Объяснение IC драйвера вентиля IR2153: Технические характеристики, Схема и Руководство по проектированию

IR2153 - это IC драйвера вентиля полумоста с высоким напряжением и встроенным осциллятором, предназначенный для управления MOSFET-ами в устройствах с переключающим питанием. В отличие от многих IC драйверов, которые требуют внешнего контроллера ШИМ, IR2153 может генерировать свои собственные сигналов переключения, используя только временной резистор и конденсатор, что упрощает проектирование схемы и снижает количество компонентов. Он способен управлять как MOSFET-ами N-канала высокой стороны, так и низкой стороны, предоставляя важные функции, такие как фиксированное время мёртвой зоны, защита от пониженного напряжения, бутстрэп высокостороннего управления и защита от шумов.

Каталог

Распиновка и функции контактов

Контакт №	Название контакта	Функция
1	VCC	Положительное напряжение питания для IC. Оно питает внутренний осциллятор, логическую цепь и драйверы вентилей. Обычно подключается к источнику постоянного тока внутри рекомендованного рабочего диапазона.
2	RT	Контакт временного резистора. Внешний резистор, подключенный к RT, работает с конденсатором CT для установки частоты осциллятора.
3	CT	Контакт временного конденсатора. Внешний конденсатор, подключенный к CT, определяет частоту осциллятора вместе с резистором RT.
4	COM	Общая схема заземления для IC. Этот контакт служит возвратным путем для драйвера низкой стороны и внутренней управляемой цепи.
5	LO	Выход драйвера вентиля низкой стороны. Он управляет вентилем низкой стороны MOSFET, ссылаясь на COM.
6	VS	Возврат плавающего источника на высокой стороне. Подключен к источнику MOSFET на высокой стороне и служит контрольной точкой для драйвера высокой стороны.
7	HO	Выход драйвера вентиля высокой стороны. Он управляет вентилем MOSFET высокой стороны, используя плавающий источник на высокой стороне.
8	VB	Напряжение плавающего источника на высокой стороне. Подключен к схеме бутстрэп и обеспечивает питание для секции драйвера высокой стороны.

Особенности IR2153

• Интегрированный драйвер полумоста на 600 В - Поддерживает приложения полумоста с высоким напряжением и может управлять как MOSFET-ами N-канала высокой стороны, так и низкой стороны.

• Встроенный осциллятор - Требует только внешний резистор (RT) и конденсатор (CT) для генерации частоты переключения, что снижает количество компонентов.

• 15.6 В Zener-клипса VCC - Включает внутреннюю Zener-клипсу, которая помогает защитить IC от чрезмерного напряжения питания.

• Микроэнергетическая схема запуска - Потребляет очень мало тока при запуске, улучшая эффективность и упрощая проектирование источника питания.

• Управление фиксированным временем мёртвой зоны - Обеспечивает типичное время мёртвой зоны 1,2 мкс, чтобы предотвратить одновременное включение MOSFET-ов.

• Функция отключения - Позволяет отключать осциллятор и выходы драйвера через контакт CT для защиты или управления.

• Защита от пониженного напряжения (UVLO) - Мониторит напряжение питания и отключает выходы, когда напряжение слишком низкое для безопасной работы.

• Дизайн драйвера для низкого dV/dt - Улучшает устойчивость к шуму и помогает предотвратить ложные срабатывания в условиях переключения высокого напряжения.

• Драйвер верхнего уровня с выходом через конденсатор - Использует загрузочный конденсатор для питания плавающего драйвера верхнего уровня без необходимости в изолированном питании.

• Защита от ЭМИ - Обеспечивает защиту от электростатического разряда на всех выводах для повышения надежности устройства во время транспортировки и сборки.

