Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
Защитные функции<br />
со<strong>в</strong>ременных драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong> IGBT<br />
Для надежной защиты сило<strong>в</strong>ых полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых приборо<strong>в</strong> от различного <strong>в</strong>ида<br />
перегрузок необходимо устройст<strong>в</strong>о, обеспечи<strong>в</strong>ающее быструю реакцию на а<strong>в</strong>арийное<br />
состояние и безопасное отключение сило<strong>в</strong>ых ключей. В сило<strong>в</strong>ой электронике эту<br />
функцию <strong>в</strong>ыполняет системный контроллер или драй<strong>в</strong>ер, упра<strong>в</strong>ляющий зат<strong>в</strong>орами<br />
IGBT-модулей. Как пра<strong>в</strong>ило, задачей контроллера я<strong>в</strong>ляется формиро<strong>в</strong>ание сигнала<br />
неиспра<strong>в</strong>ности <strong>в</strong> случае, когда проблема<br />
не требует мгно<strong>в</strong>енной реакции, например при перегре<strong>в</strong>е. Драй<strong>в</strong>ер IGBT, <strong>в</strong> с<strong>в</strong>ою<br />
очередь, должен реагиро<strong>в</strong>ать при <strong>в</strong>озникно<strong>в</strong>ении т. н. «быстрых ошибок», к которым<br />
относится, например, перегрузка по току. Сущест<strong>в</strong>ует несколько концепций построения<br />
схем защиты сило<strong>в</strong>ых ключей, отличающихся областью применения, <strong>в</strong>идом<br />
анализируемых неиспра<strong>в</strong>ностей, а также набором сер<strong>в</strong>исных функций.<br />
Йохан Крапп<br />
(Johannes Krapp)<br />
Пере<strong>в</strong>од:<br />
Андрей Колпако<strong>в</strong><br />
Andrey.Kolpakov@semikron.com<br />
www.power-e.ru<br />
Режимы короткого замыкания<br />
Рис. 1. «Полумягкий» режим короткого<br />
замыкания (<strong>в</strong>ключение IGBT на КЗ-кабель):<br />
красный — напряжение на зат<strong>в</strong>оре V GE ; зеленый — ток<br />
коллектора I C ; бирюзо<strong>в</strong>ый — напряжение «коллекторэмиттер»<br />
V CE ; коричне<strong>в</strong>ый — мощность потерь P V<br />
Для понимания принципо<strong>в</strong> работы схем защиты<br />
от перегрузки по току необходимо проанализиро<strong>в</strong>ать<br />
по<strong>в</strong>едение сило<strong>в</strong>ых транзисторо<strong>в</strong> <strong>в</strong> режиме короткого<br />
замыкания (КЗ).<br />
Причины <strong>в</strong>озникно<strong>в</strong>ения токо<strong>в</strong>ых перегрузок разнообразны,<br />
чаще <strong>в</strong>сего это а<strong>в</strong>арийные случаи, такие<br />
как пробой на корпус или замыкание нагрузки.<br />
Перегрузка может быть <strong>в</strong>ыз<strong>в</strong>ана и особенностями<br />
схемы, например переходным процессом или током<br />
обратного <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления диода оппозитного плеча.<br />
Подобные проблемы должны быть устранены схемотехническими<br />
и технологическими методами: применением<br />
цепей формиро<strong>в</strong>ания траектории (снабберо<strong>в</strong>),<br />
<strong>в</strong>ыбором резисторо<strong>в</strong> зат<strong>в</strong>ора, изоляцией цепей<br />
упра<strong>в</strong>ления от сило<strong>в</strong>ых шин и др. Осно<strong>в</strong>ные режимы<br />
короткого замыкания и их особенности рассмотрены<br />
далее на примере IGBT-модуля SKM300GB12T4, <strong>в</strong>ыполненного<br />
по но<strong>в</strong>ейшей технологии Trench 4.<br />
Включение транзистора<br />
при коротком замыкании <strong>в</strong> цепи нагрузки<br />
Усло<strong>в</strong>ия и результаты испытаний:<br />
• температура кристалла T j = +150 °C;<br />
• напряжение на DC-шине V CC = 900 В;<br />
• перенапряжение на терминалах модуля<br />
V CEM = 1160 В;<br />
• пико<strong>в</strong>ый ток I CM = 1715 A;<br />
• длительность импульса КЗ t pulse = 10 мкс;<br />
• номинальный ток коллектора I Cnom = 300 A.<br />
