Circuitul integrat IR 2110 produs de firma International Rectifier este un driver pentru două tranzistoare de putere MOS sau IGBT ce lucrează la tensiuni mari (până la 500 V) şi frecvenţe de comutaţie mari. Ca aplicaţii posibile, se pot realiza convertoare de tensiune, circuite de comandă pentru motoare de curent continuu, choppere cu diferite variante de comandă. Driverul poate fi utilizat şi în montajele în care se implementează comandă PWM (modularea impulsurilor în durată).
Faţă de schemele clasice, cu componente discrete, de comandă a tranzistoarelor de putere, circuitul IR 2110 oferă performanţe şi facilităţi superioare (viteză foarte mare de comutație, putere disipată redusă, compactitate, utilizarea de puţine componente în plus). În modul BOOSTRAP (vezi aplicaţiile de mai jos), circuitul poate lucra la frecvențe de comutatie de la câţiva Hz până la sute de kHz.
În scopul unei corecte utilizări, fără a teoretiza exagerat, este necesară prezentarea arhitecturii interne (schema bloc) prezentă în Figura 1.
Circuitul este alcătuit din două canale interne, unul LOW şi altul HIGH (cel de jos şi cel de sus), prin care preluând semnalele logice de comandă (cu nivele compatibile TTL/CMOS) şi prelucrându-le intern, se obtin semnale de comandă pentru cele două tranzistoare de putere, semnale ce se aplică direct pe grilele acestora. Cele două tranzistoare de putere se pot comanda independent. Practic, ieşirile circuitului (HO şi LO) “urmăresc” intrările de comandă (HIN şi LIN), ţinând cont de întârzierile ce apar (Figura 2 şi 3).
Semnalele de intrare (HIN şi LIN) sunt semnale logice cu praguri de tranziţie proporţionale cu tensiunea de alimentare a logicii de comandă (VDD = 3 … 20 V) (vezi Tabelele 1-4). Urmărind schema bloc se constată că intrările utilizează triggere Schmitt (ca buffere) cu o bandă de histereză de 0.1 VDD în scopul imunizării la zgomote şi pentru acceptarea de impulsuri lent crescătoare. Timpii de întârziere la propagare sunt aceiaşi penttru ambele canale, egalitatea realizându-se cu blocul de întârziere (DELAY) din canalul LOW, cu valori tipice de 120 ns la intrarea în conducţie a unui tranzistor şi 95 ns la blocarea lui.
Cele două ieşiri HO şi LO pot fi dezactivate (inhibată comanda tranzistoarelor) cu ajutorul semnalului logic SD (shutdown), activ pe “1” logic (vezi Figura 2). La trecerea din nou pe “0″ logic a acestui semnal, primul impuls de comandă sosit la HlN sau LIN resetează bistabilul RS de la intrare şi canalul este reactivat. Această facilitate ajută la implementarea protecţiilor la supracurent a tranzistoarelor (vezi aplicațiile).
Semnalele de intrare HIN şi LlN precum şi semnalul SHUTDOWN (SD) se raportează la masa logicii de comandă VSS (pinul 13), tensiunea de alimentare a ei fiind VDD (pinul 9).
Canalul LOW are ca potenţial de referinţă (masă) pinul 2 notat COM. Alimentarea lui se face cu tensiunea VCC (pinul 3), iar ieşirea LO (pinul 1) raportată la COM oferă semnalul de comandă petru tranzistorul de putere de jos.
Canalul HIGH se alimentează cu tensiunea VB (pinul 6) în raport cu VS (pinul 5) care este o masă izolată. Tensiunea de comandă pe grila tranzistorului de sus se culege de pe pinul 7 (HO) în raport cu masa izolată VS.
Blocurile schimbătoare de nivel (VDD/VCC LEVEL SHIFT) realizează “translatarea” semnalelor logice de comandă de la intrare în semnale cu valori funcţie de VCC, raportate la masa COM. Acestea sunt circuite cu o mare imunitate la zgomote, astfel încât zgomotul generat prin comutatie la ieşirea driverului nu afectează logica de comandă a acestuia.
La tranzistoarele MOS, scăderea tensiunii grilă sursă de comandă sub o anumită valoare duce la creşterea rezistenţei RDS-ON, cu efect ce constă în disiparea unor puteri mari de către acestea. Pentru evitarea lor, blocurile UVDETECT (UnderVoltage Detector) sesizează scăderea tensiunii sub pragul 8,6/8,2 V şi inhibă comanda tranzistoarelor.
