Ir2101 схема включения: Диагностика микросхемы управления инвертором ИБП IR2101

4 Расчет схемы электрической принципиальной

4.1 Выбор драйвера управления mosfet транзисторами

В последнее время очень популярны микросхемы управления силовыми ключами фирмы International Rectifier. Они отличаются высоким быстродействием, относительно низкой стоимость по сравнению с другими аналогами и доступностью.

В данной работе мы используем драйвер IR2101 со следующими характеристиками:

максимальное рабочее напряжение U=20 В;

напряжение питания U_пит=10…20 В;

минимальное выходное напряжение U_min=0.3 В;

максимальное выходное напряжение U_max=16 В;

максимальный выходной ток I=2,5 мА;

время задержки td_on/off = 160/150 нс.

Драйвер совместим со схемами, работающими под напряжением +3,3 В, +5В.

Сопротивление резистора в цепи затвора рассчитывается по формуле 1.

(1)

Принимаем стандартное значение R7…R21: 1 кОм.

Выбираем конденсаторы 0,1 мкФ при t =10 мс

4.2 Расчет силовых ключей

В соответствии с техническим заданием силовой ключ должен состоять из MOSFET транзисторов. Номинальный ток двигателя постоянного тока I_ном=10 А. При пуске ток двигателя будет значительно выше, рассчитаем его по формуле: , следует что . Номинальный ток шагового двигателя I_ном=2 А. При пуске ток двигателя будет значительно выше. Рассчитаем его по формуле . Выбираем транзистор с запасом по току и напряжению.

Марка транзистора IRF1010 корпус ТО-220.

Достоинства транзистора марки IRF1010:

– высокие динамические характеристики;

– низкое сопротивление во включенном состоянии;

– низкая мощность управления;

– высокое коммутируемое напряжение.

Необходимые характеристики транзистора:

– максимальное напряжение U_DSS=60 В;

– максимальный ток I_D=50 А;

– рассеиваемая мощность Pw=200 Вт;

– время включения t_on=10 мс;

5. Разработка печатной платы

Разработка конструкции устройства осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к ремонтопригодности, требований технической эстетики, с учетом условий эксплуатации и других требований [6].

При конструировании печатной платы необходимо учитывать следующее.

Если нет каких-либо ограничений, печатная плата (ПП) должна быть квадратной или прямоугольной. Максимальный размер любой из сторон не должен превышать 520 мм, а соотношение линейных сторон ПП – не более 3:1. Толщина ПП должна соответствовать одному из чисел ряда: 0.8; 1.0; 1.5; 2.0 в зависимости от площади ПП.

Разработку платы следует вести, ориентируясь на конкретный промышленный процесс ее изготовления.

Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки. Каждое монтажное и переходное отверстие должно быть охвачено контактной площадкой.

Диаметр крепежных отверстий 4,5 мм. Диаметр монтажных отверстий, диаметры выводов микросхем колеблются в пределах 0,5…1,3 мм, а диаметры выводов резисторов и конденсаторов, диодов, колеблются в пределах от 0,6 до 0,8 мм, поэтому на плате разработаны 2 вида отверстий диаметром 0,5 мм и 0,8 мм соответственно. Шаг координатной сетки составляет 1,27 мм.

Паять элементы припоем ПОС-61. Материал платы стеклотекстолит фольгированный СТЭФ 2-1,5-50 по ГОСТ 10316-86.

N-канальный полевик? В верхнем ключе?

N-канальный полевик? В верхнем ключе?

Мысли (Автор: dez)

Работа с электроникой (и микроконтроллерами в частности) имеет одно интересное свойство – нередко приходится вдыхать жизнь и разум в устройства, которые мигают, жужжат и пыхтят. Обычно эти процессы требуют больше тока, чем может пропустить через себя умная часть схемы, и тогда между логикой и нагрузкой ставится ключ.

При питании постоянным напряжением можно говорить о двух вариантах ключей. Нижний ключ отрубает от нагрузки минус – подходящая работа для NPN-транзистора или N-канального полевика. Верхний ключ коммутирует плюс – обычно сюда ставят PNP или P-канальный… но не всегда.

 

Открываем даташиты на драйверы IR2101, IR2102 и их 3-фазных братьев – IR2130 и HIP4086.

Находим типовые схемы и-и-и что мы там видим?

