Низкое и высокое напряжение на одном кристалле: высоковольтные ИС компании IR

Для преобразователей электрической энергии - блоков питания конечных устройств различного назначения - особенно актуальными являются вопросы энергоэффективности.

Современные полупроводниковые технологии демонстрируют нам множество решений, которые на первый взгляд кажутся несовместимыми - интегрированные световоды, лазерные элементы, трехмерные структуры и т.д. Одним из таких достижений являются высоковольтные микросхемы (High Voltage Integrated Circuit - HVIC) предлагаемые одним из ведущих предприятий в области силовой электроники - International Rectifier. HVIC-приборы сочетают в одном корпусе, на одном кристалле низковольтную часть с рабочими напряжениями в пределах единиц-десятков вольт и высоковольтные цепи с напряжениями в несколько сотен вольт. Такое совмещение открывает широкий спектр возможностей для построения источников питания различных типов.

Технология HVIC

Впервые технология HVIC была представлена International Rectifier в 1984, но даже в то время трудно было представить перспективы ее развития.

С течением времени менялся не только размер элементов, но появлялась возможность совмещать на одном кристалле элементы, выполненные по разным технологическим нормам (рис. 1). Кроме того, управляющие напряжения низковольтной части становились совместимыми с логическими уровнями цифровых микросхем. Последние поколения HVIC не только управляются напрямую цифровыми схемами, но и могут содержать в своем составе цифровые управляющие элементы. Микросхемы шестого поколения интегрируют до трех технологических норм и различные технологии - CMOS, BiCMOS [1,2].

Рис. 1. Развитие технологии HVIC International Rectifier

Низковольтная и высоковольтная части схемы на кристалле разделяются слоем поликремния таким образом, что высоковольтная часть находится в своеобразном «колодце», стенами которого и является поликремниевый слой. «Колодцев» на кристалле может быть и несколько (рис. 2) [3].

Рис. 2. Структура микросхем технологии HVIC

При возрастании потенциала внутри «колодца» относительно низковольтной части вне его, разность потенциалов равномерно распределяется по всей толщине поликремниевого кольца, не приводя к пробою. Таким образом, внутри поликремниевого кольца локализуется высокий потенциал, тогда как вовне его возможна работа с небольшими напряжениями. Такое решение вполне удобно при управлении высоковольтными MOSFET или IGBT, применяемыми во множестве схем преобразователей - повышающие, понижающие преобразователи, мостовые выпрямители, полумостовые схемы, трехфазные преобразователи. Безусловно, в низковольтной части кристалла (за пределами «колодца») кроме самих силовых ключей возможно размещение и схем управления, как аналоговых, так и цифровых. То есть с помощью всего одной микросхемы можно построить многокаскадные преобразователи, что, в конечном итоге, положительно скажется на стоимости изделия.

Основные структуры сетевых адаптеров/конечных преобразователей

Традиционно сетевые адаптеры или оконечные преобразователи ассоциируются с блоками питания типа AC/DC - преобразователями переменного сетевого напряжения в постоянное. Однако в данный класс устройств могут быть включены как преобразователи типа AC/AC - электронные балласты, аудиопреобразователи, драйверы двигателей переменного тока, так и преобразователи типа DC/DC - источники постоянного тока, светодиодные источники питания. Каждый из указанных типов устройств работает со своим типом нагрузок, своими требованиями к качеству сетевого напряжения, уровню наводимых помех, уровню пульсаций на выходе. Все это приводит к тому, что для каждой области применения необходимы свои, уникальные решения.

Типичный AC/DC-преобразователь для источника питания персонального компьютера включает в себя: фильтр электромагнитных помех для подавления высокочастотного шума, выпрямитель, корректор коэффициента мощности (ККМ), резонансный понижающий DC/AC-преобразователь, AC/DC-синхронный выпрямитель, выходной фильтр (рисунок 3). Такое решение требует нескольких микросхем для управления всеми блоками источника питания. Технологии HVIC применены в микросхеме IRS2795 для управления силовыми MOSFET полумоста, а также в микросхеме IR11682 для синхронного выпрямления.

Рис. 3. Типовая структура сетевого адаптера персонального компьютера

Верхний ключевой транзистор полумоста должен включаться или выключаться в то время, когда его потенциал относительно низковольтной части схемы отличается на величину до 400 В. IRS2795 позволяет синхронно управлять MOSFET с частотой и длительностью импульса, определяемыми цепями обратной связи, для поддержания выходного напряжения на постоянном уровне. Синхронный выпрямитель используется в выходной части схемы для повышения эффективности преобразователя. IR11682 используется для измерения напряжений стока силовых MOSFET выпрямителя. Это необходимо для обнаружения момента перехода через ноль в период открытого состояния каждого из ключей. Способность IR11682 работать с высокими уровнями напряжений применяется для блокирования высокого напряжения, возникающего на стоке в выключенном состоянии ключа. Преобразователи, построенные по данной схеме (с синхронным выпрямителем) могут достигать КПД 90% при условии полной нагрузки. Дополнительные возможности, такие как высоковольтный запуск и пакетный режим для снижения потерь при холостой работе или малой нагрузке, интегрируются в контроллер полумоста.