«Полумягкий» режим короткого замыкания, при<br />
котором IGBT <strong>в</strong>ключается на кабель из<strong>в</strong>естной длины,<br />
до<strong>в</strong>ольно часто <strong>в</strong>стречается на практике и используется<br />
рядом произ<strong>в</strong>одителей <strong>в</strong> качест<strong>в</strong>е «тесто<strong>в</strong>ого». Это<br />
состояние легко реализуемо <strong>в</strong> лабораторных усло<strong>в</strong>иях<br />
и не при<strong>в</strong>одит к фатальным по<strong>в</strong>реждениям ключей,<br />
особенно если испытания про<strong>в</strong>одятся при пониженном<br />
напряжении на DC-шине.<br />
Максимальный ток <strong>в</strong> цепи коллектора транзистора<br />
ограничен напряжением на зат<strong>в</strong>оре и крутизной<br />
транзистора. Из-за наличия большой емкости з<strong>в</strong>ена<br />
постоянного тока (ЗПТ) он практически не за<strong>в</strong>исит<br />
от <strong>в</strong>нутреннего сопроти<strong>в</strong>ления источника питания.<br />
Для со<strong>в</strong>ременных технологий IGBT т. н. «ток самоограничения»<br />
(self-limit current) при заданном напряжении<br />
на зат<strong>в</strong>оре (как пра<strong>в</strong>ило, V GE = 15 В) примерно<br />
<strong>в</strong> 5–6 раз пре<strong>в</strong>ышает номинальное значение I Cnom .<br />
В момент <strong>в</strong>ключения ток коллектора пла<strong>в</strong>но нарастает<br />
<strong>в</strong> соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ии с <strong>в</strong>ыражением V CC = L S ×dI C /dt,<br />
где L S — индукти<strong>в</strong>ность цепи КЗ. После перехода<br />
41
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
по току имеют низкое напряжение насыщения,<br />
но худшую стойкость к перегрузкам, чем<br />
транзисторы с бóльшим значением V CE(sat) .<br />
Рис. 2. Испытания сборки IGBT при «полумягком» КЗ каждого ключа ин<strong>в</strong>ертора<br />
IGBT <strong>в</strong> состояние самоограничения (линейный<br />
режим) напряжение на коллекторе <strong>в</strong>озрастает,<br />
что при<strong>в</strong>одит к рассеянию очень<br />
большой мощности <strong>в</strong> кристаллах (график<br />
P V на рис. 1). В нашем «тесто<strong>в</strong>ом» случае отключение<br />
IGBT происходит примерно через<br />
10 мкс, хотя нормиро<strong>в</strong>анное <strong>в</strong>ремя КЗ для<br />
модулей данного типа соста<strong>в</strong>ляет 6 мкс. В реальных<br />
применениях защита со<strong>в</strong>ременных<br />
драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong> срабаты<strong>в</strong>ает через 2–3 мкс после<br />
индикации <strong>в</strong>ыхода IGBT из насыщения.<br />
На рис. 2 показаны эпюры тока I C и напряжения<br />
V CE при поочередном <strong>в</strong>ключении модулей<br />
SKiiP испытуемого 3-фазного ин<strong>в</strong>ертора<br />
на кабель длиной 1 м (L S ≈ 1 мкГн). Подобные<br />
испытания я<strong>в</strong>ляются обязательными для <strong>в</strong>сех<br />
IGBT-сборок, произ<strong>в</strong>одимых дизайн-центром<br />
компании SEMIKRON <strong>в</strong>о Франции. Уро<strong>в</strong>ень<br />
перенапряжения при отключении служит интегральной<br />
оценкой <strong>в</strong>еличины распределенной<br />
индукти<strong>в</strong>ности ЗПТ, поз<strong>в</strong>оляющей оценить<br />
качест<strong>в</strong>о DC-шины. Для модулей 12 класса напряжение<br />
DC-шины при подобных испытаниях<br />
соста<strong>в</strong>ляет 900 В, что на 50–100 В пре<strong>в</strong>ышает<br />
предельно допустимое значение.<br />
Короткое замыкание нагрузки<br />
<strong>в</strong>ключенного транзистора<br />
Этот режим я<strong>в</strong>ляется гораздо более жестким,<br />
чем <strong>в</strong> предыдущем случае, и он также наблюдается<br />
на практике. При замыкании плеча, я<strong>в</strong>ляющегося<br />
оппозитным уже открытому транзистору,<br />
у последнего происходит скачкообразный<br />
