Структура драйвера и основные требования к драйверам

На рис.3.40 показана основная структура «комфортабельного» драйвера для одного плеча MOSFET или IGBT моста с верхней/нижней блокировкой и защитными функциями запирания затвора. В этом драйвере верхний или нижний ключи и блок обработки сигнала разделены изоляцией потенциала для управляющих сигналов, сигналов управления мощностью и обратной связью по выходу и при сбоях. В «простых» цепях драйвера эта изоляция потенциалов может комбинироваться (общая передача энергии и сигнала) или они частично или даже полностью отсутствуют (например, цепи самоконтроля для верхнего источника питания). Низковольтные ключи или коммутаторы особенно (только нижний ключ включен) требуют очень упрощенную структуру драйвера, так как простые ключи можно реализовать без множества блокировок и функций защиты.

Затвор является основной частью цепи драйвера и состоит (в основном) из первичного контроля состоянием задержки, блокировки и минимального времени включения и выключения (см.п. 3.5.4), изоляции потенциала (с формирователями импульсов при необходимости) и генератора положительного /отрицательного напряжения управления затвором. Затвор мощного транзистора может также оснащаться защитой от перенапряжений вместе с активной фиксацией v_DS или v_CE (см.п. 3.6).

Рис. 3.40. Структурная схема драйвера для одного плеча моста с верхней/нижней блокировкой и защитными функциями

На рис.3.41 показана схема генератора положительного и отрицательного управляющего напряжения затвора (разработана для IGBT с отрицательным напряжением затвор-эмиттер). Кроме комплиментарного повторителя напряжения с маломощными MOSFET, например, также часто используют комплиментарные повторители напряжения стока или коллектора и драйверы с выходным двухтранзисторным каскадом на MOSFET или биполярных транзисторах [277].

Другие решения, включая схемы на интегральных компонентах, приведены в п. 3.5.6.

Рис. 3.41. Генератор напряжения включения и выключения затвора

Сопротивление затвора R_G на рис.3.41 разделено на два резистора R_Gon и R_Goff для включения и выключения соответственно. Благодаря этому можно ограничить большинство неизбежных перекрестных токов от V_GG+ к V_GG-, возникающих при коммутации драйвера MOSFET. Основное преимущество в том, что такое решение дает возможность раздельно оптимизировать перегрузки по току при включении и перегрузки по напряжению при выключении (см.п. 3.5.2) а также параметры короткого замыкания (п. 3.6.2). Если есть только один выход для R_G, функцию можно выполнить при параллельном включении R_Gon и R_Goff . Включенные параллельно резисторам диоды нужно располагать так, чтобы катод был подключен к затвору IGBT для R_Gon и для R_Goff - анод к затвору IGBT.

Резистор затвор-эмиттер R_GE (10.100 кОм) нельзя упускать при любом применении, так как он защищает от случайного заряда емкости затвора при работе драйвера с высокими уровнями выходного сопротивления (коммутация, выключение и выход из строя источника питания драйвера). Низкоиндуктивные конденсаторы С (0.22.1 мкФ) служат буфером для V_GG+ и V_GG- возле выхода драйвера и должны поддерживать минимальное динамическое внутреннее сопротивление драйвера вместе с низкоомными цепями драйвера. Только при таких условиях драйвер будет способен сгладить токи смещения из-за dv_CE/dt, которые протекают через емкость Миллера к затвору и могут быть причиной сбоев при коммутации, паразитных генераций или недопустимых перенапряжений затвора.

Кроме того, при конструировании генератора напряжений для затвора необходимо учитывать следующие аспекты:

• минимум паразитных индуктивностей в цепи затвора, например коротких (<<10 см), переплетений проводов между драйвером и затвором, драйвером и эмиттером; компоновка с минимальными размерами в соответствии с рис.3.41.
• исключение обратной связи тока нагрузки с напряжением затвора, вызванной паразитной индуктивностью эмиттера в силовом модуле: связь земли драйвера с управляющим выводом эмиттера силового модуля,
• предотвращение петель общего провода,
• предотвращение трансформаторной и емкостной связи между цепями затвора и коллектора (не параллельность критических шин или проводов; экранирование участков).

Конечно, эти требования должны дополняться изоляцией потенциала источника питания буфера (например, импульсным режимом работы источника питания, встроенного в драйвер) и всех других потенциальных узлов от потенциала силового транзистора.

Низкочастотные фильтры, формирователи импульсов и триггеры, через которые проходит сигнал для снижения помех, должны вносить минимальные искажения и время задержки сигнала.