Рис. 26 Интегральный драйвер верхнего уровня

ШИМ - контроллер или выходной каскад драйвера

Отрицательный выброс может привести еще к одной неприятности, связанной с излишним напряжением на бутстрепной емкости. Поскольку "нижний" конец конденсатора CBST привязан к истоку силового ключа, а "верхний" конец - через диод на напряжение питания контроллера VDRV, при выключении силового транзистора амплитуда отрицательного выброса на его истоке суммируется с VDRV, и напряжение на бутстрепном конденсаторе может превысить предельно допустимое. Небольшой резистор, включенный последовательно с бутстрепным диодом, может облегчить эту проблему, но, к сожалению, такое решение ненадежно, да и скорость заряда бутстрепного конденсатора уменьшается.

Схему можно надежно защитить с помощью небольшого диода Шоттки, как показано на рис. 27. Затворный резистор перенесен в цепь между истоком силового транзистора и выводом SRC драйвера, и добавлен маленький диод Шоттки с низким падением от вывода SRC на землю. Теперь RGATE выполняет двойную роль - во-первых, как и раньше, ограничивает скорость переключения силового транзистора, во-вторых, ограничивает ток через диод Шоттки от отрицательного выброса во время переходного процесса выключения. Теперь напряжение на истоке силового ключа может опускаться на несколько вольт ниже уровня земли без каких бы то ни было неприятностей в работе драйвера. К тому же, ограничивается напряжение на бутстрепном конденсаторе двумя встречно включенными диодами.

Можно назвать только один недостаток такого решения - ток заряда конденсатора CBST теперь протекает через резистор RGATE, время заряда CBST увеличивается, и это может ограничить величину минимально возможного коэффициента заполнения.

Рис. 27 Защита вывода SRC

5. Питание драйвера верхнего уровня - проблемы запуска и переходных процессов

) vbiasvdrv

Драйвер верхнего уровня VCCVB Г

Рис. 28 Питание драйвера верхнего уровня

2 □

На рис. 28 показана типовая схема включения драйвера верхнего уровня. Теперь мы рассмотрим выбор одного из самых важных компонентов в этой схеме - бутстрепного конденсатора CBST, поскольку именно он пропускает высокие пиковые токи перезаряда входной емкости силового ключа. При нормальной работе этот конденсатор переносит следующие заряды и токи: суммарный заряд включения силового ключа (QG), заряд восстановления обратного сопротивления (QRR) и ток утечки (ILK)D) диода DBST, ток схемы сдвига уровня (Iq>ls), ток питания драйвера (Iqdrv) и ток утечки затвора силового транзистора (IGS) (включая ток через резистор, обычно включаемый между истоком и затвором). Некоторые из этих токов протекают только во время включенного состояния силового ключа, а некоторые вообще могут быть равны нулю - в зависимости от конкретной реализации драйвера.

Исходя из этого можно рассчитать необходимую емкость бутстрепного конденсатора в зависимости от требуемой величины пульсаций DUBST на нем.

Q + Q +1 * dmax qg + qrr + ibst *-f

CBST =-drvv-, где Ibst=Ilk,d+Iq,ls+Iq,drv+Igs

Для окончательного выбора величины CBST неплохо было бы рассмотреть еще два экстремальных режима работы. При резком изменении нагрузки драйвер должен удерживать ключ в открытом или в закрытом состоянии в течении нескольких циклов, и энергии в конденсаторе CBST должно хватить для удержания напряжения питания верхнего драйвера выше порога его отключения.

При резком увеличении нагрузки контроллер может удерживать силовой ключ в открытом состоянии, пока ток в дросселе не увеличится до уровня выходного тока. Максимальное время этого открытого состояния (tON,MAX) обычно определяется величиной напряжения на дросселе. В этом случае емкость CBST может быть оценена как:

C= qg + qrr + ibst * ton,max

cbst,min =~~

Vbst - Vuvlo

где Vbst - начальное напряжение на бутстрепном конденсаторе, и Vuvlo - порог отключения драйвера при понижении питания. В случае драйвера на дискретных компонентах минимальное напряжение, до которого может опускаться напряжение бутстрепного конденсатора, определяется напряжением надежного открывания полевого транзистора.

При резком уменьшении нагрузочного тока контроллер пропускает несколько импульсов, и когда ток через дроссель прекратится, напряжение на истоке силового транзистора установится на уровне выходного напряжения. В этом случае энергии в CBST должно хватить не только на обычный разряд всех паразитных элементов, но и на включение силового транзистора в первом цикле после паузы. Аналогично предыдущему случаю можно рассчитать необходимую величину бутстрепного конденсатора:

„qg + (ilk,d + iq,ls + iq,drv) * toff,max

cbst,min =7,7,

vbst - Vuvlo

Рис. 29 Схема запуска бутстрепного драйвера

В некоторых случаях, например в зарядных устройствах, напряжение на выходе присутствует еще до включения самого конвертора. В этом случае исток силового транзистора и нижний вывод CBST находятся под потенциалом выхода, и бутстрепный конденсатор не может зарядиться до напряжения большего, чем разница между напряжением питания контроллера и выходным напряжением. Этого напряжения может не хватить для включения драйвера верхнего уровня в первом цикле.

При достаточно большой разнице входного и выходного напряжений решению этой проблемы может помочь дополнительная цепочка из резистора RSTART, диода DSTART и стабилитрона DZ, включенная в соответствии с рис. 29. Напряжение стабилитрона DZ должно быть чуть больше напряжения на бутстрепном конденсаторе в нормальном режиме работы, и ток через резистор RSTART желательно выбирать минимально возможным для устойчивого запуска при минимальном входном напряжении - это уменьшит дополнительные потери от введения такой цепи.

6. Разводка земли

Следует обратить внимание на три основных момента в разводки цепи земли драйвера высокого уровня n-канального транзистора. Рассмотрим классическую схему включения такого драйвера (рис. 28) и выделим основные пути протекания импульсного тока.

Первый важный момент -

области Но, при высокого

минимизация физической протекания затворного тока. использовании драйвера уровня, пути протекания тока не совсем очевидны. При включении силового ключа все нормально - ток протекает через бутстрепный конденсатор, "верхний" транзистор выходного каскада драйвера, резистор RGATE, вывод затвора и замыкается в точке соединения вывода стока и бутстрепного конденсатора. При выключении же силового транзистора затворный ток приходится разбивать на две составляющие. Ток разряда конденсатора CGS протекает через "нижний" транзистор выходного каскада драйвера, резистор RGATE и выводы затвора и стока основного ключа, и этот ток локализован в небольшой области. А вот ток разряда конденсатора CGD течет по более длинному пути: через резистор RGATE, "нижний" транзистор выходного каскада драйвера, через выходной фильтр и, наконец, через входной конденсатор CIN. И при разводке печатной платы все

gnd -Г

out2 1 f

out1 П.

Рис. 30 Емкостные токи в высоковольтных схемах