Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника

More documents

Recommendations

Info

Силовая Электроника, № 5’2010 Силовая элементная база по току имеют низкое напряжение насыщения, но худшую стойкость к перегрузкам, чем транзисторы с бóльшим значением V CE(sat) . Рис. 2. Испытания сборки IGBT при «полумягком» КЗ каждого ключа инвертора IGBT в состояние самоограничения (линейный режим) напряжение на коллекторе возрастает, что приводит к рассеянию очень большой мощности в кристаллах (график P V на рис. 1). В нашем «тестовом» случае отключение IGBT происходит примерно через 10 мкс, хотя нормированное время КЗ для модулей данного типа составляет 6 мкс. В реальных применениях защита современных драйверов срабатывает через 2–3 мкс после индикации выхода IGBT из насыщения. На рис. 2 показаны эпюры тока I C и напряжения V CE при поочередном включении модулей SKiiP испытуемого 3-фазного инвертора на кабель длиной 1 м (L S ≈ 1 мкГн). Подобные испытания являются обязательными для всех IGBT-сборок, производимых дизайн-центром компании SEMIKRON во Франции. Уровень перенапряжения при отключении служит интегральной оценкой величины распределенной индуктивности ЗПТ, позволяющей оценить качество DC-шины. Для модулей 12 класса напряжение DC-шины при подобных испытаниях составляет 900 В, что на 50–100 В превышает предельно допустимое значение. Короткое замыкание нагрузки включенного транзистора Этот режим является гораздо более жестким, чем в предыдущем случае, и он также наблюдается на практике. При замыкании плеча, являющегося оппозитным уже открытому транзистору, у последнего происходит скачкообразный рост напряжения «коллектор–эмиттер» (V CE/SC на рис. 3в), приводящий к увеличению напряжения на затворе V GE вследствие эффекта Миллера (верхний график на рис. 3а). В результате этого ток КЗ возрастает до аномального уровня I C/SCM (рис. 3б), и нахождение транзистора при такой нагрузке может оказаться фатальным даже при быстрой реакции схемы защиты. Для предотвращения данной ситуации в некоторых схемах управления предусмотрено ограничение напряжения на затворе. Например, в новейшем драйвере SKYPER 52 для этой цели используется диод Шоттки между затвором и питанием (+15 В) выходного каскада. Как было отмечено выше, установившееся значение тока КЗ определяется напряжением на затворе. В то же время уменьшение этого напряжения приводит к повышению напряжения насыщения и, следовательно, к росту потерь проводимости. Устойчивость к КЗ тесно связана и с крутизной транзистора: IGBT с высоким коэффициентом усиления Рис. 3. «Жесткий» режим короткого замыкания (КЗ включенного IGBT) а б в Сквозное короткое замыкание транзисторов полумоста Условия и результаты испытаний: • температура кристалла Tj = +150 °C; • напряжение на DC-шине V CC = 600 В; • перенапряжение на терминалах модуля V CEM = 960 В; • пиковый ток I CM = 1265 A; • длительность импульса КЗ t pulse = 10 мкс; • номинальный ток коллектора I Cnom = 300 A. Ситуация, описанная в данном разделе, является наиболее стрессовой для силовых ключей, и она должна быть полностью исключена в реальных условиях работы. Подобный режим, как правило, используется для оценки стойкости IGBT к предельным состояниям (рис. 4). Для имитации режима сквозного КЗ применяются специальные тестовые драйверы с отключенной опцией INTERLOCK (запрет одновременного включения транзисторов полумоста). Рис. 4. «Сквозной» режим короткого замыкания: зеленый — ток коллектора I C ; бирюзовый — напряжение «коллектор-эмиттер» V CE ; коричневый — мощность потерь P V Защитные функции драйверов К наиболее опасным неисправностям силовых преобразовательных устройств, требующим мгновенной реакции схемы защиты, относятся короткое замыкание и перенапряжение, наводимое при отключении тока перегрузки. При возникновении состояния КЗ в цепи нагрузки или пробое одного из ключей моста происходит лавинообразный рост тока коллектора исправного IGBT, приводящий к его выходу из насыщения. В этом состоянии транзистор может находиться только очень непродолжительное время (10 мкс для IGBT прежних поколений и 6 мкс для новых тонкопленочных чипов), что связано с рассеянием большой величины энергии в кристаллах. Чтобы предотвратить разрушение модуля вследствие теплового удара, состояние перегрузки должно быть выявлено и прекращено в течение короткого времени. Мониторинг режима КЗ производится с по- 42 www.power-e.ru
Силовая Электроника, № 5’2010 Силовая элементная база а а б б) мониторинга напряжения насыщения V ствию электромагнитных помех (как в случае токовых датчиков, подобный алгоритм реализован Рис. 6. Динамический режим работы схемы защиты от перегрузки по току: a) номинальный режим; б) режим аварийного отключения б боем выхода на корпус или сквозным током при нормирования параметров каждой ступени. открывании (или пробое оппозитного транзистора). Гораздо более надежным и эффективным способом Рис. 5. Схема: а) детектирования di/dt; Данный способ является достаточно бы- стродействующим, не подверженным воздейзок детектирования «медленных» перегру- является использование интегрированных CE(sat) мощью измерения скорости изменения тока коллектора di/dt или напряжения насыщения «коллектор–эмиттер» V CE(sat) . Определение величины di/dt производится с помощью схемы, показанной на рис. 5а. Падение напряжения на паразитной индуктивности между силовым и дополнительным сигнальным выводом эмиттера пропорционально скорости изменения тока коллектора. Сравнение величины измеренного сигнала с опорным напряжением позволяет детектировать состояние «быстрого» КЗ. Однако мониторинг «медленного» короткого замыкания требует использования резистивного элемента в измерительной цепи и внутренней соединительной шины между силовым и сигнальным эмиттером. На точность измерения влияет качество винтовых соединений силовых терминалов, неизбежно вносящих искажения в характеристику контактного сопротивления. Поэтому контроль di/dt с помощью дополнительного индукционных датчиков тока), он не приводит к дополнительным потерям мощности, создаваемым резистивными шунтами. Схему мониторинга DESAT необходимо блокировать в течение некоторого времени T bl (blanking time) после подачи отпирающего напряжения на затвор транзистора. Между моментом включения транзистора и его входом в насыщение существует задержка, равная сумме времени задержки включения t don и времени спада V CE . До полного открывания IGBT на коллекторе присутствует достаточно высокое напряжение, которое может быть воспринято схемой защиты как перегрузка по току. Адаптация схемы мониторинга напряжения насыщения к параметрам конкретного силового модуля, как правило, производится с помощью подстроечных элементов. Графики, приведенные на рис. 6, показывают, как меняется опорное напряжение схемы защиты V CEref при открывании транзистора (момент времени T on ) при нормальной работе (а) и перегрузке (б). При возникновении аварийной ситуации напряжение V CEsat в интеллектуальных модулях SKiiP. Кроме возможности мониторинга различных видов КЗ, важной характеристикой схемы защиты является скорость отклика на сигнал неисправности. В некоторых сложных системах, к которым относятся, например, многоуровневые конверторы, процессом отключения системы управляет контроллер верхнего уровня. В этом случае задачей драйвера является формирование изолированного сигнала неисправности и передача этого сигнала главному процессору, определяющему порядок запирания транзисторов. Например, в многоуровневых преобразователях прямое отключение драйвером силовых ключей недопустимо, поскольку может привести к появлению на одном из IGBT полного напряжения питания на время передачи сигнала неисправности и получения команды контроллера. Тем не менее в большинстве практических применений защита от токовых перегрузок является функцией драйвера, способного обеспечить быструю и адекватную реакцию. эмиттерного вывода может использоваться сравнивается с опорным напряжением, после чего отключаются силовые транзисторы. только для мониторинга быстрой токовой перегрузки. Динамический характер изменения опорного Коммутационные перенапряжения Зависимость напряжения насыщения V CE(sat) от тока коллектора задается прямой характеристикой транзистора, приводимой на графике V CE = f(I C ). Чтобы уровень отключения тока перегрузки был коррелирован с заданным значением, опорный сигнал V CEref должен изменяться по закону, близкому к кривой спада напряжения «коллектор– эмиттер» V CE . Подобная идеология защиты носит название DSCP (Dynamic Short Circuit Protection) (рис. 6). Мониторинг напряжения насыщения (V CEsat ) является наиболее известным и распространенным методом выявления состояния КЗ, в англоязычной литературе он носит название DESAT (от desaturation — выход из насыщения). Контроль V CEsat позволяет выявить перегрузку по току, вызванную замыканием нагрузки, про- напряжения, согласованный с кривой спада напряжения «коллектор–эмиттер», позволяет сократить время реакции (уменьшить T bl ) и снизить риск ложных срабатываний. При отсутствии состояния перегрузки опорное напряжение схемы защиты и напряжение насыщения V CEsat достигают установившегося значения V CEstat . Если индуктивность L S цепи КЗ оказывается достаточно большой, ток перегрузки будет нарастать сравнительно медленно, что требует специальной адаптации схемы DESAT. В этом случае может быть использован многоступенчатый мониторинг напряжения насыщения, при котором определяется несколько значений опорного сигнала и времени измерения. Недостатком данного метода является высокая температурная зависимость и сложность Перенапряжения, образующиеся при коммутации IGBT из-за наличия распределенных индуктивностей силовых шин, также относятся к «быстрым» перегрузкам. В отличие от них внешние всплески напряжения, приходящие со стороны сети, относятся к «медленным», их ограничение выполняется с помощью фильтров и полупроводниковых супрессоров. Снижение уровня коммутационных перенапряжений, возникающих при прерывании тока КЗ, осуществляется с помощью режима плавного (SSD, STO) или двухуровневого отключения. В первом случае ограничение режимов на уровне, удовлетворяющем требованиям области безопасной работы (SOA), обеспечивается благодаря снижению скорости выключения di/dt за счет увеличения номинала резистора затвора R Goff . www.power-e.ru 43
Page 1: Силовая Электроник

Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?