Integrovaný obvod IR2110

Integrovaný obvod IR 2110 vyrobený spoločnosťou International Rectifier je budič pre dva výkonové tranzistory MOS alebo IGBT, ktoré pracujú pri vysokých napätiach (do 500 V) a vysokých spínacích frekvenciách. Ako možné aplikácie je možné vyrobiť meniče napätia, riadiace obvody pre jednosmerné motory, choppery s rôznymi variantmi riadenia. Ovládač je možné použiť aj v inštaláciách, kde je implementované riadenie PWM (modulácia časových impulzov).

V porovnaní s klasickými schémami s diskrétnymi komponentmi na riadenie výkonových tranzistorov ponúka obvod IR 2110 vynikajúci výkon a možnosti (veľmi vysoká rýchlosť prepínania, nízky rozptýlený výkon, kompaktnosť, použitie niekoľkých ďalších komponentov). V režime BOOSTRAP (pozri aplikácie nižšie) môže obvod pracovať pri spínacích frekvenciách od niekoľkých Hz do stoviek kHz.
Aby ste ho mohli správne používať, bez nadmerného teoretizovania, je potrebné predstaviť vnútornú architektúru (blokový diagram) uvedenú na obrázku 1.

Obvod sa skladá z dvoch vnútorných kanálov, jedného LOW a jedného HIGH (spodný a horný), cez ktoré sa logickými riadiacimi signálmi (s úrovňami kompatibilnými s TTL/CMOS) a interným spracovaním získavajú riadiace signály pre dva výkonové tranzistory, signály, ktoré sa aplikujú priamo na ich mriežky. Dva výkonové tranzistory je možné ovládať nezávisle. Výstupy obvodu (HO a LO) v zásade „sledujú“ riadiace vstupy (HIN a LIN), pričom zohľadňujú vznikajúce oneskorenia (obrázok 2 a 3).

Vstupné signály (HIN a LIN) sú logické signály s prechodovými prahmi úmernými napájaciemu napätiu riadiacej logiky (VDD = 3… 20 V) (pozri tabuľky 1-4). Podľa blokového diagramu sa zistilo, že vstupy používajú Schmittove spúšťače (ako medzipamäte) s hysteréznym pásmom 0,1 VDD na imunizáciu proti šumu a na prijímanie pomaly sa zvyšujúcich impulzov. Časy oneskorenia šírenia sú rovnaké pre obidva kanály, pričom rovnosti sa dosahuje oneskorením bloku (DELAY) kanálu LOW, s typickými hodnotami 120 ns pri vedení tranzistora a 95 ns pri jeho blokovaní.

Dva výstupy HO a LO môžu byť deaktivované (riadenie tranzistora blokované) pomocou logického signálu SD (vypnutie), aktívneho na logike „1“ (pozri obrázok 2). Pri prepnutí späť na tento logický signál „0“ prvý riadiaci impulz dorazený na HlN alebo LIN resetuje klopný obvod RS na vstupe a kanál sa znovu aktivuje. Táto funkcia pomáha implementovať nadprúdovú ochranu tranzistorov (pozri aplikácie).
Vstupné signály HIN a LlN, ako aj signál VYPNUTIE (SD) súvisia s hmotnosťou riadiacej logiky VSS (pin 13), jeho napájacie napätie je VDD (pin 9).

Kanál LOW má ako referenčný potenciál (zem) svorku 2 označenú COM. Napája sa napätím VCC (pin 3) a výstup LO (pin 1) vzhľadom na COM poskytuje riadiaci signál pre tranzistor s nižším výkonom.

Kanál HIGH je napájaný napätím VB (pin 6) vzhľadom na VS (pin 5), čo je izolovaná zem. Riadiace napätie na mriežke horného tranzistora sa zhromažďuje od svorky 7 (HO) vo vzťahu k izolovanej hmote VS.

Bloky prepínania úrovní (VDD/VCC LEVEL SHIFT) vykonávajú „preklad“ riadiacich logických signálov zo vstupu na signály s hodnotami založenými na VCC, ktoré súvisia so zemou COM. Jedná sa o obvody s vysokou odolnosťou proti šumu, takže hluk generovaný prepínaním na výstupe budiča neovplyvňuje jeho riadiacu logiku.