рост напряжения «коллектор–эмиттер» (V CE/SC<br />
на рис. 3<strong>в</strong>), при<strong>в</strong>одящий к у<strong>в</strong>еличению напряжения<br />
на зат<strong>в</strong>оре V GE <strong>в</strong>следст<strong>в</strong>ие эффекта Миллера<br />
(<strong>в</strong>ерхний график на рис. 3а). В результате этого<br />
ток КЗ <strong>в</strong>озрастает до аномального уро<strong>в</strong>ня I C/SCM<br />
(рис. 3б), и нахождение транзистора при такой<br />
нагрузке может оказаться фатальным даже при<br />
быстрой реакции схемы защиты. Для предот<strong>в</strong>ращения<br />
данной ситуации <strong>в</strong> некоторых схемах<br />
упра<strong>в</strong>ления предусмотрено ограничение напряжения<br />
на зат<strong>в</strong>оре. Например, <strong>в</strong> но<strong>в</strong>ейшем<br />
драй<strong>в</strong>ере SKYPER 52 для этой цели используется<br />
диод Шоттки между зат<strong>в</strong>ором и питанием<br />
(+15 В) <strong>в</strong>ыходного каскада.<br />
Как было отмечено <strong>в</strong>ыше, устано<strong>в</strong>и<strong>в</strong>шееся<br />
значение тока КЗ определяется напряжением<br />
на зат<strong>в</strong>оре. В то же <strong>в</strong>ремя уменьшение<br />
этого напряжения при<strong>в</strong>одит к по<strong>в</strong>ышению<br />
напряжения насыщения и, следо<strong>в</strong>ательно,<br />
к росту потерь про<strong>в</strong>одимости. Устойчи<strong>в</strong>ость<br />
к КЗ тесно с<strong>в</strong>язана и с крутизной транзистора:<br />
IGBT с <strong>в</strong>ысоким коэффициентом усиления<br />
Рис. 3. «Жесткий» режим короткого<br />
замыкания (КЗ <strong>в</strong>ключенного IGBT)<br />
а<br />
б<br />
<strong>в</strong><br />
Ск<strong>в</strong>озное короткое замыкание<br />
транзисторо<strong>в</strong> полумоста<br />
Усло<strong>в</strong>ия и результаты испытаний:<br />
• температура кристалла Tj = +150 °C;<br />
• напряжение на DC-шине V CC = 600 В;<br />
• перенапряжение на терминалах модуля<br />
V CEM = 960 В;<br />
• пико<strong>в</strong>ый ток I CM = 1265 A;<br />
• длительность импульса КЗ t pulse = 10 мкс;<br />
• номинальный ток коллектора I Cnom = 300 A.<br />
Ситуация, описанная <strong>в</strong> данном разделе,<br />
я<strong>в</strong>ляется наиболее стрессо<strong>в</strong>ой для сило<strong>в</strong>ых<br />
ключей, и она должна быть полностью исключена<br />
<strong>в</strong> реальных усло<strong>в</strong>иях работы. Подобный<br />
режим, как пра<strong>в</strong>ило, используется для оценки<br />
стойкости IGBT к предельным состояниям<br />
(рис. 4). Для имитации режима ск<strong>в</strong>озного<br />
КЗ применяются специальные тесто<strong>в</strong>ые драй<strong>в</strong>еры<br />
с отключенной опцией INTERLOCK (запрет<br />
одно<strong>в</strong>ременного <strong>в</strong>ключения транзисторо<strong>в</strong><br />
полумоста).<br />
Рис. 4. «Ск<strong>в</strong>озной» режим короткого замыкания:<br />
зеленый — ток коллектора I C ; бирюзо<strong>в</strong>ый —<br />
напряжение «коллектор-эмиттер» V CE ;<br />
коричне<strong>в</strong>ый — мощность потерь P V<br />
Защитные функции драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong><br />
К наиболее опасным неиспра<strong>в</strong>ностям сило<strong>в</strong>ых<br />
преобразо<strong>в</strong>ательных устройст<strong>в</strong>, требующим<br />
мгно<strong>в</strong>енной реакции схемы защиты,<br />
относятся короткое замыкание и перенапряжение,<br />
на<strong>в</strong>одимое при отключении тока перегрузки.<br />
При <strong>в</strong>озникно<strong>в</strong>ении состояния КЗ <strong>в</strong> цепи<br />
нагрузки или пробое одного из ключей моста<br />
происходит ла<strong>в</strong>инообразный рост тока<br />
коллектора испра<strong>в</strong>ного IGBT, при<strong>в</strong>одящий<br />
к его <strong>в</strong>ыходу из насыщения. В этом состоянии<br />
транзистор может находиться только<br />
очень непродолжительное <strong>в</strong>ремя (10 мкс<br />
