 и R5 подключают контроллер, генерирующий прямоугольный сигнал требуемой частоты, а выход бутстрепного драйвера подключают к управляемому устройству.
Выходное напряжение источника питания V2 равно сумме отпирающего и удвоенного отрицательного смещения затвора транзистора, указанный источник питает первую (верхнюю) оптопару DD1. Вторая (нижняя) оптопара DD2 питается через бутстрепный диод VD1 от источника V1, напряжение которого равно сумме напряжения отпирания транзистора и отрицательного смещения затвора, при этом при заряде бутстрепного конденсатора С1 часть напряжения падает на стабилитроне VD8. На фиг. 1 приведен вариант схемы, где применены транзисторы, надежно запирающиеся при отрицательном смещении -10 В, поэтому источники питания драйвера формируют напряжения V1=25 B для нижней оптопары и V2=35 B для верхней оптопары.
CT
GE1
C1
C2
GE1
C1
C2
Заряд бутстрепного конденсатора С1 до напряжения 25 В происходит через транзистор VT2, диоды VD1, VD3, стабилитрон VD8 и конденсатор С4. Разряд конденсатора С1 происходит через диод VD2 при включении верхней оптопары, при этом часть заряда конденсатора С1 идет на подзарядку конденсатора С2 до напряжения стабилизации стабилитрона VD5. Осциллограммы напряжений на фиг. 3 приведены для схемы при следующих значениях параметров ее элементов: С1=15 мкФ, С2=2 мкФ, R3=5 кОм, напряжение стабилизации VD5 U=10 B, частота коммутации транзисторов 1 кГц, а скважность равна двум. Когда транзистор VT1 отпирается напряжением U=15 B, происходит разряд конденсатора С1 на конденсатор С2. Напряжение U падает, а U растет. При закрытом состоянии VT1: U=-10 B, при этом U растет, а U падает.
Список использованных источников
1. Петров, С. Практика применения в сварочных инверторах драйверов мощных МОП- и IGBT-транзисторов // Современная электроника, №5. - 2010, с. 40-47.
2. Семенов, Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. - М: СОЛОН-Пресс, 2005. - с. 336.