Что такое драйвер электроники

Обновлено: 21.11.2024

Электроника драйвера состоит из схемы управления и двух Н-мостов, по одному на каждую обмотку.

Схема управления преобразует входные сигналы в соответствующие командные сигналы для H-моста.

Основные входные сигналы

Направление — направление вращения по часовой или против часовой стрелки.
Частота шагов (Step Clock) — количество шагов в секунду.
Общее количество тактовых импульсов определяет новое положение ротора

Другие входные сигналы могут быть

Enable/Disable – включить/выключить питание
Полушаг/полный шаг — переключение между полушаговым и полным шагом.
Тип микрошага (1/4…1/32 микрошага)

Н-мосты управляют питанием, пропуская токи через обмотки двигателя.

Ток течет в обоих направлениях, чередуясь.

Из-за индуктивности двигателя ток увеличивается в соответствии с отношением L/R обмотки.

На рисунке показана работа в полношаговом режиме при довольно низкой частоте шага.

После периода роста ток достигает своего полного уровня.

После того, как движение остановлено и достигнута следующая позиция, ток равен I= U/R.

С увеличением тактовой частоты время для текущего блока становится короче.
На рисунке показан текущий блок с гораздо более высоким шагом тактовой частоты.
Ток не может достичь своего конечного значения I= U/R.

В результате генерация крутящего момента существенно снижается.

Режим привода называется подачей постоянного напряжения.

Однако рост тока можно значительно улучшить, применив другой режим привода

Текущий управляемый драйвер чоппера

Для использования этого режима обмотки рассчитаны на низкое сопротивление, обычно несколько Ом.
Диаметр провода большой при малом числе витков обмотки.

Из-за этого небольшого сопротивления (а также индуктивности) ток нарастает очень круто.

Оно постоянно измеряется с помощью чувствительных резисторов Rsense (около 0,5 Ом).

По достижении заданного верхнего уровня подача напряжения отключается.
Затем ток снова уменьшается.

После падения ниже установленного нижнего уровня подача напряжения снова включается.

Эта процедура переключения, называемая ШИМ-управлением, выполняется с очень высокой частотой, намного превышающей тактовую частоту (обычно 10…20 кГц).

Ток регулируется для поддержания уровня Irms (среднеквадратичное значение) в соответствии с тепловой конструкцией двигателя.

Примечания по применению драйвера прерывателя постоянного тока:

Интегральные схемы (ИС)

Некоторые производители предлагают ИС для управления и привода шаговых двигателей.
Например, Allegro Microsystems, Texas Instruments, Infineon, ST Microelectronics.

ИС доступны в различных корпусах, в том числе для технологии SMD.

Необходимы некоторые дополнительные компоненты, например. чувствительные резисторы RSense и конденсаторы.

В принципе, IC может содержать

Полностью интегрированная ИС драйвера шагового двигателя, включая H-мосты, а также схемы управления или
Только H-Bridge (один или двойной H-Bridge)

Примером полностью интегрированной ИС драйвера шагового двигателя является L6228 от ST Microelectronics.

Он содержит полный драйвер прерывателя с управлением по току и доступен в различных версиях пакетов.

Входные сигналы: CLOCK, Direction (CW/CCW) и Stepping Mode (HALF/FULL).

Чувствительные резисторы для подключения к SENSEA и SENSEB.

Обмотки двигателя для подключения к OUT1A … OUT2B.

Схема драйвера, встроенного в двигатель

Электроника драйвера шагового двигателя может быть собрана на двигателе, обеспечивая компактную и законченную приводную систему.
Покупателю не нужно проектировать и размещать собственную схему.

На рисунке показана электроника униполярного драйвера JE, установленная на шаговом двигателе типоразмера UC.

Функции управления реализованы в небольшом микроконтроллере.
Выходные сигналы микроконтроллера управляют дискретными транзисторами.

