2. ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА СУЧАСНИХ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ
3. СХЕМИ УПРАВЛІННЯ транзисторні ключі
4. МОСТОВІ СХЕМИ УПРАВЛІННЯ КЛЮЧАМИ
5. література:
6. Про компанію Int. Rectifier

ВСТУП

За різними оцінками, більше половини всієї вироблюваної в світі електроенергії споживається системами електроприводу. При цьому найбільш масовим є привід малої (до 5 кВт) і середньої (до 50 кВт) потужності, причому на частку першого припадає до 75% ринку електроприводів. Цей клас приводів є основним для верстатних приводів подачі, для приводів промислових роботів, інших агрегатів і систем автоматизації технологічних процесів, для промислових вентиляторів, насосів і т.д., а також для побутової техніки. Темпи зростання ринку приводів малої і середньої потужності складають приблизно 25% на рік і мають стійку тенденцію подальшого зростання. За прогнозами, обсяг ринку цих приводів до 2010 р повинен досягти рубежу 3 млрд. Доларів.

Постійно зростаючі вимоги з регулювання параметрів руху, по точносних характеристиками і швидкодії для промислових приводів, з одного боку, і за споживчими властивостями побутової техніки, з іншого боку, зумовлюють прискорений розвиток регульованих приводів. Розрахунки показують, що проста заміна нерегульованого приводу на регульований, дозволяє економити до 60% електроенергії, споживаної побутовими холодильниками та кондиціонерами і до 64% ​​- пральними машинами.

Масового характеру розповсюдженню регульованих приводів малої потужності, стійкі темпи зростання їх виробництва і зростаючі вимоги щодо підвищення їх енергетичної ефективності, викликають необхідність вдосконалення старих і розробки нових алгоритмів управління приводом, застосування найбільш ефективних електродвигунів і схем управління ними. Реалізація зазначених тенденцій призвела до того, що класичний, найбільш поширений раніше нерегульований асинхронний електропривод з живленням від загально мережі 220/380 В, 50 Гц, поступово витісняється іншими пристроями. Це асинхронний привід з частотним і векторним керуванням, вентильний привід на основі індукторних двигунів і вентильний привід на основі безконтактних двигунів з порушенням від постійних магнітів.

ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА СУЧАСНИХ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ

Як правило, при потужності понад 100 Вт двигуни для всіх типів перспективних приводів виконуються трифазними.

Іншою загальною рисою цих сучасних приводів є те, що перемінна напруга для електроживлення обмоток електричних машин (ЕМ) виробляється спеціальним електронним перетворювачем - інвертором (І), виконаним за мостовою схемою. Таким чином, вся система електроприводу будується за так званою схемою з ланкою постійного струму, при якій на вхід інвертора подається постійна напруга Ud.

На рис. 1 представлена ​​типова функціональна схема електроприводів малої і середньої потужності. Напруга Ud виробляється блоком випрямлення В (мостовим випрямлячем або коректором коефіцієнта потужності). Обов'язковим елементом інвертора є вхідний фільтр Ф (в найпростішому випадку ємнісний). Силова частина (СЧ) інверторів виконується в більшості випадків на польових транзисторах (MOSFET) або на біполярних транзисторах з ізольованим затвором (IGBT). Для електроприводів з напругою Ud в шині постійного струму понад 300 В, на сьогоднішній день найбільшого поширення набули системи, виконані на IGBT-транзисторах. Для електроприводів з напругою по ланцюгу постійного струму до 200 В краще використання польових транзисторів.

Мал. 1. Типова функціональна схема електроприводів малої і середньої потужності

Обов'язковою функцією для всіх сучасних електроприводів є регулювання (в найпростішому випадку - обмеження) струму, що протікає через силові транзистори і фази ЕМ. Найбільш часто це регулювання здійснюється методом широко-імпульсної модуляції (ШІМ) часу відкритого стану силових транзисторів І. Для отримання інформації про величину струму служать датчики струму (ДТ), що встановлюються або безпосередньо в фази ЕМ (ДТФ1 і ДТФ2) або в шину постійного струму ( ДТ =).

