در بخش ۳ توضیحات کلی در رابطه با IC گیت درایو HCPL-316J بیان گردید. در این قسمت به توضیح عملکرد آن می‌پردازیم.
سایر قطعات توصیه شده
مدار مورد استفاده شامل یک مقاومت خروجی pull-down، یک مقاومت محافظ پین DESAT، یک خازن پین FAULT به اندازه (۳۳۰ پیکو فاراد) و یک مقاومت pullup پین FAULT می‌باشد.
مقاومت خروجی PULL-DOWN
در حین خروجی high transition، ولتاژ خروجی به سرعت از طریق افت ۳ دیود (مطابق شکل زیر) به VCC2 افزایش می یابد. اگر جریان خروجی به علت بار خازنی به صفر برسد (خازن گیت شارژ شود)، ولتاژ خروجی به آرامی از تقریبا Vcc2-3(VBE) تا VCC2 در عرض چند میکرو ثانیه افزایش می یابد. برای محدود کردن ولتاژ خروجی به Vcc2-3(VBE) ، یک مقاومت pull-down بین خروجی و VEE توصیه می شود قرار گیرد تا یک جریان ثابت حدود ۶۵۰ میکرو آمپری را در حالی که خروجی high است، sink کند. مقادیر مقاومت Pull-down به مقدار مقدار مثبت تغذیه بستگی دارد و می تواند با توجه به فرمول تنظیم شود:
Rpull-down = [Vcc2-3 (VBE)] / 650 μA
حفاظت پین DESAT
دیود های هرزگرد FLYBACK متصل در سراسر IGBT ها می تواند ولتاژ بزرگ لحظه ای گذرا و رو به جلو که تا حد زیادی بیش از ولتاژ رو به جلو اسمی از دیود است را داشته باشند. این ممکن است منجر به spike های ولتاژ منفی بزرگ در پین DESAT شود که اگر از حفاظت استفاده نشود، جریان قابل توجهی از IC خارج خواهد شد. برای محدود کردن این جریان به سطوحی که به IC آسیب نمی رساند، یک مقاومت ۱۰۰ اهم را باید سری با دیود DESAT قرار دهیم. مقاومت اضافه شده threshold یا آستانه DESAT یا زمان خالی DESAT را تغییر نخواهد داد.
خازن روی پین FAULT برای CMR بالا
transient های سریع common mode می توانند ولتاژ پین خطا را در حالی که خروجی خطا در وضعیت high است، تحت تأثیر قرار دهد. یک خازن ۳۳۰ pF (شکل ۶۶) باید بین پین خطا و زمین متصل شود تا نویز های CMOS را به مقدار مطلوب برساند و CMR را در مقدار مشخص ۱۵ kV/μs محقق کند. ظرفیت اضافه شده تاخیر خروجی خطا را زمانی که یک شرایط اشباع شدت تشخیص داده شود، افزایش نمی دهد.
مقاومت Pull-up روی پین FAULT
پین FAULT یک خروجی open-collector است و بنابراین نیاز به یک مقاومت Pull-up برای فراهم کردن یک سیگنال سطح بالا دارد.
درایو با استاندارد CMOS / TTL برای CMR بالا
ظرفیت خازنی کوپل شده از مدار ولتاژ بالا ایزوله شده به مدار ورودی اشاره شده، محدودیت اولیه CMR است. این coupling باید برای دستیابی به بازدهی CMR بالا باشد. پین های ورودی VIN+ و -VIN باید سیگنال های درایو اکتیو داشته باشند تا از تغییر ناخواسته خروجی تحت شرایط گذرا حالت های شدید متداول جلوگیری شود. از مدارهای ورودی درایو که از مقاومت های pull-up یا pull-down استفاده می کنند، مانند پیکربندی open collector، باید اجتناب شود. مدارهای درایو استاندارد CMOS یا TTL توصیه می شود.
پیکربندی سمت ورودی HCPL-316Jاز طرف کاربر
پین های ورودی VIN+، VIN-، FAULT و RESET طیف گسترده ای از کنترل گیت و تنظیمات خطا را بسته به نیازمندی های درایو موتور ممکن می سازد. HCPL-316J هر دو ورودی های کنترل گیت inverting و noninverting را دارد، همچنین یک خروجی open collector مناسب برای کاربرد های “OR” به صورت wired و یک ورودی active low ریست.
