Драйверы управления IGBT производства Ангстрем

Управление мощными преобразователями, силовыми машинами, электродвигателями, приводами, автономными источниками электропитания крайне важно для транспорта, станкостроения, электроэнергетики, промышленности и в целом имеет для экономики большое значение. Электронная компонентная база (ЭКБ), используемая в системах управления, напрямую влияет на безопасность, надежность, энергоэффективность, массо-габаритные характеристики и стоимость всей системы. Использование импортной ЭКБ в системах управления делает российские компании уязвимыми для торговых ограничений, нерыночной конкуренции и не позволяет совершенствовать характеристики систем выше уровня конкурентов.

На производственных мощностях АО «Ангстрем», в настоящее время большими сериями выпускается широкий ассортимент силовой электроники, отличающийся очень высокой надежностью и достаточно высокими характеристиками электронных компонентов. Выпускаемая Ангстремом на существующем технологическом уровне силовая ЭКБ удовлетворяет самым высоким требованиям функциональности, надежности, температурной и радиационной стойкости, при конкурентоспособной цене. Переход на более современные «тонкие» топологические нормы при высоких напряжениях ограничен требованиями диэлектрической проницаемости и в данном случае не оправдан.

АО «Ангстрем» также длительное время ведет разработку и производство широкой линейки IGBT и MOSFET полупроводниковых приборов, силовых модулей, в том числе интеллектуальных. Функциональная совместимость, а зачастую и совместимость pin-to-pin с импортными аналогами, дают возможность заменить импортную ЭКБ на отечественную без потери наиболее важных характеристик. Также предприятие разрабатывает изделия более сложного уровня – блоки управления, или драйверы.

Для ряда драйверов с гальванической трансформаторной развязкой был разработан и освоен в производстве комплект микросхем драйверного ядра – АМ2101 и АМ2114. Драйверное ядро собственного производства в компактных корпусах SO-16 позволило достичь минимальных в России размеров драйверов при сохранении надежности на уровне изделий специального применения.

Функциональные возможности драйверного ядра

• Контроль напряжения насыщения на коллекторе управляемого IGBT транзистора
• Регулировка порога защитного отключения по напряжению насыщению
• Блокировка управления при «аварии»
• Сигнализация о наличии аварийного режима
• Блокировка одновременного включения верхнего и нижнего плеча полумоста
• Контроль напряжений питания драйвера на входе, а также на выходе DC-DC преобразователя
• Регулировка времени блокировки управляемого транзистора.

Как первичная АМ2101, так и вторичная АМ2114 стороны каналов драйвера оснащены схемой обнаружения недопустимого снижения напряжения питания. В случае обнаружения недопустимого снижения напряжения на первичной стороне, на затворы силовых полупроводников подается отрицательное напряжение для их перевода в запертое состояние (драйвер блокируется), а на обоих выходах SO1 и SO2 сигнализируется наличие отказа вплоть до его устранения. В случае недопустимого снижения напряжения на вторичной стороне, запирание полупроводника подачей отрицательного напряжения на затвор, блокировка драйвера и сигнализация отказа на выводе SOx выполняются только в том канале, в котором обнаружен данный вид повреждения. Выход SOx автоматически сбрасывается (возвращается в высокоимпедансное состояние) по истечении выдержки времени блокирования. На рисунке 1 приведена структурная схема драйверного ядра в модуле управления полумостом.

Рис. 1. Структурная схема драйверного ядра в модуле управления полумостом.

Двухканальные драйверы ДР 8/1700 и 2629КР014

Двухканальные драйверы общего назначения ДР 8/1700 и 2629КР014 предназначены для управления двумя IGBT-транзисторами малой и средней мощности. Драйверы имеют одинаковую электрическую схему, одинаковые характеристики и различаются только конструктивным исполнением.

Драйвер ДР 8/1700 разработан для достижения минимальных размеров – его габариты всего 45 х 34,3 х 16 мм, что является самым компактным решением для промышленных применений в России.

Драйвер 2629КР014 имеет металлический корпус, в котором для отвода тепла от элементов схемы драйвера используется заливочный компаунд низкой вязкости, отличающийся  высокой теплопроводностью, диэлектрическими свойствами, влагостойкостью, вибро и ударо поглощением. Он имеет несколько большие габариты - 56 х 76 х 13 мм.

Оба драйвера поддерживают возможность управления параллельно-включенными транзисторами, поддерживают многоуровневые топологии, могут быть использованы в оборудовании с очень ограниченным монтажным пространством. Они способны управлять любыми IGBT-модулями мощностью до 600 А/1200 В или 450 А/1700 В. На рис. 2 приведены фотографии драйвера ДР 8/1700, на рис. 3 фотографии драйвера 2629КР014.