Технические характеристики

Параметр	Значение
Смещение верхнего уровня напряжения	До 600 В
Плавающее напряжение питания верхнего уровня (VB)	До 625 В
Напряжение питания (VCC)	10 В до 15,6 В (ограниченное)
Рабочий цикл	50%
Мертвое время (Типично)	1,2 μs
Время нарастания (Tr)	80 нс
Время спада (Tf)	40 нс
Напряжение ограничения VCC	15,6 В
Ток питания (Типичный)	5 мА
Ток вывода RT	±5 мА Макс
Допустимое dVS/dt	±50 В/нс
Диапазон температур соединения	-40°C до +125°C
Диапазон температур хранения	-55°C до +150°C
Максимальная температура соединения	150°C
Варианты упаковки	8-выводный PDIP, 8-выводный SOIC

Альтернативы и эквиваленты ИС

Модель ИС	Макс. напряжение загрузки	Типичное напряжение питания	Управление мертвым временем
IR21531	600 В	10 В – 20 В	Фиксированное
IR2101	600 В	10 В – 20 В	Внешнее
IR2104	600 В	10 В – 20 В	Внутреннее
IRS2003	600 В	10 В – 20 В	Внутреннее
IRS2153D	600 В	10 В – 20 В	Фиксированное
L6384E	600 В	10,5 В – 20 В	Внешнее
FAN7382	600 В	10 В – 20 В	Внешнее

Как работает IR2153 внутри?

IR2153 интегрирует генератор, управляющую логику, генератор мертвого времени, преобразователь уровней и драйверы затворов в единую ИС. Работа начинается на выводах RT и CT, где внешний резистор и конденсатор устанавливают частоту генератора. Внутренний генератор создает чередующиеся сигналы переключения, которые управляют выходами верхнего и нижнего уровней.

Функциональная блок-схема IR2153

Эти сигналы проходят через логические и мертвые цепи, которые обеспечивают, чтобы два MOSFET не включались одновременно. Встроенное мертвое время помогает предотвратить протекание тока и улучшает надежность переключения. Цепь защиты от пониженного напряжения также контролирует напряжение питания и отключает выходы, если напряжение становится слишком низким.

Для канала верхнего уровня сигнал передается через преобразователь уровней высокого напряжения в плавающую секцию драйвера. Драйвер верхнего уровня использует выводы VB и VS вместе с загрузочным конденсатором для генерации необходимого напряжения драйва затвора на выходе HO. Драйвер нижнего уровня работает напрямую от источника VCC и управляет выходом LO.

Объединяя эти функции в одном устройстве, IR2153 может генерировать комплементарные сигналы драйва затворов верхнего и нижнего уровней с минимальным количеством внешних компонентов, что делает его полезным для полумостовых источников питания, электронных балластов и инверторных схем.

Как использовать ИС драйвера затворов IR2153

Это типичное соединение ниже показывает ИС IR2153, настроенную как самоколеблющийся драйвер полумостового включения. Резистор RT и конденсатор CT, подключенные к выводам синхронизации, определяют частоту переключения внутреннего генератора. Выбирая разные значения RT и CT, вы можете настроить рабочую частоту в соответствии с требованиями источника питания, инвертора или схемы электронной балласта.

Выходы HO и LO управляют затворами MOSFET-ов верхнего и нижнего уровня через резисторы затвора. Эти два MOSFET переключаются поочередно, создавая выход полумоста в середине между ними. Затем форма переключения передается на нагрузку через выходную сеть, которая может включать конденсаторы, индуктивности или трансформаторы в зависимости от приложения.

Типичное соединение драйвера ИС IR2153

Выводы VB и VS формируют цепь загрузки, необходимую для управления затвором верхнего уровня. Конденсатор загрузки, подключенный между VB и VS, накапливает заряд, когда MOSFET нижнего уровня включен. Эта накопленная энергия позволяет выходу HO управлять затвором MOSFET верхнего уровня выше напряжения источника во время переключения верхнего уровня.

Вывод VCC обеспечивает питание для ИС и драйверов затвора, в то время как COM служит в качестве заземляющего контакта. Конденсатор, подключенный параллельно VCC и COM, выполняет функцию обводного конденсатора, помогая стабилизировать напряжение питания и снижать шум переключения.

