Цепь драйвера

Обслуживающие цепи. Snubbers and Clamps.
(Snubbers – Демпферы, Clamps – Зажимы)
Snubbers –
цели
Переключение нагрузок с реактивными компонентами, типа резистивноиндуктивных нагрузок, имеет некоторые особенности.
Эти компоненты хранят энергию, поэтому, ключ должен противостоять
высоким пикам тока или высоким выбросам напряжения.
Из-за переходных процессов при коммутации, искажается форма сигнала, и
в преобразователях происходят дополнительные потери при переключении.
Чтобы
преодолеть
опасность
перегревания
и
перенапряжений
полупроводника, ключи оборудованы цепями защиты и цепями
демпфирования, так называемыми цепями снаббера.
07.05.2016
2
Функция цепи снаббера:
Цепь должна уменьшить
электрические силы (стрессы),
имеющие место в течение
переключения до уровней в
пределах номинальной величины
устройства.
07.05.2016
3
Методы
 Ограничение напряжений, прикладываемых
для переключения в течение выключения
процесса,
 Ограничение скорости повышения
напряжения через ключа в течение
выключения процесса,
 Ограничение токов устройства и скорости
их повышения в течение переходных
процессов,
 Ограничение скорости повышения токов
через устройства при включении и
выключении.
07.05.2016
4
Три класса цепей снаббера.
 Неполяризованные последовательные RC снабберы для
защиты диодов и тиристоров, ограничения максимального
напряжения, скорости роста, и обратного восстановления.
 Поляризованные RC снабберы для формирования
траектории выключении ключа, чтобы применить
зажимающее напряжение к устройствам или ограничивать
их скорость повышения в течение выключения.
 Поляризованные снабберы LR, используемые, чтобы
сформировать траектории включения и/или ограничить
скорость тока в течение включения устройства.
07.05.2016
5
Clamps
Есть ситуации, в которых необходима цепь защиты,
которая ограничивает максимальное напряжение в
ключе. Этот специальная цепь - зажим напряжения.
07.05.2016
6
Диодные снабберы
 Снабберы необходимы в цепях силовых диодов, чтобы
минимизировать перенапряжения.
 Эти перенапряжения происходят из-за неучтённой
индуктивности или индуктивности утечки последовательно с
диодом.
 Неполяризованный снаббер состоит из резистора,
последовательно соединённого с конденсатором, для силового
диода.
 В течение периода тока обратного восстановления конденсатор
служит, чтобы ограничить шип напряжения.
 Энергия, сохраненная в индуктивности обратной цепи тока
восстановления, служит, чтобы зарядить конденсатор, таким
образом уменьшая шип.
 Резистор рассеивает часть этой энергии, и, если выбран
правильно, заглушает колебания в цепи.
07.05.2016
7
Диодные снабберы
Полная предварительная ёмкость снаббера может быть
выбрана как (1 – 2) мкФ и сопротивление равно:
√(L/C)<R< 2√(L/C)
где L - индуктивность цепи коммутации тока.
Мощность резистора должна быть приблизительно
вычислена следующим образом:
P = 450CU2,
где U - напряжение фазы.
07.05.2016
8
Тиристорные снабберы - цель
1. Если ток в тиристоре повышается быстро , превышая норму,
устройство может быть разрушено. Небольшая индуктивность должна
присутствовать, соединённая последовательно с тиристором так, чтобы dI/dt
была ниже безопасного предела, определенного изготовителем.
2. Тиристор можно включить без любого управляющего импульса, если прямое
напряжение приложено слишком быстро.
Это известно как dU/dt включение, и это может привести к неподходящему
режиму в цепи.
Простой RC снаббер обычно используется, чтобы ограничить dU/dt
прикладываемого прямого напряжения.
07.05.2016
9
Поляризованный тиристорный снаббер
Поляризованный тиристорный снаббер уменьшает пики
напряжения при выключении. Резистор в снабберной цепи
обязан ограничивать ток разрядки конденсатора при
включении.