Источник питания для светодиодных светильников также требует преобразования переменного тока в постоянный, с той лишь разницей, что стабилизируется не выходное напряжение, а выходной ток. Типичная структура неизолированного светодиодного блока питания включает в себя фильтр электромагнитных помех, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, синхронный понижающий выходной каскад для формирования выходного тока (рисунок 4).

Рис. 4. Типовая структура неизолированного источника питания для светодиодных светильников

HVIC-микросхема (IRS25401) применена здесь для управления полумостовым понижающим преобразователем на MOSFET. В одной микросхеме интегрирована вся цепь управления. Ток светодиодов измеряется при помощи измерительного резистора между крайним светодиодом линейки и общим проводом. Напряжение, пропорциональное выходному току, поступает на вход микросхемы IRS25401, которая управляет переключением транзисторных ключей полумоста для поддержания выходного постоянного тока в пределах заданной погрешности. Для уменьшения размеров внешнего индуктора полумост может работать на более высоких частотах.

Дополнительный вход может быть использован для плавной ШИМ-регулировки яркости. Интеграция на одном кристалле драйверов верхнего и нижнего ключей, генератора и логики управления позволяют повысить стабильность и надежность работы схемы в условиях изменения температуры, повысить стабильность выходного тока, снизить влияние внешних шумов. Светодиодные источники представленной структуры позволяют добиться высокой эффективности преобразования энергии (около 90%) в зависимости от входного напряжения и от количества последовательно включенных диодов в нагрузке. Для снижения стоимости нижний MOSFET-ключ полумоста можно заменить на простой диод, однако при этом упадет эффективность преобразователя.

Хорошим примером преобразователя переменного тока в переменный является электронный балласт для флуоресцентных ламп. В его состав входят следующие блоки: фильтр электромагнитных помех, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, выходной резонансный DC/AC-преобразователь (рисунок 5).

Рис. 5. Структурная схема электронного балласта для газоразрядных флуоресцентных ламп

Эффективность данного типа преобразователей может превышать 92%. Технология HVIC представлена здесь микросхемой IRS2168D, совмещающей управление резонансным полумостом и корректором коэффициента мощности. Высоковольтная часть микросхемы управляет верхним ключом полумоста, тогда как низковольтная часть контролирует нижний ключ, силовой ключ контроллера коэффициента мощности, а также содержит все необходимые цепи управления ККМ, балластом и обеспечивает функции защиты. Для этих целей в составе микросхемы присутствуют два независимых генератора, один из которых используется для управления ККМ, второй - для управления резонансным мостом. Подобное решение существенно упрощает разработку схемы, конфигурацию печатной платы, уменьшает размеры преобразователя и снижает стоимость изделия. Для дополнительной экономии энергии в структуру может быть добавлена регулировка яркости.

Интеграция всех функций управления в одну высоковольтную ИС открывает дополнительные возможности. Поскольку в данном случае ККМ известно о состоянии лампы (нагрузки), можно динамически выбирать наилучшее для текущих условий напряжение питания. При регулировке, к примеру, возможно управление компенсацией ККМ в зависимости от уровня регулировки. Каждая из рассмотренных структур преобразователей оптимизирована для своих параметров работы.

HVIC решения от International Rectifier

Одними из основных HVIC-приборов являются драйверы силовых ключей и резонансных мостов. Как видно из предыдущего обзора, для разных типов приложений оптимальными будут являться различные структуры устройств с разным набором составных блоков. И в каждом случае число управляющих линий разное. На сегодняшний день доступны HVIC драйверы силовых ключей для различных блоков преобразователей (таблица 1).

Среди решений International Rectifier - многоканальные драйверы для управления трехфазными мостами, драйверы полумостов, одно- и двуканальные драйверы силовых ключей с различным набором опций.

Подробная информация по HVIC-приборам доступна на сайте International Rectifier, а также на сайте компании КОМПЭЛ по адресу http://catalog.compel.ru/mos_driver/list?BRAND=IR 

Заключение

Применение микросхем HVIC для интеграции функций управления высоковольтной и низковольтной частью позволяет уменьшить число используемых элементов и размеры, а также увеличить надежность и технологичность. Конечно, для каждого случая необходимо проанализировать возможные плюсы и риски, оценить время и затраты на разработку. Технологически возможна практически полная интеграция как цепей управления, так и силовых ключей в одной микросхеме.

Литература

1. International Rectifier - The Power Management Leader// http://www.irf.com/ 

2. Евгений Звонарев. G5 HVIC - новое поколение высоковольтных силовых управляющий ИС. Новости электроники. 2007. №7. С. 8 - 13.

3. Tom Ribarich. IR's HVICs lead the way towards energy efficiency. Power Supplement. 2011. April. P. 22 - 23. (http://www.irf.com/pressroom/articles/000EPD1104.pdf).

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]