V tranzistoroch MOS vedie pokles napätia riadiacej siete pod určitú hodnotu k zvýšeniu odporu RDS-ON, čo vedie k ich rozptýleniu vysokých výkonov. Aby sa im zabránilo, bloky UVDETECT (UnderVoltage Detector) detekujú pokles napätia pod prahovou hodnotou 8,6/8,2 V a inhibujú kontrolu tranzistorov.

Zvláštnosťou integrovaného obvodu je jeho použitie v režime BOOSTRAP (ekonomický režim). Kanál HIGH sa v zásade nedodáva samostatne s izolovaným zdrojom napätia, ale prostredníctvom pripojenia bootstrap (pozri Aplikácie). CBOOT kondenzátor je spojený medzi VB a VS. Zatiaľ čo je horný tranzistor blokovaný, kondenzátor sa nabíja z VCC cez diódu. Je potrebné zabezpečiť, aby bol VS (svorka 5) počas tejto doby nabíjania pripojený k zemi COM otvorením spodného tranzistora. Energia potrebná na aplikáciu riadenia na mriežku horného tranzistora na jeho uvedenie do vedenia sa odoberá z bootstrapového kondenzátora. V prípade rôznych aplikácií je potrebné vziať do úvahy, že uzemnenie VS musí byť vykonané v presne stanovených časoch, aby sa zabránilo skratom.
Preto použitie s bootstrap pripojením nie je vždy možné, preto môže byť kanál HIGH napájaný z izolovaného zdroja napätia.

2. Parametre

Absolútne maximálne hodnoty (napätia sa vzťahujú na COM) - tabuľka 1;
Odporúčané prevádzkové podmienky - tabuľka 2, obrázok 4 a obrázok 5.
Dynamické elektrické charakteristiky (VSS = COM). Časy sa merajú v ns a vzťahujú sa na krivky na obrázku 3 - tabuľka 3.
Statické elektrické vlastnosti - tabuľka 4.
Dôležitosť kolíkov kapsuly - obrázok 6.

3. Aplikácie

Nasledujúce aplikácie (obrázky 7, 8, 9, 10) predstavujú niektoré z možných použití integrovaného obvodu, všetky využívajú pripojenie bootstrapu.

Podľa potreby používateľa je možné ho nahradiť izolovaným zdrojom napätia. Výpočet kapacity CBOOT sa vykonáva nasledovne:
- keď poznáme elektrické zaťaženie, ktoré sa má preniesť na mriežku tranzistora pre jeho vstup do vedenia:

-na dlhodobé skladovanie za jazdy musí byť:

kde IQBS je prúd absorbovaný kanálom HIGH. Hodnota CBOOT = 0,1 uF pokrýva rozsah použitia až do frekvencie 5 kHz.

Dióda použitá na nabíjanie CBOOT musí byť rýchla dióda s nízkou parazitnou kapacitou pri spätnej väzbe.

Obrázok 7 zobrazuje prevodník napätia typu Buck. V závislosti na frekvencii a faktore naplnenia signálu privedeného na vstup 10 (HIN) na záťaž LOAD sa získa nastaviteľné napätie od 0… 500 V.

Na obrázku 8 je tiež menič napätia, ale typu FORWARD. Vstupy HIN a LIN sú navzájom prepojené. Dva tranzistory sú riadené tak, aby sa získalo nastaviteľné napätie na záťaž.

Obrázok 9 je jednoduchá schéma riadenia trojfázového motora pomocou tranzistorov IGBT. Ovládanie výkonových tranzistorov sa vykonáva pomocou troch budičov IR 2110. 6 vstupných signálov (HIN a LIN) musí navzájom korelovať podľa zvoleného variantu riadenia.

Obrázok 10 zobrazuje schému pohonu jednosmerného motora. Aj tu treba zvoliť variant riadenia, podľa ktorého sú korelované vstupné signály riadiace rýchlosť. Nízke výstupy dvoch integrovaných ovládacích prvkov riadia každý výkonový tranzistor SENSE FET, z ktorého sa odoberajú aktuálne informácie. Blok CURRENT SENSING je komparátor medzi pevným napätím a napätím na rezistore prekonanom zlomkom odtokového prúdu tranzistorov. Výstup komparátora aktivuje vstup SD, keď sa dve napätia vyrovnajú v dôsledku zvýšenia prúdu. To zastaví kontrolu tranzistorov a ochráni ich pred nadprúdom.

Bibliografia:
*** International Rectifier, Notes Notes, HV Floating MOS-GATE DRIVER IC - IR-2110 datasheet

---