источник: infineon, IR2101/IR2102 datasheet

В обоих плечах стоят N-канальные полевики. Есть даже одноканальные драйверы верхнего плеча IR2117 и IR2118, так же заточенные под N-MOSFET.

Как такое возможно?

Канал полевого транзистора в открытом состоянии – это, по сути, резистор с очень маленьким сопротивлением. Чтобы перевести канал в такое состояние, нужно вкачать достаточный заряд в затвор – подать на него напряжение относительно истока (V_GS). Для N-канального V_GS – положительная величина, и вот тут с верхним ключом получается засада…

Раз это верхний ключ, то он должен подключать нагрузку к плюсу питания. При этом, раз это N-канальный полевик, то питание будет на стоке (drain), а нагрузка подключена к истоку (source). Значит, при открытом транзисторе мы хотим увидеть на истоке плюс питания, самый высокий доступный потенциал в схеме. Но чтобы транзистор открылся, на затворе требуется потенциал еще больше.

Нужен способ прыгнуть выше головы.

Как ни странно, сделать это не слишком-то и сложно. Прием называется bootstrap capacitor, и магия здесь в двух дополнительных компонентах – диоде и конденсаторе (ну и драйвере, который может с ними дружить). В целом, работает это дело в 2 этапа.

Рассмотрим на фрагменте Н-моста. На первом этапе верхний ключ закрыт, нижний открыт и конденсатор “видит землю”. Если он разряжен, то через него сквозь диод и сквозь нижний ключ протекает ток. До тех пор, пока конденсатор не зарядится до напряжения питания драйвера.

На втором этапе нижний ключ закрывается и у конденсатора “земля уходит из-под ног”. Напряжение на конденсаторе итак не может измениться мгновенно, а уж в присутствии обратно включенного диода – и подавно. Поэтому с точки зрения драйвера он превращается в батарейку, которая подсоединяется минусом к истоку верхнего полевика. Теперь затвор сможет получить нужное ему V

GS выше питания, транзистор откроется и все будут довольны.

С идеальными компонентами верхний ключ можно было бы держать открытым вечно. Но все же конденсатор потихоньку разряжается из-за токов утечки, паразитных сопротивлений и прочих обидных вещей. Поэтому надо периодически повторять первый этап – закрывать верхний ключ и давать конденсатору дозарядиться.

В расчете номинала конденсатора главные роли играют два параметра. Первый из них – Q_g транзистора (total gate charge), измеряемый в кулонах и указанный в даташите. Второй – допустимое уменьшение напряжения на конденсаторе после того, как он отдаст заряд затвору. Эта величина выбирается инженером с опорой на характеристики драйвера, список использованных номиналов и впечатления от обеда в заводской столовой. В итоге остается лишь поделить одно на другое:

C = Q/ΔV

Если время включения верхнего ключа может быть достаточно большим, то при расчете учитываются упомянутые утечки. Более подробные формулы и примеры рассчета можно посмотреть в аппноутах AN-6076 от ON Semiconductor или AN9324 от Intersil. Обычно адекватные номиналы конденсатора лежат в пределах от сотен нФ до единиц мкФ.

Ради чего вся эта макарена? Ну, для начала, N-канальные полевики считаются более дешевыми, надежными и вообще “более лучшими” в сравнении с аналогичными P-канальными. Кроме того, оптимизация перечня элементов – для снабженца один тип транзисторов лучше разных двух. И даже если сделать “по логике” и поставить P-канальный в верхнее плечо, все равно могут потребоваться дополнительные усилия, особенно если напряжение в силовой части выше, чем питание драйвера.

• Коммутация
• Транзисторы

Полупроводниковые и системные решения – Infineon Technologies

Прямая трансляция в 14:00 (CEST)

Инновационное мероприятие Infineon Smart Power Fab, Дрезден

Открыть прямую трансляцию

2023 г. Второй финансовый год
Итоги квартала

4 мая 2023 г.