Можно реализовать несколько вариантов интерфейса управления:

Например:
Разъем для 3 проводов.
Заземление, VCC и управляющее напряжение 0–10 В пост. тока для скорости.

К сожалению, схемы драйверов в светодиодном корпусе выходят из строя первыми, что фактически сокращает срок службы светильника.

Связанные термины:

Скачать в формате PDF

Об этой странице

Схема привода затвора для силовых преобразователей

20.4.1 Изолированные драйверы затвора

Схемы драйверов затворов с гальванической развязкой обеспечивают хорошую устойчивость к помехам между силовыми цепями и цепями управления. Это связано с разделением путей возврата по земле. Существует несколько типов изолированных цепей драйвера, а именно:

Изолированный источник питания с оптронными входами управляющих сигналов

Широко применяемая стандартная технология заключается в создании плавающих источников питания с помощью изоляции трансформатора сетевой частоты ( рис. 20.12 ).Хотя это решение не очень компактно (из-за размера трансформатора сетевой частоты) по сравнению с другими методами, этот метод все же хорошо подходит практически для любого приложения силового электронного преобразователя. Цепи питания могут включать стандартные модули низковольтных мостовых выпрямителей. Регулируемое питание легко реализуется с помощью трехвыводных стабилизаторов напряжения, которые могут легко подавать непрерывную мощность в цепи управления затвором мощностью более 10 Вт. Каждая обмотка и связанный с ней источник питания, привязанный к источнику IGBT или силовому МОП-транзистору, делают эту систему надежное и недорогое решение практически для любого силового преобразователя с частотами переключения значительно ниже 1 МГц. При более высоких рабочих частотах межобмоточная емкость трансформатора сетевой частоты приводит к сквозной шумовой связи. Это вызывает ложные эффекты, такие как незапланированное включение силовых устройств из-за помех, присутствующих в цепи заземления схемы драйвера. Тогда решением этой проблемы будет введение высокочастотного преобразователя постоянного тока в постоянный, который включает в себя небольшой ВЧ-изолирующий трансформатор со значительно уменьшенной межобмоточной емкостью.

РИСУНОК 20.12. Трансформатор частоты сети, используемый для создания плавающего питания. Простой и надежный, но более крупный, чем другие решения, благодаря трансформатору сетевой частоты. Хорошо работает для полумоста, но потребует более изолированных источников питания, если используется топология полного моста. Для трехфазного инвертора потребуется либо шесть отдельных плавающих источников питания, либо три отдельных и один общий источник питания для устройств нижнего плеча.

Сдвиг уровня сигнала управления переключением достигается с помощью оптической развязки (U3 и U4) с входными диодами (первичная сторона оптопары), привязанными к логической земле схемы обработки сигнала. Выходной сигнал драйвера затвора с низким импедансом достигается за счет использования высокоскоростной, сильноточной буферной интегральной схемы или дискретного биполярного или МОП-комплементарного каскада с тотемным полюсом. Питание оптопары и буфера U5 и U6 поступает от соответствующего плавающего источника питания. Вышеприведенная схема не имеет ограничений рабочего цикла из-за плавающего источника питания.

Пассивная цепь, состоящая из D1, R5 и R6, управляет скоростью переключения IGBT и влияет на производительность и эффективность силового преобразователя. R6 управляет скоростью включения IGBT1. Это контролирует потери при переключении устройств, а также характеристики выключения dv/dt обратного диода нижних устройств (IGBT2) для индуктивных нагрузок. Диод D1 отключает R5 от цепи во время включения IGBT. Скорость выключения IGBT1 регулируется R5, при условии, что R5 намного меньше, чем R6. Это желательная функция инверторов с питанием от напряжения, поскольку она обеспечивает минимальное время простоя между переходами устройства, как показано на рис. 20.13.

РИСУНОК 20.13. Переключение сигналов для схемы на рис. 20.12.