درایو ورودی HCPL-316J در حالت Non-Inverting / Inverting
خروجی ولتاژ گیت درایو HCPL-316J را می توان با استفاده از ورودی های VIN-و VIN+ به عنوان Non-Inverting یا Inverting تنظیم کرد. همانطور که در شکل ۶۸ نشان داده شده است، هنگامی که یک پیکربندی non-inverting غیرفعال است، VIN-با اتصال آن به GND و VIN + تغییر می کند. همانطور که در شکل ۶۹ نشان داده شده است، هنگامی که یک پیکربندی inverting مورد نظر است، VIN+ با اتصال آن به VCC1 و VIN- روشن است.
خاموش شدن Local ، تنظیم مجدد Local
همانطور که در شکل ۷۰ نشان داده شده است، خروجی خطا هر یک از درایور های گیت HCPL-316J به صورت جداگانه مورد نظر قرار می گیرد و خطوط reset به طور مستقل تنظیم می شود تا کنترل کننده موتور بعد از یک وضعیت خطا تنظیم مجدد شود.
Global-Shutdown، Global Reset
همانطور که در شکل ۷۱ نشان داده شده است، هنگامی که برای عملیات inverting پیکربندی شده است، HCPL-316J می تواند به صورتی پیکر بندی شود که به صورت خودکار در یک وضعیت خطا خاموش شود و این مسئله با پیوند خروجی FAULT به VIN+ انجام می پذیرد. برای درایوهای با قابلیت اطمینان بالا، خروجی های خطای open collector هر یک از HCPL-316J می تواند به صورت wire ‘OR’ed روی یک باس خطای مشترک قرار گیرد، و یک باس خطای ایجاد می شود تا به طور مستقیم به میکروکنترلر متصل شود. هنگامی که هر یک از شش درایور گیت یک خطا را شناسایی می کنند، سیگنال خروجی خطا، تمام شش درایو گیت HCPL-316J را به طور همزمان غیرفعال می کند و در نتیجه از خطا ها و شکست های فاجعه بار بیشتر محافظت می کند.
Reset خودکار
همانطور که در شکل ۷۲ نشان داده شده است، هنگامی که ورودی inverting VIN- که به زمین متصل است (پیکربندی non-inverting)، HCPL-316J می تواند به صورت خودکار با اتصال RESET به VIN+، ریست شود. در این مورد، سیگنال کنترل گیت بر روی ورودی non-inverting اعمال می شود. شبیه ورودی ریست که برای ریست کردن latch خطا در هر چرخه سوئیچینگ اعمال می شود. در طول عملکرد عادی IGBT، اعمال ورودی ریست low تنظیم مجدد هیچ تأثیری ندارد. به دنبال یک وضعیت خطا، درایور گیت همچنان در وضعیت خطای latch شده باقی می ماند تا زمانی که سیگنال کنترل گیت به وضعیت ‘gate low’ تغییر کند و latch خطا را ریست کند. اگر سیگنال کنترل گیت یک سیگنال PWM پیوسته باشد، latch خطا همیشه تا زمان بعدی که سیگنال ورودی high می شود، reset خواهد شد. این پیکربندی، IGBT را در یک cycle-by-cycle پایه ای محافظت می کند و به طور خودکار قبل از چرخه «بعدی» ریست می کند. خروجی های خطا میتوانند با یکدیگر برای اطلاع به میکروکنترلر، به صورت wire ‘OR’ed متصل شوند، اما این سیگنال در تنظیمات (تنظیم خودکار reset) برای اهداف کنترلی استفاده نمی شود. هنگامی که HCPL-316J برای reset اتوماتیک پیکربندی شده است، حداقل پهنای باند سیگنال خطا باید ۳ μs باشد.
Reset کردن پس از شرایط خطا
برای ادامه عملیات سوئیچینگ عادی بعد از یک وضعیت خطا (خروجیlow برای FAULT)، پین RESET ابتدا باید برای آزاد کردن latch خطای داخلی و تنظیم خروجی FAULT (به صورت high) به صورت low تنظیم کند. قبل از تنظیم پین RESET به صورت low، سیگنال های سوئیچینگ ورودی (VIN) باید برای خروجی (VOL) در حالت low پیکربندی شوند. این عمل می تواند به طور مستقیم توسط میکروکنترلر و یا توسط hardwiring برای سنکرون سازی سیگنال RESET با سیگنال ورودی انجام شود. شکل ۷۳a نشان می دهد که چگونه RESET را به سیگنال VIN+ برای reset ایمن اتوماتیک در پیکربندی ورودی noninverting وصل می کند. شکل ۷۳b نشان می دهد که چگونه سیگنال های VIN+ / RESET را پیکربندی کنید تا سیگنال RESET از میکروکنترلر باعث شود تا ورودی در حالت “خروجی-خاموش” باشد. به طور مشابه، شکل های ۷۳c و ۷۳d عملیات RESET اتوماتیک و RESET ایمن میکروکنترلر پیکربندی ورودی inverting نشان می دهند.
