Igbt драйвер что это
Переключение напряжений порядка сотен вольт - техническая проблема. Если мы к этому добавим значительные значения тока, протекающего через ключ, дело станет еще более сложным. Это именно то, для чего предназначены транзисторы IGBT.
Описанная схема используется для включения и выключения нагрузки постоянного тока с напряжением питания до 600В и потребляемым током до 27А — это то, что позволяет транзистор типа IRG4PC50U. IGBT-транзисторы имеют одну особенность, отличную от MOS-FET-транзисторов, в насыщении они характеризуются постоянным напряжением UCEsat вместо сопротивления канала RDSon. MOSFET-транзисторы, предназначенные для работы при высоких напряжениях, характеризуются относительно высоким сопротивлением открытого канала, и оно составляет несколько сотен миллиом (обычно 0,3 . 1).
Поскольку мощность, потерянная на резисторе, а открытый канал можно рассматривать как прямо пропорционально квадрату тока, протекающего через него, выше определенного значения его значение окажется, что первоначально предполагаемое усиление, являющееся результатом использование полевого МОП-транзистора не произойдет, предельный ток можно рассчитать по формуле, полученной после нескольких простых решений.
Для используемого транзистора (UCEsat = 1,65В) и указанных значений RDSon значение Igran находится в диапазоне 1,65 . 5,5А. Это относительно небольшие токи с учетом возможностей транзистора IGBT. Например, когда через MOSFET протекает ток 20 А, потери на нем составляют 120 . 400Вт, а на IGBT теряется только 33Вт. Схема исполнительного модуля представлена на рисунке.
Роль драйвера выполняет TLP250 так называемая опто раскачка и имеет опторазвязку между входом и выходом. Силовой транзистор включается, т. е. на его затвор подается напряжение с ножки V +, включением светодиода входящего в состав микросхемы. Выключение, в свою очередь, заключается в подаче напряжения на затвор с вывода V–. Резистор R2 ограничивает ток затвора, протекающий во время перезарядки.
Резистор R3 закорачивает затвор с эмиттером, что предотвращает случайное включение транзистора при отсутствии напряжения для питания микросхемы TLP250. Диоды D2 и D3 ограничивают напряжение затвор-эмиттер до безопасного значения (примерно ± 16В), которое для подавляющего большинства транзисторов IGBT составляет ± 20В.
Резистор R1 ограничивает ток, протекающий через диод TLP250, до значения около 8 мА при входном напряжении 5В. Конденсатор С5 это емкость, рекомендованная производителем, она стабилизирует работу внутреннего операционного усилителя. Диод D4 защищает транзистор от скачков напряжения противоположной полярности. Вся конструкция собрана на односторонней печатной плате размером 60x60 мм, которая представлена на рисунке.
Транзистор Т1 и диод D4 прикрутить к магнитоле; при этом позаботьтесь о гальванической развязке между металлическими вставками этих элементов. Дорожки к разъемам J3 и J4 должны быть утолщены, если через них будет протекать ток более нескольких ампер. Схема должна питаться от симметричного источника питания с напряжением ± 12 . 15В.
Однако допустимо использование несимметричного источника питания, который давал бы постоянное напряжение в диапазоне 12 . 15В на выходе. Он должен быть подключен к "+" и "клеммам". GND "разъема J2, и соединить клемму" - "перемычкой с выводом " GND ".
В этом случае элементы C2 и C4 по очевидным причинам не нужны. Со стороны выхода этот исполнительный механизм следует рассматривать как схему с общим эмиттером, J3 подключен к низкому потенциалу, а J4 к высокому потенциалу. Источник питания TLP250 и эмиттер транзистора гальванически связаны друг с другом.
Практически любой разработчик в области силовой электроники знает, что такое драйвер IGBT-транзистора, что он собой представляет и как выглядит. Есть и понимание того, что драйвер выполняет защитные функции. Однако зачем нужна какая-то функция, как выглядит ее работа и каковы ее типовые характеристики — это не всегда понятно. Для устранения возможных пробелов в понимании защиты силового транзистора и того, как эту защиту реализует драйвер, и предназначена данная статья.
Встроенные защиты драйвера
На сегодня драйвер IGBT-транзисторов — это законченный узел со сложившимся перечнем функций. Помимо основной функции — гальванически развязанной передачи логического сигнала управления в сигнал управления затвором транзистора, — драйвер выполняет и защитные функции. При этом практически все драйверы всех производителей содержат одинаковые виды защиты, список которых представлен в таблице.
Тип защиты
Аварийная ситуация
Защита (функция)
По сквозному току
Сбой цепей управления
Блокировка одновременного включения
Наложение открытых состояний ключей полумоста
Формирование «мертвого времени»
на переключение
Перенапряжение цепи управления затвором
Защита перехода затвор-эмиттер
Коммутационные импульсы напряжения в нагрузке
Защита перехода коллектор-эмиттер
Выход транзистора из ключевого режима
Защита по недонапряжению затвора
Превышение предельнодопустимого тока транзистора
Защита по ненасыщению
Указанный в таблице перечень функций достаточен для практически гарантированной защиты транзистора от выхода из строя при аварийных ситуациях. Реже встречаются и другие защиты, например по температуре, по входному напряжению питания, по максимальной частоте управления и т. п. Однако эти виды защиты понятны, универсальны, и говорить о них именно в контексте драйвера нецелесообразно. К тому же, разумеется, не все драйверы содержат все указанные в таблице функции, но для относительно мощных драйверов данный перечень фактически неизменен. Примером драйвера со всеми представленными защитами служит ДР2180П-Б3 (функциональный аналог 2SP0320T от Power Integration), чья структурная схема приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема драйвера
Ниже будут рассмотрены все эти функции по отдельности, причем безотносительно конкретно указанного драйвера, а именно как отдельные функционально законченные структуры.
Блокировка одновременного включения
Блокировка одновременного включения необходима для предотвращения сквозного тока короткого замыкания при одновременном открытии транзисторов полумоста. Пример работы защиты приведен на рис. 2. Как видно, фактически логика работы этой защиты представляет собой 2И-НЕ. Встречаются и другие алгоритмы, например, в последнем поколении драйверов Power Integration при наличии «лог. 1» на обоих входах управления открывается только один ключ, второй закрыт. Таким образом, один из входов является разрешающим, что удобно для формирования двух противофазных сигналов из одного управляющего меандра, но собственно полная блокировка полумоста при этом отсутствует. Также блокировка одновременного включения не используется в отдельных схемах, например при управлении косым мостом от одного двухканального драйвера.
Рис. 2. Блокировка одновременного включения
Формирование «мертвого времени» на переключение
«Мертвое время» на переключение необходимо, чтобы избежать наложения открытых состояний ключей при их переключении и сформировать задержку на обратные токи диодов. При малом «мертвом времени», а тем более при его отсутствии, неизбежны кратковременные импульсы сквозного тока на каждом переключении, что как минимум приводит к необязательным тепловым потерям, а как максимум — к выходу из строя. Как правило, «мертвое время» формируется введением задержки по переднему фронту управляющего сигнала и отсутствием задержки на заднем фронте. В результате выходной сигнал отстает на включении, что продемонстрировано на рис. 3. Поскольку такое отставание формируется для обоих каналов, в итоге на выходах (рис. 4) возникают импульсы с паузами, что и является «мертвым временем».
Рис. 3. Принцип формирования «мертвого времени»
Рис. 4. «Мертвое время» на выходах драйвера
Защита от недонапряжения затвор-эмиттер
Защита от недонапряжения в затворе обязательно вводится даже для маломощных драйверов, в том числе для всех драйверных микросхем. Причина тому — неизбежность низкого напряжения управления даже при штатной работе драйвера при его включении и выключении, то есть в режимах пониженного напряжения питания. И хотя эти переходные процессы относительно коротки (не более десятков миллисекунд), при наличии силового напряжения питания даже такое время работы транзистора в «линейном» режиме практически наверняка приведет к его тепловому пробою по причине выхода транзистора из ключевого режима из-за смещения рабочей точки вниз по его ВАХ. Пример работы защиты приведен на рис. 5.
Рис. 5. Срабатывание защиты от недонапряжения
Существуют схемы, в которых специально используется режим работы при пониженном напряжении управления, например с целью снижения тока КЗ. В драйверах таких схем защита от недонапряжения либо отсутствует, либо смещена по порогу. Но это редкость. В обычном драйвере пороги включения/выключения защиты всегда составляют 9–11 В/10–12 В. Такой диапазон напряжения объясняется все той же ВАХ практически любого IGBT- или MOSFET-транзистора. Гистерезис же необходим во избежание относительно высокочастотной модуляции сигнала управления защитой при перегрузке выхода DC/DC-преобразователя драйвера.
Защита от перенапряжения коллектор-эмиттер
Назначение этой защиты объяснять излишне, а вот принцип работы active clamping не всегда понятен. На самом деле принцип работы защиты довольно прост: в простейшем случае между коллектором и затвором силового транзистора устанавливается цепочка ограничителей на необходимое напряжение ограничения (рис. 1). При выключении транзистора выброс напряжения приводит к отпиранию ограничителей и напряжение с коллектора поступает в затвор, в результате транзистор снова «приоткрывается», как следствие, сопротивление коллектор-эмиттер уменьшается, выброс напряжения «нагружается» и его амплитуда падает. Далее напряжение в затворе снова уменьшается, снова амплитуда выброса увеличивается, снова напряжение с коллектора отпирает затвор и т. д. Таким образом и осуществляется активное ограничение напряжения на коллекторе, то есть защита от перенапряжения коллектор-эмиттер. Примеры выключения с транзистора с отключенной и подключенной защитой приведены на рис. 6, 7.
Рис. 6. Сигнал при отсутствующей защите от перенапряжения
Рис. 7. Сигнал при срабатывании защиты от перенапряжения
Следует отметить, что данная защита используется далеко не во всех драйверах и больше характерна для драйверов Plug-n-play, в частности все того же Power Integration. Причина тому следующая: нет принципиальных преимуществ такой защиты относительно простого Z-снаббера в цепи коллектор-эмиттер, зато есть целый перечень возможных проблем — слишком долгая работа транзистора в активном режиме; возбуждение схемы при наличии КЗ в нагрузке; сквозной ток из-за того, что транзистор не успел выключиться до включения второго транзистора полумоста; перегрузка выхода драйвера (так как, по определению, в выход поступает положительное напряжение при установлении отрицательного напряжения) и т. п. Но тем не менее при корректном использовании данной защиты она может оказаться наиболее эффективным решением проблемы перенапряжения.
Защита по ненасыщению
Защита по ненасыщению предназначена для аварийного выключения силового транзистора при его выходе из режима насыщения в результате недопустимого тока в нагрузке (обычно из-за КЗ). Принцип работы защиты основан на том, что драйвер контролирует падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер в периоды отпирающего сигнала на затворе. Если падение напряжения превышает установленный порог, драйвер снимает отпирающий сигнал управления и переходит в аварийный режим работы (выдача статусного сигнала аварии, формирование блокировки управления, перезапуск и т. п.). Таким образом, драйвер не допускает работу транзистора при токе КЗ больше допустимого времени (как правило, задержка срабатывания защиты составляет 1–10 мкс) и его выход из строя. Пример срабатывания защиты по ненасыщению приведен на рис. 8.
Рис. 8. Срабатывание защиты по ненасыщению
Нередко разработчик преобразователя категорически неправильно понимает назначение данной защиты. Защита по ненасыщению не предотвратит выход из строя транзистора по причине токовой перегрузки, а срабатывание защиты при штатной работе преобразователя недопустимо. Первое объясняется тем, что падение напряжения на транзисторе очень нелинейно в зависимости от тока. Например, транзистор на ток 100 А: при 10 А у него будет падение порядка 2 В, при 100 А — порядка 2,5 В, при 200 А (уже недопустимая, двукратная перегрузка) — порядка 3 В, а защита сработает только при 10 В (типовое напряжение срабатывания), а это уже ток порядка 500 А. Потому фактически это лишь защита от КЗ: от превышения максимального тока преобразователя она не защищает и в принципе защитить не может. Исходя из этого объясняется второе: ни в каких штатных режимах работы преобразователя защита по ненасыщению срабатывать не должна; это именно аварийная защита.
Плавное выключение
Плавное выключение, как правило, сопутствует защите по ненасыщению и предназначено для уменьшения индуктивного выброса на выключении при разрывании тока КЗ в момент аварийного отключения транзистора при срабатывании защиты по ненасыщению. Принцип защиты основан на имитации увеличения сопротивления затворного резистора путем уменьшения импульсного тока драйвера и тем самым увеличения выходного сопротивления драйвера. Как следствие, транзистор выключается значительно медленнее, что позволяет избежать индуктивного выброса на выключении. И поскольку индуктивный выброс особенно опасен при больших токах (тем более ток КЗ), то и плавное выключение формируется именно при срабатывании защиты по ненасыщению. Примеры выключения транзистора при наличии плавного выключения и при его отсутствии (на одном и том же коммутируемом токе) приведены на рис. 9, 10.
Рис. 9. Сигнал при отсутствующем плавном выключении
Рис. 10. Сигнал при наличии плавного выключения
Нередко, если говорить о маломощных драйверах, плавное выключение при срабатывании защиты по ненасыщению не используется, что объясняется относительно малыми токами КЗ и, соответственно, относительно неопасным обратным выбросом при КЗ. Однако лучше все же предусмотреть плавное выключение и на малых мощностях, лишним оно точно не будет.
Заключение
Зачастую разработчик использует в преобразователе не готовый драйвер стороннего производителя, а драйвер собственной разработки. Хорошо, если этот драйвер собран на основе специализированных микросхем типа HCPL-316J или серии аналогичных драйверов от Infineon. Хуже, если драйвер собран на полностью самостоятельных, универсальных элементах, что является нормой, например, при разработке преобразователя с «приемкой 5». В этом случае зачастую защиты не предусматриваются, или алгоритм их работы выбран некорректно, или неверны настройки… Действительно, все это не оказывает на работу драйвера и преобразователя никакого влияния, пока не происходит аварийной, а еще чаще — просто сбойной ситуации. Здесь уже, как правило, безобидный режим приводит к выходу из строя. Индуктивный выброс и выход из строя ключа происходит при нештатном выключении транзистора (если сработала защита), которого вполне можно было избежать введением плавного выключения. Кратковременная, некритичная просадка питания, приведшая к срабатыванию защиты по недонапряжению, низкочастотной модуляции выходного сигнала, итог которой — «разнос» по току преобразователя. Игнорирование блокировки одновременного включения, а в итоге помеха по питанию при включении оборудования в соседнем цеху, нештатное отпирание ключа и выход из строя по сквозному току. И многое другое. Все эти защиты не просто так были созданы, их функционирование оттачивалось многими именитыми производителями и они должны быть в драйвере. Но даже для тех, кто не занимается собственной разработкой драйверов, приведенной выше информацией нужно владеть хотя бы для общего развития, как специалисту силовой электроники.
Для правильного выбора и расчета IGBT-драйвера необходимо решить несколько задач. Эти вопросы лишь частично освещены в описаниях IGBT-модулей. Так, например, широко распространено допущение, что значение входной емкости Ciss, указанное в описании модуля, соответствует той входной емкости, которая действительно используется в конструкциях. Много разработчиков впоследствии часто попадали в эту ловушку.
Николай Сагайдаков
Определение заряда и емкости затвора IGBT
Наиболее важный параметр, который необходимо определить, — это заряд затвора. Как правило, этот параметр во многих случаях не указывается в описаниях IGBT или описан в неявном виде. Тем не менее, он может быть определен с помощью сравнительно простых измерений. Для этих целей IGBT должен быть подключен к драйверу. Лучше всего использовать драйвер, разработанный для данного IGBT. Иначе говоря, схема должна вырабатывать необходимое напряжение для управления, требуемое в конкретном изделии (например ±15 В). Поэтому, прежде всего, нужно произвести измерение, не включая напряжение в цепи нагрузки.
Заряд затвора вычисляется по формуле:
Для определения Q измеряют напряжение на затворе и интегрируют полученные результаты (проще всего это сделать с помощью осциллографа). С помощью формулы:
вычисляем эффективную входную емкость (см. рисунок).
Заряд и ток затвора, напряжение на затворе для BSM200GB120DN2
Значение Сiss, приводимое в описании, не совсем то, которое надо учитывать при разработке. Оно получено с помощью измерительного моста. Измерительное напряжение, используемое в данном процессе, гораздо ниже порогового напряжения затвора, таким образом, эффект внутренней обратной связи, проявляющийся в процессе включения (эффект Миллера), не указывается в спецификации. С целью его учета в измерительной цепи к коллектору приложено напряжение 25 В. При этом напряжении все внутренние емкости меньше, чем при Uce = 0 В. Поэтому значение Ciss может быть использовано только лишь для сравнения различных IGBT. Исходя из опыта использования IGBT-модулей выведена эмпирическая формула соотношения между Ciss и Cin, обеспечивающая достаточную точность расчета
Значение Ciss можно взять из описания конкретного IGBT.
Вычисление мощности драйвера
Энергия, накопленная во входной емкости Cin, определяется следующим образом:
Необходимо заметить, что значение ΔU — это полный уровень напряжения управления, т. е. ΔU = 30 В означает ±15 В на выходе драйвера. Так как затвор перезаряжается дважды при прохождении импульса управления, то мощность, необходимая для управления IGBT, вычисляется следующим образом:
Или если заряд затвора был определен с помощью осциллографа:
То есть драйвер использует такую мощность для управления каждым IGBT. Затвор перезаряжается практически без потерь. Потери происходят на внешних или внутренних (встроенных в IGBT-модуль или кристалл) резисторах в цепи затвора. При выборе встроенного DC/DC-преобразователя для драйвера необходимо учитывать потери в его цепях.
Вычисление тока затвора
Максимальный выходной ток драйвера должен быть равным или выше максимального тока затвора, который определяется как
Значение RG(min) приводится в описаниях каждого IGBT для включения и выключения.
Выбор подходящего драйвера
Подходящий драйвер должен отвечать следующим условиям:
- Обеспечивать достаточную выходную мощность.
- Максимальный выходной ток должен быть равным или превышать входной ток затвора.
Пример расчета
Найдем подходящий драйвер для 200 А IGBT-модуля BSM200GB120DN2, управляемый частотой 8 кГц. Первый параметр, который мы найдем, — это заряд затвора (см. рисунок).
Два значения ΔU и Q получаем с помощью измерений (см. рисунок).
Вычисляем необходимую мощность драйвера
Далее добавляем мощность на внутренние потери драйвера (0,4 Вт):
Потери, определяемые частотой переключения, незначительны для 8 кГц.
Ток затвора для резистора в цепи затвора 4,7 Ом
Подходящий драйвер для данной конструкции IHD280 — интеллектуальный полумостовой драйвер со встроенным DC/DC-преобразователем мощностью 2 Вт (по 1 Вт на канал) и максимальным током 8 А.
Что такое БТИЗ (IGBT)
Итак, БТИЗ - это в некоторой степени уникальный прибор, в котором самым удачным образом соединены полевой и биполярный транзисторы.
Принцип работы изделия заключен в следующем: как только поступает U «+» между затвором и истоком, происходит открытие полевого транзистора, иначе говоря формируется N канал. В результате этого начинается перемещение заряженных частиц из участка N в участок P и это, в свою очередь, заставляет открываться биполярный транзистор и это обеспечивает протекание электрического тока по пути эмиттер-коллектор.
Графически транзистор выглядит следующим образом:
Основные параметры изделия
К основным параметрам таких транзисторов относят:
1. Напряжение управления. Разность потенциалов управляющие работой затвора.
2. Максимально допустимый ток.
3. Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.
4. Ток отсечки эмиттер-коллектор.
5. Напряжение насыщения.
7. Индуктивность паразитного плана.
8. Время задержки подключения.
9. Время задержки выключения.