для IGBT прежних поколений и 6 мкс для<br />
но<strong>в</strong>ых тонкопленочных чипо<strong>в</strong>), что с<strong>в</strong>язано<br />
с рассеянием большой <strong>в</strong>еличины энергии<br />
<strong>в</strong> кристаллах. Чтобы предот<strong>в</strong>ратить разрушение<br />
модуля <strong>в</strong>следст<strong>в</strong>ие тепло<strong>в</strong>ого удара,<br />
состояние перегрузки должно быть <strong>в</strong>ыя<strong>в</strong>лено<br />
и прекращено <strong>в</strong> течение короткого <strong>в</strong>ремени.<br />
Мониторинг режима КЗ произ<strong>в</strong>одится с по-<br />
42 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
а<br />
а<br />
б<br />
б) мониторинга напряжения насыщения V ст<strong>в</strong>ию электромагнитных помех (как <strong>в</strong> случае токо<strong>в</strong>ых датчико<strong>в</strong>, подобный алгоритм реализо<strong>в</strong>ан<br />
Рис. 6. Динамический режим работы схемы защиты от перегрузки по току: a) номинальный режим;<br />
б) режим а<strong>в</strong>арийного отключения<br />
б<br />
боем <strong>в</strong>ыхода на корпус или ск<strong>в</strong>озным током при нормиро<strong>в</strong>ания параметро<strong>в</strong> каждой ступени.<br />
откры<strong>в</strong>ании (или пробое оппозитного транзистора).<br />
Гораздо более надежным и эффекти<strong>в</strong>ным способом<br />
Рис. 5. Схема: а) детектиро<strong>в</strong>ания di/dt;<br />
Данный способ я<strong>в</strong>ляется достаточно бы-<br />
стродейст<strong>в</strong>ующим, не под<strong>в</strong>ерженным <strong>в</strong>оздейзок<br />
детектиро<strong>в</strong>ания «медленных» перегру-<br />
я<strong>в</strong>ляется использо<strong>в</strong>ание интегриро<strong>в</strong>анных<br />
CE(sat)<br />
мощью измерения скорости изменения тока<br />
коллектора di/dt или напряжения насыщения<br />
«коллектор–эмиттер» V CE(sat) .<br />
Определение <strong>в</strong>еличины di/dt произ<strong>в</strong>одится<br />
с помощью схемы, показанной на рис. 5а.<br />
Падение напряжения на паразитной индукти<strong>в</strong>ности<br />
между сило<strong>в</strong>ым и дополнительным<br />
сигнальным <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одом эмиттера пропорционально<br />
скорости изменения тока коллектора.<br />
Сра<strong>в</strong>нение <strong>в</strong>еличины измеренного<br />
сигнала с опорным напряжением поз<strong>в</strong>оляет<br />
детектиро<strong>в</strong>ать состояние «быстрого» КЗ.<br />
Однако мониторинг «медленного» короткого<br />
замыкания требует использо<strong>в</strong>ания резисти<strong>в</strong>ного<br />
элемента <strong>в</strong> измерительной цепи<br />
и <strong>в</strong>нутренней соединительной шины между<br />
сило<strong>в</strong>ым и сигнальным эмиттером. На точность<br />
измерения <strong>в</strong>лияет качест<strong>в</strong>о <strong>в</strong>инто<strong>в</strong>ых<br />
соединений сило<strong>в</strong>ых терминало<strong>в</strong>, неизбежно<br />
<strong>в</strong>носящих искажения <strong>в</strong> характеристику<br />
контактного сопроти<strong>в</strong>ления. Поэтому контроль<br />
di/dt с помощью дополнительного<br />
индукционных датчико<strong>в</strong> тока), он не при<strong>в</strong>одит<br />
к дополнительным потерям мощности, созда<strong>в</strong>аемым<br />
резисти<strong>в</strong>ными шунтами.<br />
Схему мониторинга DESAT необходимо<br />
блокиро<strong>в</strong>ать <strong>в</strong> течение некоторого <strong>в</strong>ремени T bl<br />
(blanking time) после подачи отпирающего<br />
напряжения на зат<strong>в</strong>ор транзистора. Между<br />
моментом <strong>в</strong>ключения транзистора и его <strong>в</strong>ходом<br />
<strong>в</strong> насыщение сущест<strong>в</strong>ует задержка, ра<strong>в</strong>ная<br />
сумме <strong>в</strong>ремени задержки <strong>в</strong>ключения t don и <strong>в</strong>ремени<br />
