IR2153 ovladač výkonového tranzistoru IC vysvětlen: technický list, obvod a návrhový průvodce

IR2153 je vysokonapěťový polovodičový ovladač IC s vestavěným oscilátorem, navržený pro řízení MOSFETů v aplikacích s přepínáním napájení. Na rozdíl od mnoha ovladačů IC, které vyžadují externí PWM řadič, může IR2153 generovat své vlastní přepínací signály pomocí pouze časového rezistoru a kondenzátoru, což zjednodušuje návrh obvodu a snižuje počet součástek. Je schopen ovládat jak vysokonapěťové, tak nízkonapěťové N-kanálové MOSFETy a poskytuje důležité funkce, jako je pevný mrtvý čas, ochrana proti podnapětí, bootstrap ovládání vysokého napětí a imunitu vůči šumu.

Katalog

Rozmístění pinů a funkce pinů

Pin č.	Název pin	Funkce
1	VCC	Kladné napájecí napětí pro IC. Napájí interní oscilátor, logické obvody a ovladače hradel. Obvykle připojeno k stejnosměrnému napájení v doporučeném pracovním rozsahu.
2	RT	Pin časového rezistoru. Externí rezistor připojený k RT spolupracuje s kondenzátorem CT na nastavení frekvence oscilátoru.
3	CT	Pin časového kondenzátoru. Externí kondenzátor připojený k CT určuje frekvenci oscilátoru spolu s rezistorem RT.
4	COM	Společná zemní reference pro IC. Tento pin slouží jako návratová cesta pro ovladač nízkého napětí a interní řídící obvody.
5	LO	Výstup ovladače hradla nízkého napětí. Ovládá hradlo nízkonapěťového MOSFETu s odkazem na COM.
6	VS	Návrat vysokonapěťového plovoucího napájení. Připojeno k zdroji vysokonapěťového MOSFETu a slouží jako referenční bod pro ovladač vysokého napětí.
7	HO	Výstup ovladače hradla vysokého napětí. Ovládá hradlo vysokonapěťového MOSFETu pomocí plovoucího napájení vysokého napětí.
8	VB	Vysokonapěťové plovoucí napájecí napětí. Připojeno k bootstrap obvodu a poskytuje energii pro sekci ovladače vysokého napětí.

Vlastnosti IR2153

• Integrovaný 600 V ovladač hradla polovodiče - Podporuje aplikace s vysokým napětím a může ovládat jak vysokonapěťové, tak nízkonapěťové N-kanálové MOSFETy.

• Vestavěný oscilátor - Vyžaduje pouze externí rezistor (RT) a kondenzátor (CT) pro generování přepínací frekvence, což snižuje počet součástek.

• 15.6 V VCC Zenerova klapka - Zahrnuje interní zenerovu klapku, která pomáhá chránit IC před nadměrným napájecím napětím.

• Mikropower spouštěcí obvod - Spotřebovává velmi málo proudu během spuštění, čímž zvyšuje účinnost a zjednodušuje návrh napájecího zdroje.

• Řízení pevného mrtvého času - Poskytuje typický mrtvý čas 1.2 μs, aby se zabránilo současné vodivosti silových MOSFETů.

• Funkce vypnutí - Umožňuje vypnout oscilátor a výstupy ovladače přes pin CT pro ochranu nebo řídicí účely.

• Ochrana proti podnapětí (UVLO) - Monitoruje napájecí napětí a vypíná výstupy, když je napětí příliš nízké pro bezpečný provoz.

• Návrh ovladače s nízkým dV/dt - Zlepšuje imunitu proti šumu a pomáhá předcházet falešnému spuštění v prostředích s vysokým napětím.

• Bootstrap ovladač vysokého napětí - Používá bootstrap kondenzátor k napájení plovoucího ovladače vysokého napětí bez potřeby izolovaného napájení.

• Ochrana ESD - Zajišťuje ochranu proti elektrostatickému výboji na všech pinech, aby se zvýšila spolehlivost zařízení během manipulace a montáže.