U5_out и U6_out на рис. 20.13 представляют выходной сигнал драйвера с рабочим циклом ровно 50 %. Сеть пассивных затворов на каждом IGBT изменяет управляющие сигналы из-за постоянной времени RC, образованной между резисторами управления затвором и емкостью затвора IGBT. Это отображается как V_gIGBT, которое измеряется непосредственно на выводе затвора IGBT. Это поворотное действие на затвор IGBT приводит к тому, что IGBT включается с задержкой. Включение происходит, когда напряжение затвора IGBT достигает своего порогового уровня (Vg_th) и начинает протекать коллекторный ток. В результате между переключениями переходов создается мертвое время. Это требуется в любой мостовой схеме, чтобы избежать пробоя или перекрестной проводимости верхнего и нижнего переключателей. Это показано кривой тока коллектора (I_C) для чисто резистивной нагрузки на рис. 20.13.

Драйвер с трансформаторной связью, обеспечивающий питание и управляющие сигналы

Драйвер затвора с трансформаторной связью показан на рис. 20.14. Эта система обеспечивает как плавающее питание, так и сдвиг уровня коммутационного сигнала. Двухтактный драйвер на первичной стороне трансформатора T1 используется для подачи двунаправленного тока в первичную обмотку без использования раздельного источника питания. Трансформатор T1 рассчитан на рабочую частоту ШИМ и может быть изготовлен с использованием сердечника из феррита или железного порошка. Работа системы ограничена максимальным рабочим циклом ШИМ 50%. Одним из преимуществ этой схемы драйвера является ее способность генерировать отрицательное напряжение смещения затвора, когда устройство выключено, из-за действия трансформатора. Эта особенность удобна, поскольку она снижает восприимчивость БТИЗ к dv/dt, удерживая клемму затвора под отрицательным потенциалом во время переходных процессов при выключении, тем самым избегая неконтролируемого включения или фиксации БТИЗ.Встречные стабилитроны, расположенные параллельно клемме затвор-исток, ограничивают напряжение затвора устройства, тем самым предотвращая перенапряжения, создаваемые индуктивностью рассеяния несвязанного трансформатора (T1). Параллельный резистор R5 действует как подтягивающий резистор затвора, удерживая устройство в выключенном состоянии во время первоначального включения схемы драйвера затвора. Сеть резистор-диод в схеме управления затвором (состоящая из D1, R1 и R2) служит той же цели, что и описанная на рис. 20.12. Вторая функция этой сети пассивных резисторов — демпфировать эффекты звонка. Это вызвано взаимодействием между емкостью затвора IGBT или силового MOSFET и индуктивностью рассеяния трансформатора управления затвором.

РИСУНОК 20.14. Драйвер затвора с трансформаторной связью, используемый для подачи на устройство как управляющего сигнала, так и питания привода затвора.

Драйвер затвора с трансформаторной связью и большим рабочим циклом

Трансформаторы обеспечивают превосходную помехоустойчивость и представляют собой простые и экономичные решения для привода затворов, сохраняя при этом электрическую изоляцию между управляющей электроникой и электроникой привода затвора. Однако недостатком является ограничение, которое трансформатор накладывает на максимальный рабочий цикл. На рис. 20.15 предлагается простое, но эффективное решение традиционных ограничений путем введения схемы восстановления постоянного тока, состоящей из конденсаторов C2, Dz1 и Dz2. Эта система позволяет удалять любую информацию о постоянном токе через C1 и восстанавливает форму входного сигнала с добавлением отрицательного напряжения смещения, необходимого для управления затвором IGBT. Небольшой ферритовый сердечник трансформатора можно использовать для драйвера затвора MOSFET, работающего на частотах до нескольких сотен килогерц. Эта схема может быть переработана для мостовой топологии, но она также хорошо подходит для высоковольтных преобразователей постоянного тока, требующих переключателя верхнего плеча. Диапазон эффективного рабочего цикла этого драйвера составляет от 5 до 95%. Рабочие сигналы показаны на рис. 20.16.