спада V CE . До полного откры<strong>в</strong>ания IGBT<br />
на коллекторе присутст<strong>в</strong>ует достаточно <strong>в</strong>ысокое<br />
напряжение, которое может быть <strong>в</strong>оспринято<br />
схемой защиты как перегрузка по току.<br />
Адаптация схемы мониторинга напряжения<br />
насыщения к параметрам конкретного<br />
сило<strong>в</strong>ого модуля, как пра<strong>в</strong>ило, произ<strong>в</strong>одится<br />
с помощью подстроечных элементо<strong>в</strong>.<br />
Графики, при<strong>в</strong>еденные на рис. 6, показы<strong>в</strong>ают,<br />
как меняется опорное напряжение схемы<br />
защиты V CEref при откры<strong>в</strong>ании транзистора<br />
(момент <strong>в</strong>ремени T on ) при нормальной работе<br />
(а) и перегрузке (б). При <strong>в</strong>озникно<strong>в</strong>ении<br />
а<strong>в</strong>арийной ситуации напряжение V CEsat<br />
<strong>в</strong> интеллектуальных модулях SKiiP.<br />
Кроме <strong>в</strong>озможности мониторинга различных<br />
<strong>в</strong>идо<strong>в</strong> КЗ, <strong>в</strong>ажной характеристикой<br />
схемы защиты я<strong>в</strong>ляется скорость отклика<br />
на сигнал неиспра<strong>в</strong>ности. В некоторых сложных<br />
системах, к которым относятся, например,<br />
многоуро<strong>в</strong>не<strong>в</strong>ые кон<strong>в</strong>ерторы, процессом<br />
отключения системы упра<strong>в</strong>ляет контроллер<br />
<strong>в</strong>ерхнего уро<strong>в</strong>ня. В этом случае задачей<br />
драй<strong>в</strong>ера я<strong>в</strong>ляется формиро<strong>в</strong>ание изолиро<strong>в</strong>анного<br />
сигнала неиспра<strong>в</strong>ности и передача<br />
этого сигнала гла<strong>в</strong>ному процессору, определяющему<br />
порядок запирания транзисторо<strong>в</strong>.<br />
Например, <strong>в</strong> многоуро<strong>в</strong>не<strong>в</strong>ых преобразо<strong>в</strong>ателях<br />
прямое отключение драй<strong>в</strong>ером сило<strong>в</strong>ых<br />
ключей недопустимо, поскольку может<br />
при<strong>в</strong>ести к поя<strong>в</strong>лению на одном из IGBT<br />
полного напряжения питания на <strong>в</strong>ремя передачи<br />
сигнала неиспра<strong>в</strong>ности и получения<br />
команды контроллера. Тем не менее <strong>в</strong> большинст<strong>в</strong>е<br />
практических применений защита<br />
от токо<strong>в</strong>ых перегрузок я<strong>в</strong>ляется функцией<br />
драй<strong>в</strong>ера, способного обеспечить быструю<br />
и адек<strong>в</strong>атную реакцию.<br />
эмиттерного <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>ода может использо<strong>в</strong>аться сра<strong>в</strong>ни<strong>в</strong>ается с опорным напряжением, после<br />
чего отключаются сило<strong>в</strong>ые транзисторы.<br />
только для мониторинга быстрой токо<strong>в</strong>ой<br />
перегрузки.<br />
Динамический характер изменения опорного<br />
Коммутационные перенапряжения<br />
За<strong>в</strong>исимость напряжения насыщения<br />
V CE(sat) от тока коллектора задается прямой<br />
характеристикой транзистора, при<strong>в</strong>одимой<br />
на графике V CE = f(I C ). Чтобы уро<strong>в</strong>ень отключения<br />
тока перегрузки был коррелиро<strong>в</strong>ан<br />
с заданным значением, опорный сигнал<br />
V CEref должен изменяться по закону, близкому<br />
к кри<strong>в</strong>ой спада напряжения «коллектор–<br />
эмиттер» V CE . Подобная идеология защиты<br />
носит наз<strong>в</strong>ание DSCP (Dynamic Short Circuit<br />
Protection) (рис. 6).<br />
Мониторинг напряжения насыщения (V CEsat )<br />
я<strong>в</strong>ляется наиболее из<strong>в</strong>естным и распространенным<br />
методом <strong>в</strong>ыя<strong>в</strong>ления состояния КЗ,<br />
<strong>в</strong> англоязычной литературе он носит наз<strong>в</strong>ание<br />
DESAT (от desaturation — <strong>в</strong>ыход из насыщения).<br />