Technické specifikace

Parametr	Hodnota
Offset napětí pro vysoké napětí	Až 600 V
Plovoucí napájecí napětí pro vysoké napětí (VB)	Až 625 V
Napájecí napětí (VCC)	10 V do 15,6 V (omezeno)
Pracovní cyklus	50%
Zpoždění (typické)	1,2 μs
Čas vzestupu (Tr)	80 ns
Čas poklesu (Tf)	40 ns
Omezovací napětí VCC	15,6 V
Napájecí proud (typický)	5 mA
Proud pinu RT	±5 mA max
Přípustné dVS/dt	±50 V/ns
Rozsah teploty spojení	-40°C do +125°C
Rozsah teploty skladování	-55°C do +150°C
Maximální teplota spojení	150°C
Možnosti balení	8-polohový PDIP, 8-polohový SOIC

Alternativy a ekvivalentní IC

Model IC	Maximální bootstrap napětí	Typické napájecí napětí	Ovládání zpoždění
IR21531	600 V	10 V – 20 V	Fixní
IR2101	600 V	10 V – 20 V	Externí
IR2104	600 V	10 V – 20 V	Interní
IRS2003	600 V	10 V – 20 V	Interní
IRS2153D	600 V	10 V – 20 V	Fixní
L6384E	600 V	10,5 V – 20 V	Externí
FAN7382	600 V	10 V – 20 V	Externí

Jak funguje IR2153 interně?

IR2153 integruje oscilátor, řídicí logiku, generátor zpoždění, převodník úrovně a ovladače hradel do jednoho IC. Provoz začíná na pinech RT a CT, kde externí rezistor a kondenzátor nastavují frekvenci oscilátoru. Interní oscilátor generuje střídavé signály přepínání, které řídí výstupy vysokého a nízkého napětí.

Funkční blokový diagram IR2153

Tyto signály procházejí logickými a zpožděnými obvody, které zajišťují, že se dva MOSFETy neaktivují současně. Vestavěná doba zpoždění pomáhá předcházet přetokovým proudům a zlepšuje spolehlivost přepínání. Kruh podnapětí také monitoruje napájecí napětí a vypíná výstupy, pokud napětí klesne příliš nízko.

Pro kanál vysokého napětí je signál převeden přes převodník úrovně vysokého napětí do plovoucí části ovladače. Ovladač vysokého napětí používá piny VB a VS spolu s bootstrap kondenzátorem k generování napětí pro ovládání hradel potřebného na výstupu HO. Ovladač nízkého napětí funguje přímo z napájení VCC a řídí výstup LO.

Kombinací těchto funkcí do jednoho zařízení dokáže IR2153 generovat komplementární signály ovládání hradel pro vysoké a nízké napětí s minimálními externími komponenty, což jej činí užitečným pro polovodičová napájecí zdroje, elektronické balasty a invertorové obvody.

Jak využít IR2153 IC pro ovládání hradel

Toto typické připojení níže ukazuje IR2153 nakonfigurovaný jako samov oscilující polovodičový měnič. Rezistor RT a kondenzátor CT připojené k časovým pinům určují spínací frekvenci vnitřního oscilátoru. Výběrem různých hodnot RT a CT můžete upravit provozní frekvenci tak, aby vyhovovala požadavkům napájecího zdroje, invertoru nebo obvodu elektronického předřadníku.

Výstupy HO a LO řídí hradla MOSFETů na vysoké a nízké straně přes hradlové rezistory. Tyto dva MOSFETy přepínají alternativně, čímž vytvářejí polovodičový výstup ve středu mezi nimi. Spínací průběh je pak spojen s zatížením přes výstupní síť, která může zahrnovat kondenzátory, induktory nebo transformátory v závislosti na aplikaci.

Typické připojení IC ovladače hradla IR2153

Piny VB a VS tvoří bootstrap obvod potřebný pro ovládání hradla na vysoké straně. Bootstrap kondenzátor připojený mezi VB a VS uchovává náboj, když je MOSFET na nízké straně v zapnutém stavu. Tato uložená energie umožňuje výstupu HO řídit hradlo MOSFET na vysoké straně nad zdrojovým napětím během spínání na vysoké straně.

Pin VCC poskytuje napájení pro IC a ovladače hradel, zatímco COM slouží jako referenční zem. Kondenzátor připojený napříč VCC a COM funguje jako bypass kondenzátor, který pomáhá stabilizovat napájecí napětí a snižovat šum při přepínání.