پیکربندی توسط کاربر سمت خروجی HCPL-316J، مقاومتهای RG و مقاومت اختیاری RC
مقدار مقاومت گیت RG (بین VCC2 و VEE) حداکثر مقدار جریان شارژ یا دشارژ (ION,PEAK و IOFF,PEAK)را تعیین می کند و بنابراین باید با دقت انتخاب شود تا با اندازه ی IGBT که درایو می شود، تطابق داشته باشد. معمولاً مطلوب است که حداکثر جريان شارژ گیت تا حدودي کمتر از حداکثر جريان دشارژ باشد(ION,PEAK <IOFF,PEAK). برای این شرایط، یک مقاومت اختیاری (RC) می تواند همراه با RG به طور مستقل تعیین کننده ION ION,PEAK و IOFF,PEAK باشند، بدون استفاده از دیود فرمان یا steering . به عنوان مثال، به شکل ۷۴ مراجعه کنید. فرض کنید که RG قبلا تعیین شده است و طراحی برای IOH,PEAK=0.5A است، مقدار RC را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
برای اطلاعات بیشتر در مورد روند محاسبه مقدار RG به بخش “Power and Layout Considerations” مراجعه کنید.
جریان خروجی بالاتر با استفاده از بافر جریان خروجی
برای افزایش جریان درایو گیت IGBT، یک بافر جریانی non-inverting (مانند بافر npn / pnp نشان داده شده در شکل ۷۵) ممکن است استفاده شود. انواع Inverting با مدارهای حفاظت از خطای اشباع سازگار نیستند و باید اجتناب شوند. برای حفظ ویژگی خاموش شدن آرام IGBT در طول یک وضعیت خطا، یک خازن ۱۰ نانوفارادی باید از ورودی بافر به VEE و یک مقاومت ۱۰ وات بین خروجی و پایه بیس npn / pnp مشترک قرار داده شود. زوجMJD44H11 / MJD45H11 برای جریانهای تا حداکثر ۸ آمپر مناسب است. همچنین زوج D44VH10/ D45VH10 برای جریانات حداکثر تا ۱۵ آمپر مناسب است.
دیود DESAT و آستانه DESAT
کارکرد دیود DESAT این است که جریان رو به جلو را هدایت کند، اجازه می دهد که ولتاژ کلکتور به امیتر اشباع شده را حس کند، VCESAT (هنگامی که IGBT “روشن” است) و ولتاژ بالا (زمانی که IGBT خاموش است) را قطع کند. در طول مدت کوتاهی که IGBT در حال سوئیچ زنی است، معمولا نرخ رمپ ولتاژ dVCE/dt بسیار بالا روی کلکتور-امیتر IGBT وجود دارد. این مسئله باعث می شود تا ICHARGE = CDDESAT x dVCE/dt)) یا همان جریان شارژ، یک خازن خالی CBLANK را شارژ کند. برای به حداقل رساندن این جریان شارژ و اجتناب از تحریک نادرست DESAT، بهتر است از دیودهای پاسخ سریع استفاده کنید. جدول زیر فهرستی از دیودهای fast-recovery است که برای استفاده به عنوان یک دیود DESAT یا (DDESAT) مناسب هستند. در مدار توصیه شده نشان داده شده در شکل ۶۲، ولتاژ پین ۱۴ (DESAT) VDESAT = VF + VCE است (جایی که VF ولتاژ مستقیم DDESAT است و VCE ولتاژ کلکتور به امیتر IGBT است). مقدار VCE که DESAT را برای نشان دادن یک وضعیت FAULT به کار می گیرد، معمولا در بازه ۷V-VF است. اگر بخواهی، می توانیم این ولتاژ آستانه DESAT را می توان با استفاده از چندین دیود DESAT قرار گرفته به صورت سری کاهش دهیم. اگر n تعداد دیودهای DESAT باشد، مقدار آستانه اسمی VCE می شود: V_CE,FAULT (TH)=7V-n*VF. در مورد استفاده از دو دیودها به جای یک دیود، دیودهای با نیمی از مجموع حداکثر ولتاژ معکوس مورد نیاز ممکن است انتخاب شوند.
ادامه دارد…
