В силовой электронике, в частности в схемах приводов электродвигателей, для коммутации высоких напряжений и токов часто применяют биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Основные потери в мощных транзисторах, управляемых напряжением, генерируются в процессе их переключения. Для минимизации потерь необходимо обеспечить короткое время переключения. Однако быстрое переключение связано с опасностью возникновения высоковольтных переходных процессов, которые могут воздействовать или даже вывести из строя логические цепи процессора. Поэтому драйверы затвора, управляющие IGBT, должны выполнять также функцию защиты от короткого замыкания и регулировать скорость переключения. При выборе драйвера затвора следует учитывать ряд важных параметров.

Нагрузочная способность выхода
В процессе коммутации к транзистору кратковременно приложено не только высокое напряжение, но и высокий ток. Согласно закону Ома это влечет за собой потери, которые зависят от длительности состояния переключения (рис. 1).

Задача состоит в том, чтобы минимизировать данный интервал времени. Основной фактор, определяющий длительность этого процесса, – емкость затвора транзистора, которая заряжается и разряжается при
переключении. Более высокие переходные токи ускоряют процесс заряда / разряда емкости.
Драйверы, обеспечивающие высокие управляющие токи в течение длительного времени, более предпочтительны с точки зрения снижения потерь на переключение. Так, например, драйвер ADuM4135 от компании Analog Devices (рис. 2) способен формировать выходной
ток до 4 А. В зависимости от используемого IGBT это позволяет сократить время переключения до значений наносекундного диапазона..

Временные параметры
Основные параметры процесса переключения, – время нарастания tR, время спада tF и задержка распространения tD, которая определяется как время, требуемое для того, чтобы входной фронт сигнала достиг выхода, и зависит от выходного тока драйвера и нагрузки на выходе (рис. 3).

Из-за небольшого разброса задержки распространения драйверов затвора возникает некоторое искажение ширины импульса: PWD = tDLH – tDHL. Поскольку у драйверов зачастую несколько выходных каналов, которые характеризуются разным временем отклика, хотя и управляются от одного входа (рис. 4), возникает небольшое дополнительное смещение, или неравномерность задержки распространения tSKEW.

Напряжение пробоя изоляции
В силовой электронике гальваническую развязку применяют как для обеспечения необходимого функционала, так и для безопасности. Поскольку драйверы затвора часто используют, например, в полумостовых топологиях приводов электродвигателей, где наряду с низковольтными схемами присутствуют шины высокого напряжения и тока, развязка в этих устройствах обязательна.Функциональная причина применения развязки состоит в том, что
управление силовым каскадом обычно осуществляется низковольтными схемами, возбуждение ключа верхнего плеча полумостовой схемы было бы невозможно из-за его более высокого потенциала и при одновременно открытом нижнем плече. В то же время развязка обеспечивает надежную изоляцию высоковольтных цепей от управляющей схемы в случае короткого замыкания, гарантируя защиту человека, прикасающегося к изделию. Изолированные
драйверы затвора, как правило, характеризуются электрической прочностью на пробой диэлектрика на уровне не менее 5 кВ (rms).

Помехоустойчивость
Жесткие условия эксплуатации в промышленной среде требуют максимально высокого уровня стойкости изделия к воздействию помех. К критичным относятся такие факторы, как радиочастотный шум, синфазные переходные процессы и магнитные поля, поскольку они
могут наводить помехи на драйвер и вызывать внезапное переключение силового каскада. Для изолированных драйверов затвора устойчивость к синфазным помехам определяется как способность подавлять синфазные переходные процессы между входом и выходом. Например, для ADuM4121 этот показатель составляет не менее 150 кВ / мкс.
Рассмотренные параметры отражают далеко не полный перечень характеристик и возможностей драйвеов затвора. Большое значение имеют также рабочее и питающее напряжения, диапазон рабочих температур, а также наличие дополнительных встроенных функций, таких как схема подавления эффекта Миллера и защита от выхода из насыщения. В зависимости от требований к приложению разработчик может выбрать подходящую модель драйвера затвора на основе этих параметров.

ADuM4135 – одноканальный драйвер затвора, оптимизированный для IGBT. Используемая в нем технология iCoupler обеспечивает гальваническую изоляцию между входом и выходом, га-
рантируя высокую надежность и безопасность. Устройство содержит встроенную схему подавления эффекта Миллера для надежного выключения IGBT, когда напряжение на затворе падает до уровня менее 2 В. Данные о состоянии устройства контролируются с помощью специальных выходов. Управление сбросом драйвера после отказа во вторичной цепи выполняется в первичном контуре устройства.
Встроенная в ADuM4135 схема детектирования выхода из насыщения обеспечивает защиту от
высокого напряжения во вторичной цепи, а также выполняет функцию подавления помех путем временного маскирования выбросов напряжения из-за включения транзистора. Встроенный источник тока 500 мкА позволяет снизить число компонентов в схеме; специальный ключ
дает возможность подключения дополнительного внешнего источника тока, если нужна более
высокая устойчивость к помехам. ADuM4135 поставляется в 16-выводном корпусе SOIC с длиной пути утечки по корпусу и между выводами, равной 7,8 мм.
Ключевые особенности ADuM4135:
• пиковая нагрузочная способность выхода: 4 А;
• выходное сопротивление канала управления силовым устройством: менее 1 Ом;
• аварийное оповещение о выходе из насыщения;
• плавное отключение в случае отказа;
• схема подавления эффекта Миллера с входом датчика напряжения затвора;
• гальванически изолированные флаги сигнализации об отказе и готовности;
• минимальная ширина импульса: 50 нс;
• задержка распространения: 55 нс (тип.);
• рабочий диапазон температур: –40…125 °C;
• выходное напряжение: до 30 В;
• входное напряжение: от 2,3 до 6 В;
• срок службы: 20 лет при рабочем напряжении 600 В (rms) или 1 092 В DC.