Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов International Rectifier

В статье рассматриваются высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов, изготовленные по новой технологии G5 HVIC (Generation 5 High Voltage Integrated Circuit).

Для дальнейшего совершенствования своей продукции и с тем, чтобы обеспечить долговременные лидирующие позиции в производстве высоковольтных интегральных схем, компания International Rectifier (IR) развивает новую технологию G5 HVIC (Generation 5 High Voltage Integrated Circuit). По сравнению с традиционной HVIC-технологией, новая технология позволяет улучшить технические характеристики устройств, увеличить их функциональность, обеспечивая при этом привлекательную стоимость. G5 HVIC-технология нашла применение в нескольких товарных линейках компании IR: микросхемах для управления освещением, микросхемах для аудиоприложений и в основном – в интегральных схемах высоковольтных драйверов MOSFET- и IGBT-транзисторов. Именно эти компоненты рассматриваются в статье.

Продукты, изготовленные с применением G5 HVIC-технологии, можно разделить на две категории:– обновленные версии приборов, предназначенные для замены драйверов ранних поколений;– новые изделия, не имеющие прототипов в ранних поколениях.Обновленные версии драйверов должны обеспечивать:– полную совместимость по выводам с изделиями-прототипами;– улучшенные характеристики;– повышенную надежность;– меньшую стоимость.Новые изделия должны обеспечивать:– расширенные функциональные возможности;– характеристики на уровне лучших образцов в отрасли;– высокую надежность;– низкую стоимость.Рисунок 1 позволяет сравнить HVIC-драйверы ранних поколений и драйверы поколения G5 HVIC [1]. График А иллюстрирует изменение цены изделий с течением времени.

Точка 1 соответствует выводу на рынок высоковольтных драйверов первых поколений. В дальнейшем стоимость изделий снижается за счет отработки технологических процессов производства и увеличения объемов выпуска (точка 2). Точка 3 — технологические процессы полностью отработаны, объем выпускаемой продукции стабилизировался. Резервы снижения цены практически исчерпаны. Точка 4 — вывод на рынок первых HVIC-микросхем поколения G5. На временном интервале 5 происходит постепенный вывод на рынок изделий поколения G5, замещающих HVIC-драйверы ранних поколений. С точки 6 начинает расти стоимость изделий ранних поколений за счет снижения объемов выпуска (поскольку часть этого объема замещается изделиями поколения G5). С течением времени за счет увеличения объемов выпуска и отработки технологических процессов снижается цена на изделия поколения G5 (точка 7), что в конечном итоге приводит к снятию с производства HVIC-микросхем ранних поколений (точка 8).График Б характеризует изменение функциональных возможностей изделий с течением времени. Начиная с некоторого момента (точка 1), дальнейшее увеличение функциональности изделий ранних поколений становится затруднительным без повышения цены. Преимущества технологии G5 обеспечивают расширение функциональных возможностей этих изделий начиная с момента выведения их на рынок (точка 2). С этого момента работы по увеличению функциональности изделий ранних поколений становятся нецелесообразными (точка 3). В процессе постепенной замены ранних изделий на аналоги поколения G5 появляется возможность сфокусироваться на разработке новых приборов с расширенными функциями, которые в наибольшей степени используют преимущества новой технологии (точка 4). Высоковольтные микросхемы ранних поколений имели префикс IR в наименовании микросхем, например, IR2181. Изделия поколения G5 имеют префикс IRS и старый цифровой номер для микросхем-заменителей (например, IRS2181) или уникальный номер для новых микросхем (например, IRS2186). Как уже отмечалось, в статье рассматриваются только высоковольтные драйверы, управляющие затворами MOSFET- и IGBT-транзисторов. Среди этих устройств можно выделить несколько типов, а именно:– независимые драйверы верхнего и драйверы нижнего плеча полумоста, интегрированные в одной микросхеме (High and Low Side Driver);– драйверы верхнего и драйверы нижнего плеча, включенные в схему полумоста (Half-Bridge Drivers);– драйверы верхнего плеча (High Side Drivers);– драйверы нижнего плеча (Low Side Drivers).

Данный тип HVIC-микросхем является наиболее универсальным. Типовая структурная схема такого драйвера и схема включения (на примере IRS2181) представлены на рисунке 2. Очевидно, что микросхема содержит два независимых драйвера — верхнего и нижнего плеча. В зависимости от схемы включения, она может использоваться как в качестве независимого драйвера верхнего плеча (включение нагрузки между стоком верхнего транзистора и землей), нижнего плеча (включение нагрузки между истоком нижнего транзистора и шиной высоковольтного питания), так и в качестве полумоста (соединение стока верхнего и истока нижнего транзисторов).

К схеме управления затвором MOSFET- и IGBT-транзис­то­ров предъявляются следующие основные требования [2]:– напряжение на затворе при отпирании должно быть на 10…15 В выше напряжения стока MOSFET- или коллектора IGBT-транзистора. Таким образом, для транзистора верхнего плеча напряжение управления должно быть на 10…15 В выше напряжения питания;– драйвер должен управляться логическим сигналом, связанным с «логической» землей. Следовательно, драйвер верхнего плеча должен иметь высоковольтный каскад сдвига уровня;– при падении напряжения управления ниже определенного предела выходные транзисторы могут перейти в линейный режим работы, что, в свою очередь, приведет к перегреву кристалла. Для предотвращения этого должны использоваться схемы контроля напряжения (UVLO — Under Voltage LockOut) как для верхнего, так и для нижнего плеча;– мощность, рассеиваемая схемой управления, должна быть пренебрежимо мала, по сравнению с общей мощностью рассеивания;– схема управления должна обеспечивать токи перезаряда цепи затвора, гарантирующие высокие динамические характеристики транзистора.Существуют различные схемные решения, применя­емые для построения каскада верхнего плеча [3]. В драй­верах, выпускаемых компанией IR, как правило, применяется относительно простая и недорогая бутстрепная схема управления (схема с «плавающим» источником пи­тания [2]). В такой схеме длительность управляющего им­пульса ограничена величиной бутстрепной емкости. Кроме того, необходимо обеспечить условия для ее по­сто­янного заряда с помощью высоковольтного быстродействующего каскада сдвига уровня. Этот каскад обеспечивает преобразование логических сигналов к уровням, необходимым для устойчивой работы схемы управления транзистора верхнего плеча.Отметим также, что наименования ряда новых микросхем поколения G5 заканчиваются суффиксом D. Это ука­зывает на наличие встроенного бутстрепного диода. Бла­годаря этому отпадает необходимость в применении внешнего диода — достаточно громоздкого по сравнению с самой микросхемой драйвера [4]. В таблице 1 приведены параметры драйверов верхнего и нижнего плеча поколения G5.