Часто резистор имеет параллельный диод ,чтобы сделать конденсатор
более эффективным при ограничении скорости напряжения в прямом
направлении (с).
07.05.2016
10
Принудительные цепи коммутации
тиристоров
В тиристорных ключаях используются принудительные цепи коммутации.
Чтобы выключить тиристор, ток должен быть уменьшен ниже параметра
удержания определенной закрывающей схемой между анодом и
катодом.
07.05.2016
11
Принудительные цепи коммутации тиристоров
Эта цепь содержит простой источник энергии - конденсатор, который направляет
ток против тиристорного тока. Когда ток через тиристор должен быть
выключенным в желательный момент, это на мгновение обратно смещает
цепь, делая катод положительным относительно анода.
Как правило, предварительно заряженный конденсатор – моментально
соединяется с проводящим тиристором, чтобы полностью изменить
смещение.
Если диод - обратно смещен, его ток падает, становится нулем, затем
инверсируется и становятся нулем снова.
Как дополнительный источник энергии, может использоваться коммутирующий
тиристор.
Пример коммутационной цепи 1.
07.05.2016
12
Работа коммутационной цепи
Когда вспомогательный тиристор D2 проводит, конденсатор C заряжается
до выходного напряжения.
После того, как конденсатор зарядился, тиристор D2 выключается.
Одновременно главный тиристор D1 включается, конденсатор C
разряжается через коммутационную цепь диода D3 и катушки L.
Из-за катушки индуктивности обратный ток течёт, пока
напряжение конденсатора
не будет равняться выходному напряжению.
Напряжение D1 становится отрицательным, и D1
выключается.
Конденсатор заряжается через нагрузку и D2 снова и
процесс повторяется.
07.05.2016
13
Пример коммутационной цепи 2
(коммутационная цепь McMurray)
Когда главный тиристор D1 включён,
конденсатор C заряжается. Чтобы
выключить тиристор, включается
вспомогательный тиристор D2.
В результате импульс тока проходит через
L, C, D2, D1.
Этот отрицательный коммутирующий ток
течет в направлении, противоположном
току нагрузки, уже текущему через D1.
Когда эти токи становятся равными, ток
через D1 падает до нуля, и D1
выключается.
07.05.2016
14
Снабберная цепь тиристора GTO
Поляризованный снаббер, состоящий из диода,
конденсатора, и резистора используется, чтобы
ограничить скорость повышения напряжения при
выключении.
Кроме того, в течение уменьшения времени выключения
процесса, ток тиристора отклоняется (явление известно
как снаббинг тока) на конденсатор снаббера (заряжая
его).
В отличие от SCR, прямое напряжение прикладывается
повторно немедленно после выключения в этой цепи.
07.05.2016
15
Снабберы для транзисторов
Есть три основных типа снабберов для транзисторов:
 снаббер выключения
 снаббер включения,
 снабберы перенапряжения.
Цель снаббера выключения состоит в том, чтобы
обеспечить минимальное напряжение через
транзистор, когда ток выключается.
07.05.2016
16
Снаббер выключения транзисторов
Цель снаббера выключения состоит в том, чтобы обеспечить
минимальное напряжение через транзистор, когда ток
выключается.
Такая поляризованная цепь обеспечивает низкое напряжение
через транзистор в течение выключения тока. Вся энергия
конденсатора рассеивается на резисторе, который легче
охладить, чем транзистор. Эта цепь ещё ограничивает пиковый
ток.
07.05.2016
17
 Перенапряжение при выключении из-за неучтённой
индуктивности может быть минимизировано посредством
поляризованного снаббера, показанного на рисунке.
07.05.2016
18
Поляризованный снаббер, показанный на рис. c уменьшает потери при
выключении и ограничивает максимальные токи. Кроме того, это
уменьшает напряжение через транзистор, поскольку ток растет.
Поляризованный снаббер, показанный на рис. d, используется с цепями
силового транзистора с индуктивной нагрузкой, чтобы избежать
одновременного возникновения пикового напряжения и пикового тока.
07.05.2016
19
Резюме
 Если никакой снаббер не используется, и основной ток
выключает транзистор, напряжение через устройство сначала
повышается, и когда оно достигает напряжения источника dc,
ток коллектора падает. Пики напряжения и тока происходят
почти одновременно, и это может привести к вторичному
разрушению.
 Когда используется снабберная цепь, и основной ток
выключает транзистор, ток коллектора идёт на
конденсатор.Ток поэтому уменьшается при увеличении
напряжения коллектор -эмиттер, при этом не возникает
одновременно пиковое напряжение и пиковый ток.
 Наоборот, транзистор не имеет никакой обратной запирающей
ёмкости, следовательно, он шунтируется антипараллельным
диодом, если он используется в ac цепи.
07.05.2016
20
Voltage clamps «Зажимы напряжения»
Зажимы напряжения используются исключительно для исключения
разрушения лавиной (перенапряжение). Это – когда выброс
напряжения превышает пределы ключа.
Выпрямительный диод и диодные clamps Zener используются, как
показано на рис. a, b.
Все диоды Zener начинают проводить очень быстро, но это не
очевидно в случае Выпрямительных диодов.
Вариации clamps напряжения - мягкие зажимы
Вариации clamps напряжения состоят в том то, что их можно
было бы назвать мягким зажимом (рис. a, b). Эти зажимы
превращают энергию шипа в "мягкий" разряд тока, типа
конденсаторного.
07.05.2016
22
Защита от перенапряжения двух IGBT
Резисторы поддерживают
установившийся баланс напряжения
компенсацией разности в токах утечки
устройства.
Очень быстрые переходные процессы
уравновешиваются конденсаторами.
В течение переключения различия в
задержке от одного устройства до другого
могут приводить к неуравновешенным
напряжениям.
Активная цепь зажима, сформированная
цепью Zener и IGBT, ограничивает UCE на
величину выше напряжения пробоя
Zener.
07.05.2016
23
Резюме
Снабберы и зажимы стали обязательной частью
любого силового ключа.
Они защищают силовые диоды, тиристоры, и
транзисторы в операциях переключения и
помогают им противостоять перенапряжениям
и сверхтокам.
07.05.2016
24
Gate and Base Drivers
Цель управляющего электрода и драйвера состоит в том, чтобы
переключить силовые полупроводниковые устройства из состояния
выключено в состояние включено и наоборот.
В большинстве ситуаций проектировщик ищет дешевый драйвер,
.
который минимизирует времена
переключения так, чтобы
устройство провело немного времени в активной области, где
мгновенная мощность рассеяния является большой.
07.05.2016
25
Функции управляющих электродов и драйверов
Функции управляющих электродов и драйверов
делятся на:
 цепь управляющей логики и
 цепь драйвера.
Первая предназначена, чтобы
 сформировать главные и вспомогательные
дискретные интервалы в соответствии с
управляющей логикой полупроводниковых
устройств;
 производить несущие сигналы;
 производить управляющий импульс силовых
устройств.
07.05.2016
26
Цепь управляющей логики
Предназначена, чтобы
 сформировать главные и вспомогательные
дискретные интервалы в соответствии с
управляющей логикой полупроводниковых
устройств;
 производить несущие сигналы;
 производить управляющий импульс силовых
устройств.
07.05.2016
27
Цепь драйвера
Цепь драйвера - интерфейс между управляющей
логикой и устройством переключения. Его
функции следующие:

сформировать длину пульса, амплитуду, и форму
волны;

усилить управляющие сигналы до уровня,
требуемого ключом драйвера;

распределить импульс среди силовых устройств;

обеспечить электрическую изоляцию, когда
требуется, между ключом и логическим уровнем
сигнала управляющей цепи.
07.05.2016
28
Топология цепи драйвера
Основную топологию цепи драйвера диктуют его
функциональные предназначения:
 Выходной сигнал униполярен или биполярен?
 Сигналы драйвера соединены непосредственно
или электрически изолированы?
 Выход цепи драйвера имеет цепь, соединённую
параллельно с выключателем или
последовательно?
 Цепь драйвера осуществлена, чтобы защитить
выключатель от дополнительных усилий?
 Цепь драйвера должна обеспечить большой
выходной ток (что касается BJT) или большое
напряжение (что касается FET)?
Тиристорная управляющая
логика
В АС системах, контроллер, изменяющий
фазу импульса включения, обычно
выполняет включение тиристоров.
Выключение производится посредством
естественной коммутации, вызванной
цикличностью источника напряжений.
Цепь управляющей логики сравнивает
выходной сигнал Um контроллера с
пилообразным периодическим несущим
сигналом Uc, синхронизированным
линейным напряжением UA. С этой
целью используется генератор G
несущего сигнала.
Всякий раз, когда разность становится
положительной в каждую первую половину
периода, моностабильный T производит
короткий импульс IG, который, после
усиления, проходит через изолирующую
цепь к управляющему электроду
тиристора для включения.
PWM Транзисторная управляющая
логика
PWM - самый популярный метод, обеспечивающий
управляющую логику транзистора для инвертеров, AC/AC
конвертеров, и чопперов.
Чтобы получить уравновешенные трехфазные источники
напряжения в системе PWM, треугольная форма волны
несущего напряжения сравнивается с тремя
синусоидальными модулированными напряжениями,
которые не совпадают по фазе на 2π/3 радиан.
Эти 3 синусоидальных волны представляют сигналы уставки
напряжения, а Uu, UV, and UW – это выходные
напряжения конвертера.
Таким способом, контроллер напряжения или тока
определяет моменты включения транзисторов.
Цепи драйвера (драйверы с униполярными выходами 1)
Прямые драйверы с униполярными выходами - самые
простые цепи драйвера. Блок, обозначенный IC, это
интегральная схема, которая обеспечивает основной ток
для промежуточного биполярного транзистора T1,
который запускает главный биполярный транзистор T2.
Его внутренний таймер устанавливает частоту
переключения. Цикл занятости определен
моностабильной задержкой, которую устанавливает RC
цепь Т1.
Цепи драйвера (драйверы с
униполярными выходами 2)
Запуск импульса MOSFET - процесс, подобный зарядке
конденсатора. Т.к. MOSFET не будет включаться до
достижения пороговой величины напряжения затвора,
важен запуск затвора через низкий импеданс, чтобы
минимизировать задержку включения. Устройство,
которое особенно хорошо подходит для запуска MOSFET,
- интегральная схема, известная как MOS clock driver.
Цепи драйвера (драйверы с униполярными
выходами 3)
Тиристоры включаются импульсом
управляющей цепи, который
м.б. получен от цепи
триггерирования (включения).
Когда импульс управляющей цепи
используется, образуется
анодный ток и напряжение
через прибор падает.
Когда прибор полностью включен,
напряжение через него
довольно мало(1 до 2,5 В) и в
практических цепях прибор
ведёт себя как к.з. цепь.
Прибор включается очень быстро,
время включения 1 до 3µс.
Прямые драйверы с биполярными
выходами
Прямые драйверы с биполярными выходами требуют
дифференцированных dc источников и спрособны выключать и
включать быстро. Они используются для высоких частот переключения,
но не подходят для заземлённых ключей.
Электрическая изоляция цепей драйверов может быть достигнута
посредством трансформаторов или оптопар.
При высоких напряжениях, типа статических реактивных компенсаторов
мощности, оптические волокна могут использоваться, чтобы передать
импульс включения, таким образом предотвращая электромагнитную
интерференцию.
Резюме
Управляющие электроды и цепи
драйверов обеспечивают работу
силовых электронных устройств
в преобразователях мощности.
Их дизайн и принцип работы
определяют качество, цену и
надёжность преобразователей.
Спасибо за внимание!
07.05.2016
37