У вентильних електроприводах часто необхідним функціональним елементом є датчик положення ротора (ДПР) або енкодер, що встановлюється на валу ЕМ.

Інформаційно-управляюча підсистема (ИУП) призначена для:

1. вироблення сигналів управління транзисторами СЧ з метою формування необхідних законів руху електроприводу;
2. забезпечення необхідних захистів, зворотних зв'язків;
3. індикації режимів і параметрів роботи приводу;
4. сполучення з зовнішніми керуючими пристроями і датчиками.

Для побудови ИУП можуть використовуватися як пристрої жорсткої логіки і спеціалізовані мікросхеми управління приводами, так і програмовані мікропроцесори і цифрові сигнальні процесори.

Для перетворення слабкострумових сигналів, вироблюваних ИУП, в сигнали управління затворами силових транзисторів служать спеціальні схеми управління транзисторними ключами (добу), звані в іноземній літературі драйверами.

Масового характеру виробництва електроприводів малої і середньої потужності привів до зміни принципів проектування електронних перетворювачів. Раніше розробники забезпечували високі технічні характеристики пристроїв за рахунок спеціальних схемотехнічних рішень і використання додаткових ланцюгів і вузлів, таких, наприклад, як формувачі траєкторії перемикання (снаббери). Тепер численні функції захистів, управління перемиканням силових транзисторів, контролю параметрів все більшою мірою покладаються на схеми драйверів. При цьому спрощуються схемні рішення, скорочується число елементів допоміжних ланцюгів. Елементи пристрою стають більш компактними і, відповідно, знижується собівартість виробництва виробів. Однак для реалізації зазначеного підходу в сучасних мікросхемах добу повинен забезпечуватися певний баланс між їх вартістю з одного боку і функціональної повнотою і надійністю - з іншого.

СХЕМИ УПРАВЛІННЯ транзисторні ключі

Добу є необхідним функціональним елементом електронного перетворювача для приводу (рис. 1), тому її вибір є важливим етапом розробки.

Потенціал затвора силових транзисторних ключів «верхньої групи» в промисловому і побутовому приводі визначається величиною Ud і набагато перевищує потенціали сигналів управління, що виробляються ИУП, тому в добу повинна здійснюватися або гальванічна розв'язка вхідних і вихідних ланцюгів, або повинен забезпечуватися плаваючий вихідний потенціал (високовольтний зрушення рівня ) вихідного сигналу. Компанія International Rectifier є однією з небагатьох, успішно реалізує розробку добу з плаваючим потенціалом. Образно кажучи, подібні рішення є фірмовим знаком компанії.

В останні роки інженери компанії розробили нову технологію побудови високовольтних мікросхем (HVIC), в рамках якої вдалося створити добу високого ступеня інтеграції для побутових і промислових приводів малої і середньої потужності, що працюють від загальнопромислових однофазної 220 В, 50 Гц і трифазного 220/380 В, 50 Гц мереж. Типовим представником цього сімейства є прилади IR2114 (клас 600 В) і IR2214 (1200 В). Мікросхеми призначені для управління «верхнім» і «нижньому» силовими транзисторами полумостовой схеми, на рис. 2 показана типова схема включення добу і відзначені її характерні особливості.

Мал. 2. Схема підключення IR2114

Основні характеристики мікросхеми IR2114:

• Гарантована пауза між перемиканнями верхнього і нижнього транзисторів <500 нс, що дозволяє працювати на частотах до 100 кГц.
• Управління від логічних сигналів будь-якого рівня.
• Вихідний витікаючий струм до 2 А.
• Вихідний впадає струм до 3 А, що дає можливість управляти транзисторами і високовольтними модулями з струмом до 50 А без застосування додаткових буферів.
• Повна уніфікація 600 В і 1200 В приладів за призначенням і розташуванням висновків.
• Компактність.
• Одне джерело живлення для створення плаваючого вихідної напруги.
• Висока стійкість до замикання (50 В / нс).
• Час спрацювання захисту по струму 1,5 мкс.