Контроль V CEsat поз<strong>в</strong>оляет <strong>в</strong>ыя<strong>в</strong>ить перегрузку<br />
по току, <strong>в</strong>ыз<strong>в</strong>анную замыканием нагрузки, про-<br />
напряжения, согласо<strong>в</strong>анный с кри<strong>в</strong>ой спада<br />
напряжения «коллектор–эмиттер», поз<strong>в</strong>оляет<br />
сократить <strong>в</strong>ремя реакции (уменьшить T bl )<br />
и снизить риск ложных срабаты<strong>в</strong>аний. При<br />
отсутст<strong>в</strong>ии состояния перегрузки опорное<br />
напряжение схемы защиты и напряжение насыщения<br />
V CEsat достигают устано<strong>в</strong>и<strong>в</strong>шегося<br />
значения V CEstat .<br />
Если индукти<strong>в</strong>ность L S цепи КЗ оказы<strong>в</strong>ается<br />
достаточно большой, ток перегрузки будет нарастать<br />
сра<strong>в</strong>нительно медленно, что требует<br />
специальной адаптации схемы DESAT. В этом<br />
случае может быть использо<strong>в</strong>ан многоступенчатый<br />
мониторинг напряжения насыщения,<br />
при котором определяется несколько значений<br />
опорного сигнала и <strong>в</strong>ремени измерения.<br />
Недостатком данного метода я<strong>в</strong>ляется <strong>в</strong>ысокая<br />
температурная за<strong>в</strong>исимость и сложность<br />
Перенапряжения, образующиеся при коммутации<br />
IGBT из-за наличия распределенных<br />
индукти<strong>в</strong>ностей сило<strong>в</strong>ых шин, также относятся<br />
к «быстрым» перегрузкам. В отличие от них<br />
<strong>в</strong>нешние <strong>в</strong>сплески напряжения, приходящие<br />
со стороны сети, относятся к «медленным»,<br />
их ограничение <strong>в</strong>ыполняется с помощью фильтро<strong>в</strong><br />
и полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых супрессоро<strong>в</strong>.<br />
Снижение уро<strong>в</strong>ня коммутационных перенапряжений,<br />
<strong>в</strong>озникающих при преры<strong>в</strong>ании<br />
тока КЗ, осущест<strong>в</strong>ляется с помощью режима<br />
пла<strong>в</strong>ного (SSD, STO) или д<strong>в</strong>ухуро<strong>в</strong>не<strong>в</strong>ого<br />
отключения. В пер<strong>в</strong>ом случае ограничение<br />
режимо<strong>в</strong> на уро<strong>в</strong>не, удо<strong>в</strong>лет<strong>в</strong>оряющем требо<strong>в</strong>аниям<br />
области безопасной работы (SOA),<br />
обеспечи<strong>в</strong>ается благодаря снижению скорости<br />
<strong>в</strong>ыключения di/dt за счет у<strong>в</strong>еличения номинала<br />
резистора зат<strong>в</strong>ора R Goff .<br />
www.power-e.ru<br />
43
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
Рис. 7. Акти<strong>в</strong>ное ограничение напряжения<br />
на коллекторе IGBT<br />
Пода<strong>в</strong>ление коммутационных <strong>в</strong>сплеско<strong>в</strong> может<br />
осущест<strong>в</strong>ляться <strong>в</strong> режиме т. н. акти<strong>в</strong>ного<br />
ограничения, когда недопустимое по<strong>в</strong>ышение<br />
сигнала на коллекторе при<strong>в</strong>одит к отпиранию<br />
IGBT (рис. 7). Подобная схема реализуется с помощью<br />
цепочки импульсных стабилитроно<strong>в</strong>,<br />
устана<strong>в</strong>ли<strong>в</strong>аемых между коллектором и зат<strong>в</strong>ором<br />
транзистора. Суммарное напряжение стабилитроно<strong>в</strong><br />
определяет уро<strong>в</strong>ень сигнала, при<br />
котором начинается ограничение. Недостатком<br />
данного метода я<strong>в</strong>ляется то, что <strong>в</strong>ся энергия,<br />
запасенная <strong>в</strong> паразитных индукти<strong>в</strong>ностях<br />
(L S ×I 2 /2), рассеи<strong>в</strong>ается <strong>в</strong> транзисторе, переходящем<br />
<strong>в</strong> линейный режим. Воздейст<strong>в</strong>ие подобных<br />
тепло<strong>в</strong>ых ударо<strong>в</strong> при<strong>в</strong>одит к ускоренному<br />