РИСУНОК 20.15. Драйвер затвора с трансформаторной связью и широким рабочим диапазоном рабочего цикла.

РИСУНОК 20.16. Рабочие сигналы драйвера затвора с трансформаторной связью на рис. 20.15.

Следует отметить, что напряжение управления затвором фиксируется на фиксированном уровне независимо от используемого рабочего цикла, в отличие от случая на рис. 20.9. Этот метод также подает как сигнал со сдвигом уровня, так и питание привода затвора, устраняя необходимость в дополнительном плавающем источнике. Коэффициент трансформации трансформатора (T1) также можно отрегулировать, чтобы схема на рис. 20.15 могла работать от источника питания 5 В, создавая при этом колебания выходного напряжения от + 15 до –5 В на затворе IGBT.

Драйвер затвора с модулированным сигналом с трансформаторной связью

Схема на рис. 20.17 использует высокочастотный несущий сигнал, который модулируется низкочастотным управляющим сигналом (ШИМ). Это используется для генерации моментов включения/выключения мощного IGBT1. При использовании высокочастотной несущей размеры трансформатора уменьшаются, а за счет модуляции времени работы несущей она управляет энергией, подаваемой на затвор IGBT. Несущая частота для VSQ1 должна быть выбрана намного выше, чем частота сигнала управления ШИМ. Когда управляющий сигнал ШИМ включен, несущий сигнал преобразуется во вторичную обмотку трансформатора T1, который выпрямляется и фильтруется для получения выходного сигнала постоянного тока V_out.

РИСУНОК 20.17. Модулированная сигналом несущая, используемая для смещения уровня и генерации плавающего питания.

Когда управляющий сигнал ШИМ переходит из включенного состояния в выключенное, заряд, хранящийся в конденсаторе фильтра C1, разряжается на постоянную времени, определяемую резистором R1. Иногда это проблематично, когда требуется быстрое время переключения, особенно в конфигурациях инверторного моста. Решением этой проблемы является использование активного драйвера (U1) на вторичной стороне трансформатора. Это обнаружит несущую и соответствующим образом переключит затвор IGBT. Рабочие формы сигналов для этой схемы показаны на рис. 20.18 [1].

РИСУНОК 20.18. Модулированная сигналом несущая, используемая для смещения уровня и генерации плавающего питания.

Высокочастотный плавающий источник питания

Часто в системах драйверов затворов требуется дополнительная электроника, которая должна быть привязана к приводимому в действие плавающему выключателю. Дополнительная функциональная электроника часто приводит к повышенному энергопотреблению, что приводит к необходимости в небольшом недорогом плавающем источнике питания, как показано на рис. 20.19. Входная секция, состоящая из U1B, образует генератор, используемый для управления полевым МОП-транзистором на высокой частоте. Этот МОП-транзистор управляет высокочастотным трансформатором, который образует изолирующую среду между общим вспомогательным источником питания и плавающей вторичной цепью. Трансформатор T1 вырабатывает вторичное выходное напряжение, которое выпрямляется для формирования плавающего источника постоянного тока для соответствующей схемы привода затвора. Эти плавающие источники питания также доступны в виде монолитных ИС преобразователя постоянного тока в постоянный с изолированными выходами.

Драйвер затвора – это усилитель мощности, который принимает маломощный входной сигнал от микросхемы контроллера и обеспечивает соответствующий сильноточный привод затвора для силового устройства. Поскольку требования к силовой электронике продолжают расти, конструкция и производительность схемы драйвера затвора становятся все более важными.

Силовые полупроводниковые устройства являются сердцем современных систем силовой электроники. В этих системах используются многие полупроводниковые устройства с вентильным управлением, такие как обычные транзисторы, FET, BJT, MOSFET, IGBT и другие, в качестве переключающих элементов в импульсных источниках питания (SMPS), универсальных источниках питания (UPS) и приводах двигателей. Эволюция современных технологий в силовой электронике обычно следовала за эволюцией силовых полупроводниковых устройств.