Больше информации

PCIM Europe 2023

С 9 по 11 мая. Зал 7 / Стенд 412. В этом году мы все о декарбонизации и цифровизации

Полная программа здесь

Ускорьте переход на новые источники энергии с помощью тепловых насосов

Наши компоненты и системные решения делают современные тепловые насосы более интеллектуальными и эффективными — от управления мощностью и подключения до ЧМИ и датчиков

Узнать больше

Лучший в своем классе SSO8 в OptiMOS™ 7 40 В

Высокая энергоэффективность, повышенная надежность конструкции, сниженные коммутационные потери и оптимизированный SOA для переключения больших токов

Открой для себя больше

Формирование IIoT путем расширения возможностей умного завода

Преобразование в эффективные, устойчивые, гибкие и безопасные интеллектуальные заводы уже началось благодаря легко интегрируемым полупроводниковым решениям

Узнать больше

Твердотельные реле (ТТР) на основе SJ-FET

Обновление до технологии CoolMOS™ S7 с суперпереходом MOSFET с лучшим в своем классе R(on) x A для более эффективных и надежных решений SSR

Найти продукт

SECORA™ Pay теперь доступна с технологией 28 нм

Мы расширяем портфолио решений SECORA™ Pay, используя технологию 28 нм для лучшей производительности транзакций в сочетании с простым в интеграции полносистемным решением

Узнать больше

Новости

27 апреля 2023 г. | Business & Financial Press

Infineon предлагает инновационное решение для второй жизни аккумуляторов электрических легковых автомобилей

03 апреля 2023 г. | Business & Financial Press

Infineon оптимизирует свой профиль обезуглероживания: подразделение промышленных приложений будет работать под названием Green Industrial Power (GIP)

Новости рынка

28 апреля 2023 г. | Новости рынка

Решения Infineon EZ-PD™ USB-C PD позволяют создавать передовые мультимедийные решения и решения для зарядки автомобилей

Посетите Infineon в Twitter

Драйвер Bootstrap MOSFET с ir2101

спросил 4 года 5 месяцев назад

Изменено 1 год, 10 месяцев назад

Просмотрено 8к раз

\$\начало группы\$

Я пытаюсь собрать эту схему, но не знаю, как ее проверить. Когда я измеряю напряжение на затворе высоковольтного транзистора, оно составляет почти 12 вольт, как и VCC. Так сказать .. схема наддува не работает. У вас есть идеи?

• МОП-транзистор
• драйвер
• начальная загрузка

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Рассмотрим типичную схему с этого веб-сайта:

Когда Lin имеет высокий уровень и, таким образом, Q2 «включен», выход низкий, а C2/C6 близки к земле на отрицательной стороне. Затем Vcc заряжает конденсатор через диод D1. Это обеспечивает источник напряжения относительно источника Q1.

Когда Hin становится высоким, эти заряженные конденсаторы используются для управления затвором Q1 высоким уровнем. Заряд на конденсаторах со временем истощится, и Q1 уже не сможет полноценно включиться. Некоторые драйверы содержат второй UVLO для переключателя на стороне высокого напряжения, что предотвращает повреждение, которое может произойти из-за частичного включения транзистора на стороне высокого напряжения. У IR2101 такого нет. См., например, это указание по применению.

Таким образом, чтобы использовать это, вы должны активно переключать как Lin, так и Hin на разумной частоте (обычно в кГц).

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Если вы прочтете техническое описание IR2101, то увидите, что бутстрепный конденсатор увеличивает Vb только при переходе на выходе внешнего полевого транзистора высокого напряжения. Таким образом, усилитель верхнего плеча использует положительную обратную связь для увеличения напряжения привода затвора и может работать только при наличии пути к земле, позволяющего конденсатору начальной загрузки заряжаться, когда внешний драйвер верхнего плеча выключен.

Таким образом, чтобы протестировать устройство, вам нужно управлять HIN, и VB увеличится ТОЛЬКО на , если у вас есть нагрузка, позволяющая зарядить крышку, когда переключатель высокой стороны выключен. Другими словами, вам нужна нагрузка, чтобы удерживать Vs lo.

Обратите внимание на внутреннюю схему, что LIN не имеет ничего общего с начальной загрузкой.

\$\конечная группа\$

7

\$\начало группы\$

@shay yederman

Я использовал следующую конфигурацию, основной целью которой было управление бессенсорным двигателем постоянного тока.

Также некоторые формулы для определения необходимого заряда и емкости конденсатора:

QT = QG + (ILKCAP + ILKGS + ILKC + ILKD + IQBS) × tON + QLS

Я использовал эту упрощенную формулу: QT = QG + (ILKCAP + ILKGS + ILKD) × tON + QLS

QG = Общий заряд затвора; ILKCAP = ток утечки конденсатора; ILKGS= ток утечки через корпус затвора; ILKC= ток утечки цепи; ILKD = ток утечки диода; tON = время включения; QLS = заряд внутреннего переключателя уровня;

Мне помогло.