старению материало<strong>в</strong> модуля и сокращению<br />
его ресурса. Кроме того, режим акти<strong>в</strong>ного ограничения<br />
часто сопро<strong>в</strong>ождается <strong>в</strong>ысокочастотным<br />
дребезгом на зат<strong>в</strong>оре.<br />
Более изящным решением, реализо<strong>в</strong>анным<br />
<strong>в</strong> но<strong>в</strong>ейшем цифро<strong>в</strong>ом драй<strong>в</strong>ере SKYPER 52<br />
произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>а SEMIKRON, я<strong>в</strong>ляется использо<strong>в</strong>ание<br />
режима «интеллектуального отключения»<br />
IntelliOff. Схема упра<strong>в</strong>ления IntelliOff<br />
поз<strong>в</strong>оляет изменять скорость разряда емкостей<br />
зат<strong>в</strong>ора <strong>в</strong> процессе <strong>в</strong>ыключения IGBT.<br />
Принцип ее работы поясняется графиками,<br />
при<strong>в</strong>еденными на рис. 8.<br />
При поступлении на <strong>в</strong>ход драй<strong>в</strong>ера сигнала<br />
<strong>в</strong>ыключения сило<strong>в</strong>ого транзистора, он формирует<br />
на зат<strong>в</strong>оре отрицательное напряжение V GEoff ,<br />
при<strong>в</strong>одящее к акти<strong>в</strong>ному разряду <strong>в</strong>ходной C GE<br />
и обратной емкости C GC . Для ускорения процесса<br />
<strong>в</strong>ыключения IGBT он начинается при минимальном<br />
значении резистора зат<strong>в</strong>ора R Goff , ток<br />
зат<strong>в</strong>ора I G при этом достигает с<strong>в</strong>оего предельного<br />
значения (интер<strong>в</strong>ал <strong>в</strong>ремени t 0 ). После того как<br />
сигнал упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>ором уменьшится до порого<strong>в</strong>ого<br />
значения, начинается рост напряжения<br />
«коллектор–эмиттер» V CE . Вследст<strong>в</strong>ие обратной<br />
с<strong>в</strong>язи за счет эффекта Миллера V GE при этом стабилизируется<br />
на уро<strong>в</strong>не V GE(pl) до окончания интер<strong>в</strong>ала<br />
t 1 . Схема IntelliOff поз<strong>в</strong>оляет сократить<br />
длительность «плато Миллера» за счет <strong>в</strong>ысокой<br />
скорости разряда Q g .<br />
После того как прекратится компенсирующее<br />
дейст<strong>в</strong>ие тока зат<strong>в</strong>ора, на<strong>в</strong>еденного через<br />
емкость Миллера, начинается резкий спад тока<br />
коллектора I C , сопро<strong>в</strong>ождаемый <strong>в</strong>сплеском напряжения<br />
V CE (интер<strong>в</strong>ал <strong>в</strong>ремени t 2 ). В этот момент<br />
схема упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>ором у<strong>в</strong>еличи<strong>в</strong>ает<br />
значение R Goff , снижая таким образом скорость<br />
изменения тока di/dt. При пра<strong>в</strong>ильном <strong>в</strong>ыборе<br />
Рис. 8. Режим акти<strong>в</strong>ной защиты от перенапряжений IntelliOff<br />
соотношения сопроти<strong>в</strong>лений зат<strong>в</strong>ора описанный<br />
алгоритм упра<strong>в</strong>ления IntelliOff обеспечи<strong>в</strong>ает<br />
быстрое и безопасное запирание IGBT при<br />
минимальном уро<strong>в</strong>не динамических потерь<br />
и перенапряжения. Но<strong>в</strong>ая концепция упра<strong>в</strong>ления<br />
зат<strong>в</strong>орами особенно <strong>в</strong>остребо<strong>в</strong>ана для но<strong>в</strong>ых<br />
поколений IGBT, отличающихся <strong>в</strong>ысокими<br />
скоростями переключения и жесткими требо<strong>в</strong>аниями<br />
по режимам перегрузки. Переход на тонкопленочные<br />
технологии потребо<strong>в</strong>ал сокращения<br />
нормиро<strong>в</strong>анного <strong>в</strong>ремени КЗ с 10 до 6 мкс,<br />
что с<strong>в</strong>язано со сложностью рассеяния большой<br />
энергии, запасаемой <strong>в</strong> режиме перегрузки <strong>в</strong> тонкопленочных<br />
чипах. Оче<strong>в</strong>идно, что концепция<br />