В отрасли силовой электроники постоянно растут требования к уровню мощности и частоте коммутации. Полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET) и биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — два наиболее популярных и эффективных полупроводниковых устройства для импульсных источников питания средней и высокой мощности в большинстве приложений.

Затвор MOSFET или IGBT представляет собой электрически изолированный вывод управления для каждого устройства. Другими клеммами этих устройств являются исток и сток или эмиттер и коллектор. Для работы MOSFET/IGBT обычно к затвору должно быть приложено напряжение, соответствующее истоку/эмиттеру устройства. Чтобы привести эти переключающие устройства в проводимость, клемма затвора должна быть положительной по отношению к ее источнику/эмиттеру.

На поведение силового устройства при переключении влияют паразитные емкости между тремя выводами, то есть затвор-исток (C_gs), затвор-сток (C_{gd< /sub>) и сток-исток (C_ds), которые обычно нелинейны и зависят от напряжения смещения. Зарядка конденсатора затвора включает силовое устройство и позволяет току течь между его выводами стока и истока, а разрядка выключает устройство, и высокое напряжение блокируется на выводах стока и истока.}

Напряжение затвора силового устройства не увеличивается, если его входная емкость затвора не заряжена, и силовое устройство не включается, пока его напряжение затвора не достигнет порогового напряжения затвора (V_th). V_th устройства питания определяется как минимальное смещение затвора, необходимое для создания пути проводимости между областями истока и стока. Для работы силового устройства в качестве переключателя между затвором и выводом источника/эмиттера должно быть приложено напряжение, достаточно большее, чем V_th.

Драйверы затворов для силовой электроники

В приложениях с высокой мощностью затвор силового ключа никогда не может управляться выходом логической ИС (ШИМ-контроллер). Из-за слаботочных токов этих логических выходов для зарядки емкости затвора потребовалось бы слишком много времени, скорее всего, больше, чем продолжительность периода переключения. Следовательно, необходимо использовать специальные драйверы для подачи напряжения и подачи управляющего тока на затвор силового устройства. Это может быть схема драйвера и она может быть реализована в виде специализированных интегральных схем, дискретных транзисторов или трансформаторов. Его также можно интегрировать в микросхему ШИМ-контроллера.

Драйвер затвора – это усилитель мощности, который принимает маломощный вход от микросхемы контроллера и обеспечивает соответствующий сильноточный привод затвора для силового устройства. Он используется, когда ШИМ-контроллер не может обеспечить выходной ток, необходимый для управления емкостью затвора соответствующего силового устройства.

Схема драйвера затвора является неотъемлемой частью систем силовой электроники. Драйверы затворов образуют важный интерфейс между мощной электроникой и схемой управления и используются для управления силовыми полупроводниковыми устройствами. Выход преобразователей постоянного тока или SMPS в основном зависит от поведения схем драйвера затвора, что означает, что если схема драйвера затвора не управляет затвором силового устройства должным образом, выход преобразователя постоянного тока не будет соответствовать требование дизайна. Таким образом, конструкция схемы драйвера затвора имеет решающее значение при разработке силовых электронных преобразователей.

Типы драйверов затвора

Драйверы нижнего плеча — используются для управления переключателями с заземлением (выключатели нижнего плеча).

Драйверы High-Side-Low-Side — используются для управления двумя переключателями, соединенными мостовой схемой (как с плавающими, так и с заземленными переключателями).