Также показан транзистор отключения, подключенный к сети временной синхронизации. При активации он разряжает конденсатор CT, останавливая генератор и отключая процесс переключения. Эта функция может использоваться для защиты, управления включением/выключением или функций отключения в случае неисправности.

Широкие применения

• Сетевые блоки питания полумостового типа

• Резонансные преобразователи мощности

• ДС-AC инверторы

• Системы индукционного нагрева

• Схемы драйвера светодиодов

• Системы зарядки батарей

• Контроллеры привода моторов

• Блоки питания с высокой частотой переключения

• AC-DC преобразователи мощности

• Солнечные инверторы

• Источники бесперебойного питания (ИБП) и др.

Механические размеры

Производитель

ИС IR2153 была первоначально разработана компанией International Rectifier (IR), известным производителем силовых полупроводников, ИС драйверов затворов, MOSFET и IGBT. После того как International Rectifier была приобретена компанией Infineon Technologies, семейство IR2153 стало частью портфолио продуктов Infineon в области управления питанием и драйверами затворов. Infineon обладает сильными производственными возможностями в области высоковольтных полупроводниковых устройств, передового контроля качества и долгосрочной поддержки продуктов, что позволяет продолжать производить надежные IR2153 и связанные ИС драйвера полумостового включения для электронных балластов, схем SMPS, инверторов и других приложений преобразования мощности.

Часто задаваемые вопросы [FAQ]

1. Почему IR2153 использует цепь загрузки вместо отдельного источника питания для верхнего уровня?

Цепь загрузки позволяет IR2153 управлять MOSFET верхнего уровня, не требуя изолированного источника питания. Это снижает стоимость, экономит место на плате и упрощает проектирование схемы.

2. Что произойдет, если конденсатор загрузки слишком мал?

Слишком маленький конденсатор может не накопить достаточно заряда для полного управления MOSFET верхнего уровня. Это может привести к неполному переключению, увеличению тепловыделения и снижению эффективности.

3. Может ли IR2153 управлять IGBT, а не только MOSFET?

Да. IR2153 может управлять как MOSFET, так и IGBT, если напряжение на затворе, частота переключения и требования к заряду затвора находятся в пределах возможностей устройства.

4. Почему время мертвых зон важно в полумостовых схемах?

Время мертвых зон предотвращает одновременное включение переключающих устройств верхнего и нижнего уровней. Без этого может возникнуть короткое замыкание, которое может повредить силовой этап.

5. Как IR2153 упрощает проектирование источников питания?

Встроенный генератор устраняет необходимость в внешнем PWM контроллере во многих приложениях. Дизайнерам требуется только резистор RT и конденсатор CT для установки частоты переключения.

6. Можно ли настроить частоту переключения IR2153 во время работы?

Да. Поскольку частота определяется временной сетью RT и CT, изменение этих значений или использование переменного резистора позволяет настроить рабочую частоту.

7. Какое преимущество в использовании драйвера верхнего и нижнего уровней в одном ИС?

Интеграция обоих драйверов в одном корпусе снижает количество компонентов, упрощает компоновку платы, улучшает координацию времени и снижает общую стоимость системы.

8. Какие факторы ограничивают максимальную рабочую частоту IR2153?

Практическое ограничение частоты зависит от заряда затвора MOSFET, потерь при переключении, производительности конденсатора загрузки, требований к времени мертвых зон и тепловых соображений.

9. Можно ли использовать IR2153 в схемах инверторов с полным мостом?

Да. Два устройства IR2153 могут быть использованы совместно для управления инвертором с полным мостом, что позволяет достичь большей выходной мощности и большей гибкости в дизайне.

10. Каковы самые распространенные причины отказа схемы IR2153?

К распространенным причинам относятся неправильный размер bootstrap-конденсатора, неадекватный дизайн управления затвором, плохая компоновка печатной платы, недостаточная декуплирующая мощность, чрезмерные скачки напряжения и работа за пределами напряжения или температурных ограничений устройства.