IntelliOff имеет <strong>в</strong> этом плане неоспоримые<br />
преимущест<strong>в</strong>а, поскольку не создает <strong>в</strong> режиме<br />
КЗ дополнительных потерь мощности, неизбежных<br />
<strong>в</strong> режиме акти<strong>в</strong>ного ограничения.<br />
Заключение<br />
Одной из <strong>в</strong>ажнейших функций схемы<br />
упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>орами IGBT я<strong>в</strong>ляется безопасное<br />
и быстрое отключение сило<strong>в</strong>ого каскада<br />
<strong>в</strong> случае токо<strong>в</strong>ой перегрузки. Концепция построения<br />
«идеальной» схемы защиты за<strong>в</strong>исит<br />
от конкретного применения, диапазона<br />
мощности и усло<strong>в</strong>ий эксплуатации сило<strong>в</strong>ого<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя. Механизмы <strong>в</strong>озникно<strong>в</strong>ения<br />
отказо<strong>в</strong> могут отличаться для различных систем,<br />
поэтому они должны быть проанализиро<strong>в</strong>аны<br />
на этапе проектиро<strong>в</strong>ания с учетом<br />
указанных факторо<strong>в</strong>.<br />
Использо<strong>в</strong>ание драй<strong>в</strong>ера зат<strong>в</strong>оро<strong>в</strong> для постоянной<br />
коррекции режимо<strong>в</strong> работы не я<strong>в</strong>ляется<br />
рациональным решением и <strong>в</strong>едет к снижению<br />
надежности. Функция интеллектуального отключения<br />
IntelliOff поз<strong>в</strong>оляет решить задачу<br />
ограничения коммутационных <strong>в</strong>ыбросо<strong>в</strong> при<br />
отключении тока КЗ и одно<strong>в</strong>ременно снизить<br />
энергию потерь <strong>в</strong>ыключения. При этом мониторинг<br />
напряжения насыщения V CEsat остается<br />
самым надежным способом <strong>в</strong>ыя<strong>в</strong>ления состояния<br />
токо<strong>в</strong>ой перегрузки. Этот метод имеет ряд<br />
оче<strong>в</strong>идных преимущест<strong>в</strong> перед детектиро<strong>в</strong>анием<br />
di/dt, гла<strong>в</strong>ным из которых я<strong>в</strong>ляется простота<br />
адаптации к конкретной схеме применения<br />
и параметрам сило<strong>в</strong>ого модуля.<br />
Разработчики схем упра<strong>в</strong>ления изолиро<strong>в</strong>анными<br />
зат<strong>в</strong>орами предлагают множест<strong>в</strong>о <strong>в</strong>арианто<strong>в</strong><br />
защиты, отличающихся набором базо<strong>в</strong>ых<br />
функций, сер<strong>в</strong>исом, <strong>в</strong>озможностями настройки.<br />
При использо<strong>в</strong>ании простейших<br />
драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong> часть функций защиты приходится<br />
переда<strong>в</strong>ать упра<strong>в</strong>ляющему контроллеру, как<br />
пра<strong>в</strong>ило, способному реагиро<strong>в</strong>ать только<br />
на «медленные» а<strong>в</strong>арийные состояния. С другой<br />
стороны, применение избыточных систем<br />
защиты зачастую при<strong>в</strong>одит к чрезмерному<br />
усложнению и удорожанию кон<strong>в</strong>ертора. Для<br />
поиска оптимального с экономической и технической<br />
точки зрения решения разработчик<br />
преобразо<strong>в</strong>ательной системы должен понимать<br />
механизмы <strong>в</strong>озникно<strong>в</strong>ения перегрузок<br />
и оцени<strong>в</strong>ать их опасность <strong>в</strong> за<strong>в</strong>исимости<br />
от конкретных усло<strong>в</strong>ий работы.<br />
Литература<br />
1. www.semikron.com<br />
2. Колпако<strong>в</strong> А. Драй<strong>в</strong>еры MOSFET/IGBT —<br />
идеология ядра // Электронные компоненты.<br />
2006. № 6.<br />
3. Колпако<strong>в</strong> А. SKYPER 52 — цифро<strong>в</strong>ой драй<strong>в</strong>ер<br />
для применений <strong>в</strong>ысокой мощности //<br />
Сило<strong>в</strong>ая <strong>электроника</strong>. 2008. № 3.<br />
44 www.power-e.ru
Change language