Изоляция драйвера шлюза

В цепях управления затвором силовых инверторов и преобразователей часто требуется гальваническая изоляция как в функциональных целях, так и в целях безопасности. Изоляция предписана регулирующими органами и органами по сертификации безопасности для предотвращения опасности поражения электрическим током. Он также защищает низковольтную электронику от любого повреждения из-за неисправности цепи на стороне высокой мощности и от человеческой ошибки на стороне управления. Электрическое разделение между различными функциональными цепями в системе предотвращает прямой путь проводимости между ними и позволяет отдельным цепям иметь разные потенциалы земли. Сигнал и мощность могут по-прежнему передаваться между изолированными цепями с использованием индуктивных, емкостных или оптических методов.

Многие приложения силовых устройств (например, преобразователи, где требуется высокая плотность мощности и высокий КПД) требуют схемы управления изолированным затвором. Например, в топологиях силового преобразователя, таких как полумост, полный мост, понижающий преобразователь, прямой переход с двумя переключателями и прямой активный зажим, есть переключатели высокого и низкого уровня, поскольку драйверы нижнего плеча нельзя использовать напрямую. для привода верхнего силового устройства. Устройствам верхнего уровня мощности требуется изолированный драйвер затвора, потому что исток и эмиттер устройств верхнего уровня не находятся на потенциале земли (плавающие).

В простой структуре топологии моста со схемой управления, как показано здесь, вывод истока переключателя 1 может быть плавающим в любом месте от земли до потенциала шины постоянного тока. Поэтому для управления переключателями верхнего уровня необходимы две вещи:

Плавающий источник питания — для обеспечения питания любой схемы, связанной с этим потенциалом плавающей средней точки.
Переключатель уровня — для передачи управляющего сигнала ШИМ на плавающую схему драйвера.

Методы изоляции

В основном существует два популярных метода реализации изолированных драйверов затвора: магнитный (с использованием трансформаторов управления затвором) и оптический (с использованием оптопары). Следующие несколько статей будут посвящены методу магнитной изоляции, в частности характеристикам и требованиям к конструкции трансформаторов управления затвором.

Авторы

Бхувана Мадхайян (Bhuvana Madhaiyan) — инженер по проектированию и разработке в Talema India. Она имеет степень бакалавра в области электротехники и электроники Университета Анны в Ченнаи и работает инженером с 2006 года. Бхувана присоединилась к команде Talema в 2007 году.

Сампат Паланиаппан — инженер по проектированию и разработке в Talema India. Он имеет степень бакалавра в области электроники и коммуникационных технологий Университета Анны в Ченнаи. Сампат присоединился к команде Talema в 1994 году.

Драйвер светодиодов постоянного тока AC Electronics, 50 Вт, 1400 мА, 120–277 В, диммирование 0–10 В Драйвер светодиодов постоянного тока AC Electronics Максимальная выходная мощность: 50 Вт Выходной ток: 1400 мА Выходное напряжение: вход 25–36 В.

Драйвер светодиодов AC Electronics AC-15CT1.05ATX

Драйвер светодиодов постоянного тока AC Electronics, 15 Вт, 1050 мА, выход 10–14 В, вход 120 В, диммер TRIACAC Electronics Драйвер светодиодов постоянного тока Максимальная выходная мощность: 15 Вт Входная мощность: 19 Вт Выходной ток.

AC Electronics AC-D54C1.5 Драйвер светодиодов ARDM

Драйвер светодиодов AC Electronics AC-150CD2.8AYL

Драйвер светодиодов постоянного тока AC Electronics, 150 Вт, 2800 мА, 120–277 В AC Electronics Драйвер светодиодов постоянного тока Максимальная выходная мощность: 150 Вт Выходной ток: 2800 мА Выходное напряжение: 32–53,5 В Входное напряжение.

Драйвер светодиодов AC Electronics AC-50CD2.1BWU

Драйвер светодиодов постоянного тока AC Electronics, 50 Вт, 2100 мА, 347 В, затемнение 0–10 ВAC Electronics Драйвер светодиодов постоянного тока Максимальная выходная мощность: 50 Вт Выходной ток: 2100 мА Выходное напряжение: входное напряжение 14–24 В.

Читайте также: