Драйвер верхнего плеча — зачем он нужен силовому ключу

В полумостовой и мостовой схеме два ключа включены последовательно между шиной питания и общим проводом. Нижний ключ управляется просто: его исток соединён с общим проводом, и напряжение на затвор подаётся относительно земли. С верхним ключом так не получается — его исток «плавает» вместе с точкой соединения ключей, поднимаясь до напряжения шины в момент открытия. Управляющее напряжение приходится формировать относительно этой подвижной точки, и этим занимается драйвер верхнего плеча.

Разберём, как устроен такой драйвер, по каким параметрам он подбирается и что учитывать при проектировании силового каскада. Силовые компоненты и модули лежат в направлении микроэлектроники Crystal.

Почему нужен отдельный узел

Полевой транзистор с изолированным затвором и биполярный транзистор с изолированным затвором открываются напряжением затвор-исток, а не током. Для полного открытия требуется 10–15 В относительно истока. Когда верхний ключ открыт, его исток находится под напряжением шины — например, 400 В. Значит, на затвор нужно подать 410–415 В относительно общего провода, и удерживать это состояние всё время открытия.

Прямое подключение затвора к выходу микроконтроллера здесь невозможно по трём причинам:

• выход микроконтроллера формирует напряжение относительно общего провода, а не относительно плавающего истока;
• ток перезаряда затвора силового ключа достигает единиц ампер, тогда как выход микроконтроллера отдаёт десятки миллиампер;
• цепь управления должна быть отделена от силовой части, иначе помеха от коммутации попадает в контроллер.

Как это решается

Бутстрепная схема — самая массовая для приводов и преобразователей со сравнительно высокой частотой коммутации. Изолированный источник применяется там, где верхний ключ может оставаться открытым сколь угодно долго или где требуется усиленная изоляция по нормативам.

По каким параметрам подбирается драйвер

• Напряжение плавающего канала. Максимальное напряжение, которое драйвер выдерживает между плавающим и общим потенциалом. Подбирается с запасом к напряжению шины с учётом выбросов при коммутации.
• Пиковый ток затвора. Определяет скорость перезаряда ёмкости затвора и, следовательно, длительность переключения и потери. Ток считается по заряду затвора ключа и требуемому времени переключения.
• Задержка распространения и её разброс. Разброс между каналами напрямую влияет на выбор мёртвого времени: чем он больше, тем большую паузу приходится закладывать.
• Встроенное мёртвое время. Часть драйверов формирует паузу между выключением одного ключа и включением другого аппаратно. Это снимает риск сквозного тока при сбое программы.
• Защиты. Контроль напряжения питания, защита от насыщения силового ключа, вход аварийного отключения. Для мощных каскадов такие функции обязательны.
• Тип изоляции. Базовая, усиленная или отсутствие гальванической развязки — определяется требованиями к изделию и напряжением шины.

Мёртвое время и сквозной ток

Если верхний и нижний ключи откроются одновременно хотя бы на сотни наносекунд, шина питания окажется закорочена через оба транзистора. Такой сквозной ток ограничен только сопротивлением открытых каналов и разрушает силовой каскад за один-два цикла.

Защита от этого — пауза между выключением одного ключа и включением другого. Её длительность складывается из времени выключения силового ключа, разброса задержек драйвера и запаса на разброс параметров компонентов и температуру. Избыточная пауза тоже вредна: она искажает форму выходного напряжения и снижает точность регулирования, поэтому величину подбирают, а не берут с большим запасом.

Разводка платы

• Длина цепи затвора. Драйвер размещается максимально близко к силовому ключу: индуктивность длинной дорожки вызывает звон на затворе и ложные открытия.
• Резистор в цепи затвора. Ограничивает скорость переключения. Меньший номинал снижает потери, но повышает уровень помех и перенапряжение; величина подбирается по осциллограмме.
• Обратный диод и разряд затвора. Отдельная цепь ускоренного разряда затвора снижает риск ложного открытия от ёмкостной связи между стоком и затвором.
• Развязка по питанию. Конденсаторы устанавливаются непосредственно у выводов драйвера, а не в стороне на плате.
• Разделение земель. Силовая и сигнальная земля соединяются в одной точке, иначе ток коммутации наводит помеху на цепи управления.

Что меняется на карбиде кремния и нитриде галлия

Ключи на широкозонных полупроводниках переключаются быстрее кремниевых, и это меняет требования к драйверу. Скорость нарастания напряжения выше, поэтому драйвер должен обладать высокой устойчивостью к скачкам потенциала на плавающем канале. Для полевых транзисторов на карбиде кремния нередко требуется отрицательное напряжение запирания, чтобы исключить ложное открытие. Транзисторы на нитриде галлия чувствительны к превышению напряжения на затворе, и точность формирования уровня становится критичной.

Поэтому драйвер под кремниевый ключ не переносится напрямую на схему с широкозонным ключом: пересматриваются напряжения питания драйвера, номиналы затворных резисторов и разводка.

Что прислать для подбора

• Схему силового каскада: полумост, полный мост, трёхфазный инвертор.
• Напряжение шины и ток нагрузки.
• Тип и артикул силового ключа либо требования к нему.
• Частоту коммутации и требуемое время переключения.
• Требования к изоляции и к защитам.
• Условия эксплуатации: температура, уровень помех, требования по нормативам.

Частые вопросы

Можно ли обойтись без драйвера верхнего плеча? Только в схемах, где верхний ключ не требуется: например, при нижнем расположении ключа относительно нагрузки. В полумостовой схеме драйвер обязателен.

Когда бутстрепной схемы недостаточно? Если верхний ключ должен оставаться открытым длительно, конденсатор разрядится и драйвер потеряет питание. В этом случае ставится изолированный источник.

Как выбрать номинал затворного резистора? По компромиссу между потерями на переключении и уровнем перенапряжения. Величина уточняется по осциллограмме на макете.

Нужна ли защита от насыщения ключа? Для мощных каскадов — да: она отключает ключ при коротком замыкании быстрее, чем сработает внешняя защита.

Подойдёт ли драйвер от кремниевой схемы для карбида кремния? Как правило нет. Меняются напряжения питания драйвера, требования к устойчивости плавающего канала и разводка.

Что мы делаем

Направление Crystal закрывает силовую элементную базу: модули на биполярных транзисторах с изолированным затвором, полевые транзисторы на карбиде кремния, драйверы, стабилизаторы, компараторы и фильтры помех, включая исполнения с повышенной стойкостью к внешним воздействиям. Подбираем драйвер под конкретный силовой ключ и схему каскада, предлагаем аналоги со сравнением по документации. Общая поставка компонентов идёт по направлению микроэлектроники и компонентов.

Пришлите схему каскада, напряжение шины и артикул силового ключа на sale@tkasiatorg.ru — подберём драйвер и обвязку затвора и посчитаем поставку.