Transistor pro vypnutí je také zobrazen připojený k časové síti. Po aktivaci vybíjí kondenzátor CT, čímž zastavuje oscilátor a deaktivuje spínací operaci. Tato funkce může být použita pro ochranu, ovládání zapnutí/vypnutí nebo funkce vypnutí v případě poruchy.

Široké aplikace

• Napájecí zdroje SMPS polovodičů

• Rezonanční měniče energie

• DC-AC invertory

• Systémy indukčního ohřevu

• Obvody ovladačů LED

• Systémy nabíjení baterií

• Řadiče pohonu motorů

• Napájecí zdroje s vysokou frekvencí

• AC-DC měniče energie

• Solární napájecí invertory

• Nepřerušitelné napájecí zdroje (UPS), atd.

Mechanické rozměry

Výrobce

IR2153 byl původně vyvinut společností International Rectifier (IR), která je známým výrobcem silových polovodičů, IC ovladačů hradel, MOSFETů a IGBT. Po akvizici společnosti International Rectifier firmou Infineon Technologies se rodina IR2153 stala součástí portfolia produktů správy energie a ovladačů hradel společnosti Infineon. Infineon má silné výrobní možnosti v oblasti zařízení pro vysoké napětí, pokročilé kontroly kvality a dlouhodobé podpory produktů, což mu umožňuje pokračovat ve výrobě spolehlivých IR2153 a souvisejících IC polovodičů pro elektronické předřadníky, obvody SMPS, invertory a další aplikace pro přeměnu energie.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Proč IR2153 používá bootstrap obvod místo samostatného napájení na vysoké straně?

Bootstrap obvod umožňuje IR2153 řídit MOSFET na vysoké straně bez nutnosti izolovaného napájení. To snižuje náklady, šetří místo na desce a zjednodušuje návrh obvodu.

2. Co se stane, pokud je bootstrap kondenzátor příliš malý?

Kondenzátor, který je příliš malý, nemusí uchovat dostatečný náboj pro plné řízení MOSFET na vysoké straně. To může vést k neúplnému přepínání, zvýšené produkci tepla a snížené účinnosti.

3. Může IR2153 řídit IGBT i MOSFET?

Ano. IR2153 může řídit jak MOSFET, tak IGBT, pokud jsou požadavky na napětí hradla, spínací frekvenci a náboj hradla v rámci schopností zařízení.

4. Proč je mrtvý čas důležitý v polovodičových obvodech?

Mrtvý čas zabraňuje současnému zapnutí spínacích zařízení na vysoké a nízké straně. Bez něj by mohlo dojít k prudkému průchodu proudu a potenciálně poškodit výkonovou část.

5. Jak IR2153 zjednodušuje návrh napájecího zdroje?

Vestavěný oscilátor eliminuje potřebu externího PWM řadiče v mnoha aplikacích. Návrháři potřebují pouze rezistor RT a kondenzátor CT pro stanovení spínací frekvence.

6. Lze spínací frekvenci IR2153 měnit během provozu?

Ano. Jelikož je frekvence určena časovou sítí RT a CT, změna těchto hodnot nebo použití proměnného rezistoru umožňuje upravit provozní frekvenci.

7. Jaká je výhoda použití ovladače na vysoké a nízké straně v jednom IC?

Integrace obou ovladačů do jediné čipové sady snižuje počet komponent, zjednodušuje rozmístění PCB, zlepšuje časovou koordinaci a snižuje celkové náklady na systém.

8. Jaké faktory omezují maximální provozní frekvenci IR2153?

Praktické limity frekvence závisí na náboji hradla MOSFET, spínacích ztrátách, výkonnosti bootstrap kondenzátoru, požadavcích na mrtvý čas a termálních úvahách.

9. Lze IR2153 použít v návrzích plně mostového měniče?

Ano. Dva zařízení IR2153 mohou být použity společně k řízení plně mostového měniče, což umožňuje vyšší výstupní výkon a větší flexibilitu návrhu.

10. Jaké jsou nejčastější příčiny selhání obvodu IR2153?

Mezi běžné příčiny patří nesprávná velikost bootstrap kondenzátoru, nedostatečný návrh ovládacího obvodu, špatné uspořádání PCB, nedostatečné odrušení napájení, nadměrné napěťové špičky a provoz nad napěťovými nebo teplotními limity zařízení.