Характерними особливостями драйверів є: Незалежне формування процесів включення і виключення силових транзисторів. У мікросхемах IR2114 / 2214 передбачені три ланцюги для управління процесом включення / вимикання силових транзисторів. Включення силового транзистора здійснюється за виходами хOP (див. Рис. 3) в два етапи. На першому етапі, тривалістю 200 нс, перезаряд вхідний ємності затвора силового транзистора здійснюється через два внутрішніх паралельно включених резистора опором 15 Ом і зовнішній резистор R. На другому етапі відключається один з паралельно включених внутрішніх резисторів і вихідний струм зменшується. Таким чином здійснюється форсування процесу включення силового транзистора.

Вимкнення силового транзистора при відсутності перевантаження здійснюється за допомогою додаткових виходів SSDх (рис. 2). При виявленні перевантаження по струму (див. Нижче) форсоване вимикання силового транзистора по ланцюгу хON може привести до виходу траєкторії перемикання за межі області безпечної роботи робочої точки. Для виключення цього в IR2114 / 2214 здійснюється «м'яке» вимикання силового транзистора шляхом замикання ланцюга «затвор-витік» через внутрішній резистор 100 Ом і зовнішній резистор R (див. Рис. 3).

Мал. 3. Формування процесів перемикання силових ключів

Захист від перевантаження по струму здійснюється шляхом спостереження за напругою на відкритому транзисторі V по виходах DCх через розділовий діод (рис. 2). Зазначений спосіб захисту добре відомий ще з схем управління біполярними транзисторами і полягає у формуванні замикаючого сигналу при виході транзистора з насичення (desaturation). У IR2114 / 2214 спрацьовування захисту відбувається при напрузі V = 8 В, що дозволяє з достатнім ступенем надійності для високовольтних IGBT виявляти перевантаження по струму, викликану коротким замиканням навантаження, міжфазним замиканням в двигуні, замиканням фази на землю і т.д. Для запобігання помилкових спрацьовувань захисту при включенні транзистора передбачена її блокування на час 3 мкс, достатню для більшості сучасних IGBT для досягнення насичення після включення.

Узгодження роботи декількох мікросхем. Для підвищення надійності електронних перетворювачів для електроприводу добу формують сигнали «помилка», які можуть не тільки передаватися в інформаційно-керуючу підсистему, а й управляти роботою «сусідніх» добу. Наприклад, якщо одним із драйверів виявлена ​​струмовий перевантаження в одному з силових транзисторів, цей драйвер вимкне перевантажений ключ в режимі «м'якого» вимикання, за сигналом виходу «SY FLT» буде сформований заборона на включення всіх раніше закритих транзисторів, а по сигналу виходу «Fault »будуть вимкнені в звичайному режимі всі раніше включені транзистори.

Використання добу з плаваючим потенціалом не передбачає використання негативного напруги зміщення на затворі для замикання силового транзистора. Багато ж виробники MOSFET і IGBT гарантують надійну роботу своїх приладів тільки при наявності такого зміщення, особливо в разі високочастотних (понад 10 кГц) і потужних (комутований струм понад 20 А) транзисторів. Тому в рекомендаціях щодо застосування потужних високочастотних транзисторів більшість виробників виставляє наявність негативної напруги на затворі в якості обов'язкової вимоги. Компанія International Rectifier, розвиваючи ідеологію високовольтних схем з плаваючим потенціалом, випускає силові транзистори MOSFET і IGBT, придатні для роботи з подібними добу, для надійної роботи в електронних перетворювачах. Для управління ж дискретними приладами і модулями інших виробників, які потребують негативного зсуву на затворі, може бути рекомендована схема, зображена на рис. 4. У цій схемі між виходами добу хOP, xON і SDDx і резисторами RGon, RGoff RGssd встановлені буферні схеми, що підключаються до джерела з негативним напругою, наприклад -5 В. На рис. 5 представлена ​​принципова схема буферного каскаду, рекомендована компанією IR.