Характеристики драйверов ДР 8/1700 и 2629КР014

Номинальное напряжение питания………………………………………………15 ±0,5 В

Ток потребления (f= 0 Гц)………………………………………………………….≤38 мА

Ток потребления, полная нагрузка………………………………………………≤210 мА

Выходная мощность на канал……………………………………………………≥1 Вт

Напряжение затвора………………………………………………………………+15/-8 В

Пиковый выходной ток…………………………………………………………….-8 – +8 А

Максимальная рабочая частота (без нагрузки)……………………………….50 кГц

Время задержки включения сигнала между входом и выходом………....≤90 нс

Время задержки выключения сигнала между входом и выходом….........≤80 нс

Время нарастания выходного сигнала………………………………………≤60 нс

Время спада выходного сигнала………………………………………………≤60 нс

Рабочий диапазон температур………………………………………………….-40 – +85°C

Габариты драйвера ДР 8/1700………………………………………………….45 х 34,3 х 16 мм

Габариты драйвера 2629КР014 ………………………………………………56 х 76 х 13 мм

В драйверах ДР 8/1700 и 2629КР014 реализованы все функциональные возможности драйверного ядра. Для питания схемы управления затвором изолированным напряжением драйверы оснащены DC/DC-преобразователем и используют питание стабилизированным напряжением. Изоляция всех трансформаторов (DC/DC и сигнальные трансформаторы) между первичной и вторичной сторонами имеет класс защиты II EN 50178.

Двухканальный драйвер 9016ВС01 выполнен на базе того же драйверного ядра из комплекта микросхем АМ2101 и АМ2114. Он предназначен для управления силовыми транзисторами типа IGBT и MOSFET средней и большой мощности, мощностью до 2500А/1200В и 2000А/1700В. Конструктивно драйвер выполнен в металлическом корпусе с крепежными отверстиями для печатной платы. Для отвода тепла от элементов схемы драйвера также, как и в драйвере 2629КР014 используется заливочный компаунд низкой вязкости. Драйверы используют все функциональные возможности драйверного ядра и прошли весь цикл испытаний на надежность и стойкость к неблагоприятным факторам среды.

• Напряжение питания..................................15 В ±1В
• Ток потребления, при FIN = 100 кГц..........200 мА
• Максимальная выходная мощность на канал... 4 Вт
• Напряжение затвора..................................+15/-8 В
• Пиковый выходной ток (ток затвора) .......от -35 А до +35 А
• Максимальная частота управляющего сигнала FIN....до 100 кГц
• Температурный диапазон..................................от -40°С до +85°С
• Размеры..............................................................76 мм х 56 мм х 10 мм;

Конструктивно драйвер 9016ВС01 состоит из одной АМ2101, двух АМ2114, шести NМОП транзисторов 2ПЕ213А92 и гальванической развязки в виде одного силового и двух сигнальных трансформаторов на ферритовых кольцевых сердечниках. Драйвер выполнен на многослойной печатной плате с внешними штыревыми выводами и имеет металлический корпус.

Одноканальные драйверы 2629КР025 и 2629КР035

Одноканальные драйверы 2629КР025 и 2629КР035 построены также с использованием модифицированного драйверного ядра – кристаллов микросхем АМ2101М и АМ2114М (драйвер 2629КР025) и АМ2114М1 (драйвер 2629КР035). Структурная схема модифицированного одноканального драйверного ядра приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Структурная схема одноканального драйверного ядра.

Основные характеристики одноканальных драйверов

• Напряжение питания VCC...............................................................15 ±0,5 В
• Напряжение затвора...................................................................... +15/-8 В
• Пиковый выходной ток (ток затвора) 2629КР025.........................от -2 А до +2 А
• Пиковый выходной ток (ток затвора) 2629КР035.........................от -0,5 А до +0,5 А
• Максимальная частота управляющего сигнала FIN....................до 50 кГц
• Температурный диапазон..............................................................от -60°С до +125°С
• Тип корпуса металлокерамический............................................. Н14.42-1В
• Габариты корпуса......................................................................... 12 х 12 х 2,9 мм
• Масса микросхемы .......................................................................5,0 г

На рисунке 6 приведены фотографии драйверов 2629КР025 и 2629КР035.

Рис. 6. Драйверы 2629КР025 и 2629КР035

АО Ангстрем обладает полным циклом выпуска микроэлектронной продукции: разработка топологии, выпуск пластин, сборка микросхем и транзисторов в корпусе, тестирование. Полный цикл обеспечивает полный контроль над поставкой конечных изделий, что критически важно для специальных и промышленных применений. Кроме того, открывается возможность выполнять разработку управляющих схем под задачи конкретного заказчика. В качестве таких заказчиков уже выступили Минпромторг, Министерство обороны РФ, Росатом и ряд других крупных государственных министерств. Накоплен большой опыт разработки, а также широкий спектр уже готовых решений, которые могут стать основой для модификации существующих разработок под задачи конкретного заказчика. Это открывает возможность разработки оптимальных изделий даже для коммерческих компаний, работающих в ответственных областях энергетики, промышленности, транспорта, в условиях Арктики и Космоса. Кроме того, Ангстрем разрабатывает функциональные комплекты изделий, оптимизированных по своим параметрам. Например, описанные выше драйверы разрабатывались в едином комплексе с IGBT и MOSFET модулями собственного производства. Приглашаем заинтересованные компании к диалогу и сотрудничеству, чтобы расширить сферу применений и возможности российской микроэлектроники.

Машевич Павел Романович,
советник генерального директора,
главный конструктор АО «Ангстрем»

Шеремет Константин Павлович,
ведущий инженер-конструктор