O particularitate a circuitului integrat constă în utilizarea lui în modul BOOSTRAP (un mod economic). Practic, canalul HIGH nu este alimentat separat cu o sursă de tensiune izolată, ci printr-o conexiune de tip bootstrap (vezi Aplicații). Condensatorul CBOOT este cuplat între VB şi VS. În timpul în care tranzistorul de sus este blocat, condensatorul se încarcă de la VCC printr-o diodă. Este necesar ca în acest timp de încărcare să se asigure punerea la masa COM a lui VS (pinul 5) prin deschiderea tranzistorului de jos. Energia necesară aplicării comenzii pe grila tranzistorului de sus pentru aducerea acestuia în conducție este preluată de la condensatorul bootstrap. În cazul diverselor aplicaţii, trebuie să se ţină cont ca punerea la masă a lui VS să se facă în momente bine precizate de timp, pentru a se evita scurtcircuitele.
De aceea, utilizarea cu conexiune bootstrap nu este totdeauna posibilă, fapt pentru care canalul HIGH se poate alimenta cu o sursă izolată de tensiune.
2. Parametri
Valori maxime absolute (tensiunile se raportează la COM) – Tabelul 1;
Condiţii recomandate de funcţionare — Tabelul 2, Figura 4 şi Figura 5.
Caracteristici electrice dinamice (VSS = COM). Timpii sunt măsuraţi în ns şi se referă la formele de undă din Figura 3 – Tabelul 3.
Caracteristici electrice statice – Tabelul 4.
Semnificaţia pinilor capsulei – Figura 6.
3. Aplicaţii
Aplicațiile următoare (Figurile 7, 8, 9, 10) reprezintă câteva din utilizările posibile ale circuitului integrat, în toate utilizându-se conexiunea bootstrap.
Funcţie de necesităţile utilizatorului, ea poate fi înlocuită cu o sursă izolată de tensiune. Calculul capacităţii CBOOT se face astfel:
– când cunoaştem sarcina electrică ce trebuie transferată grilei tranzistorului pentru intrarea lui în conducţie:
-pentru timpi lungi de păstrare în conducţie trebuie ca:
unde IQBS este curentul absorbit de canalul HIGH. Valoarea CBOOT = 0,1uF acoperă o plajă de utilizare până la frecvenţa de 5 kHz.
Dioda utilizată pentru încărcarea CBOOT trebuie să fie o diodă rapidă şi cu o capacitate parazită mică la cuplare inversă.
În Figura 7 se prezintă un convertor de tensiune de tip Buck. În funcţie de frecvenţa şi factorul de umplere ale semnalului aplicat la intrarea 10 (HIN) pe sarcina LOAD se obţine o tensiune reglabilă de la 0 … 500 V.
Tot un convertor de tensiune este şi în Figura 8, dar de tip FORWARD. Intrările HIN şi LIN sunt legate împreună. Se comandă două tranzistoare obţinându-se o tensiune reglabilă pe sarcină.
Figura 9 este o schemă simplă pentru comanda unui motor trifazat utilizând tranzistoare IGBT. Comanda tranzistoarelor de putere se face cu trei drivere IR 2110. Cele 6 semnale de intrare (HIN şi LIN) trebuie corelate între ele conform variantei de comandă alese.
În Figura 10 este prezentată schema de acţionare a unui motor de curent continuu. Şi aici trebuie aleasă o variantă de comandă conform căreia se corelează semnalele de intrare, controlându-se turatia. Ieşirile LOW ale celor două integrate comandă fiecare câte un tranzistor SENSE FET de putere de la care se preia informaţia de curent. Blocul CURRENT SENSING este un comparator între o tensiune fixă şi tensiunea de pe o rezistenţă parcursă de o fracţiune din curentul de drenă al tranzistoarelor. Ieşirea comparatorului activează intrarea SD când cele două tensiuni devin egale ca urmare a creşterii curentului. Astfel se opreşte comanda tranzistoarelor, protejându-le la supracurent.
Bibliografie:
*** International Rectifier, Application Notes, HV Floating MOS-GATE DRIVER IC – IR-2110 datasheet
Articol publicat in revista RET