Мал. 4. Реалізація негативного зсуву на добу з плаваючим потенціалом

Мал. 5. Принципова схема буферного каскаду

МОСТОВІ СХЕМИ УПРАВЛІННЯ КЛЮЧАМИ

Мал. 6. добу трифазного інвертора і гальмівного транзистора

Компанія International Rectifier за технологією HVIC випускає мікросхеми IR21381Q (600 В) і IR22381Q (1200 В) високого ступеня інтеграції для схем управління трифазним мостовим інвертором. Обидві схеми містять по три каскаду управління транзисторами «верхнього» рівня і по три каскаду управління транзисторами «нижнього» рівня. Схемотехніка і функціональні можливості цих каскадів аналогічні схемотехнике і функціональними можливостями мікросхем IR2114 / 2214. Відмінною особливістю мікросхеми IR21381Q / IR22381Q є наявність додаткового каналу управління транзистором для підключення гальмівного резистора. Таким чином, IR21381Q / IR22381 містять 7 каналів управління з функціями захисту по струму шляхом спостереження за падінням напруги на силових транзисторах. На рис. 6 приведена функціональна схема цих мікросхем.

Далі буде.

література:

1. Application Note AN1120.
2. IR2114 Date Sheet.
3. IR2214 Date Sheet.
4. IR21381 Date Sheet.
5. IR22381 Date Sheet.
6. IR2175 Date Sheet.
7. IR2277 Date Sheet.

З питань отримання технічної інформації, замовлення зразків і постачання звертайтеся в компанію КОМПЕЛ. Е-mail: [email protected] .

Новий чіпсет для аудіо підсилювача класу D

Нове рішення IR на 50% знижує площа друкованої плати аудіопідсилювач класу D потужністю до 500 Вт і вдвічі знижує необхідне число силових ключів. Чіпсет орієнтований на застосування в аудіокоректор середньої і високої потужності для домашніх кінотеатрів, музичних інструментів, професійних підсилювачів і автомагнітол.

Застосування драйвера ключів верхнього і нижнього рівнів IRS20955 (S) (TR) PBF виключає зі схеми до 27 зовнішніх компонентів. Високий рівень захисту забезпечується інтегрованою програмованої двобічної струмового ОС з можливістю автоматичної переустановки, що дозволяє високовольтної ІС визначати точне поточний стан на діаграмі циклу перемикання і оптимізувати роботу контуру захисту по струму. Інтегровані в ІС функції захисту економлять до 11 компонентів схеми. Пауза на перемикання може бути встановлена ​​на значення 15, 25, 35, 45 нс для досягнення як мінімального рівня коефіцієнта нелінійних спотворень так і високої стійкості до перешкод.

IRS20955 працює на частотах до 800 кГц і може застосовуватися не тільки в полу мостова схема з Двуполярность харчуванням, а й в мостових схемах з однополярним живленням. ІС IRS20955 випускається в безсвинцевим 16-вивідних DIP- і SOIC-корпусах. Транзистори серії IRFI4024x-117P в ізольованих 5-вивідних корпусах TO-220 FullPak є напівміст, виконаний на польових N-канальних транзисторах, нормованих на напруги 55, 100, 150 і 200 B. Крім низького опору каналу (48 мОм для 55В IRFI4024H- 117P, 58 мОм для 100 В IRFI4212H-117P і 80 мОм для 150 IRFI4019H-117P і 200 В IRFI4020H-117P) їх відрізняє ультранизьким рівень заряду затвора (від 8,9 до 19 нк) і перемикання (від 4,3 до 6, 8 нк), що дозволяє забезпечити надзвичайно низький рівень коефіцієнта нелінійних спотворень і генеруються перешкод.

Про компанію Int. Rectifier

У 2015 році компанія Infineon придбала компанію International Rectifier, тим самим значно посиливши свої лідируючі позиції в області силової електроніки. ...Читати далі