10. Сопротивление внутреннее.
Преимущества и особенности IGBT транзисторов
1. Предельно простая параллельная схема.
2. Минимум потерь.
3. Высокая плотность тока.
4. Повышенная устойчивость к коротким замыканиям.
5. Минимальные потери в открытом состоянии.
6. Сохранение работоспособности при высоких температурах (работает при температуре выше 100 градусов по Цельсию).
7. Работа с высоким напряжением (более 1 кВ) и высокой мощностью (более 5 кВт).
Когда проектируются системы с БТИЗ транзисторами, обязательно учитывают существующие ограничения по максимальному току. И для этих целей используют следующие возможности: точный выбор тока защиты, выбор сопротивления затвора, использование возможных обходных цепочек коммутирования.
Область применения
В большинстве случаев IGBT используются в высоковольтных сетях напряжением до 6,5 кВ для стабильного, а самое главное, безопасного функционирования оборудования в нештатном режиме короткого замыкания.
Эти свойства позволяют использовать транзисторы в частотно-регулируемых приводах, инверторах, регуляторах тока импульсного типа и еще в сварочных аппаратах современного типа.
Помимо этого БТИЗ используются в системах приводов управления электровозов, а так же троллейбусов.
Кроме этого биполярные транзисторы с изолированным затвором можно встретить в стиральных машинах, посудомойках, инверторных кондиционерах и т. п.
Как видите IGBT транзисторы активно используются в современном мире. Если вы хотите узнать каким образом их можно проверить с помощью обычного мультиметра и много другой полезной информации, тогда подпишитесь, поставьте лайк и сделайте репост!
Любому разработчику электроники знаком термин «драйвер». В силовой электронике так называют микросхему или устройство, управляющее полупроводниковым модулем (MOSFET, IGBT, тиристор и т.д.) и выполняющее защитные и сервисные функции. Главной задачей, решаемой схемой управления затвором, является согласование уровней импульсов, вырабатываемых контроллером, с сигналами управления входами силовых ключей. В статье рассматриваются базовые принципы управления изолированным затвором, даются рекомендации по расчету характеристик и выбору устройств управления.
Характеристика затвора и динамические свойства IGBT
Драйвер изолированного затвора MOSFET/IGBT, как связующее звено между контроллером и силовым каскадом, является одним из ключевых компонентов преобразовательного устройства. Характеристики схемы управления во многом определяют параметры самого преобразователя - величину статических и динамических потерь, скорость переключения, уровень электромагнитных помех. С этой точки зрения расчету режимов управления и выбору драйвера следует уделять самое пристальное внимание.
Поведение IGBT в динамических режимах в первую очередь зависит от значения емкостей затвора, а также внутреннего и внешнего импеданса цепи управления.
Рис. 1. Паразитные емкости IGBT
На рисунке 1 показаны основные паразитные емкости переходов, нормируемые в технических характеристиках:
CGE - емкость «затвор - эмиттер»;
CCE - емкость «коллектор - эмиттер»;
CGC - емкость «затвор - коллектор» (или емкость Миллера).
Емкости затвора не изменяются с температурой, а их зависимость от напряжения «коллектор-эмиттер» становится более выраженной при снижении значения VCE. Заряд затвора QG, определяемый значениями CGC и CGE, является ключевым параметром при расчете мощности, рассеиваемой схемой управления.
Поведение IGBT при его открывании полностью определяется характеристикой заряда затвора. Упрощенные эпюры напряжения «затвор-эмиттер» VGE, тока затвора IG, тока коллектора IC и напряжения «коллектор-эмиттер» VCE в процессе перехода транзистора в насыщенное состояние представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Упрощенные эпюры процесса включения IGBT
Процесс включения IGBT условно можно разделить на три этапа, которые связаны с первичным зарядом входной емкости CGE, зарядом емкости Миллера CGС и, наконец, полным зарядом CGE, идущим до насыщения транзистора.
Рассмотрим более подробно процесс включения транзистора, эпюры которого представлены на рисунке 2. На отрезке времени t0 происходит начальный заряд входной емкости затвора CGE. Для упрощения будем считать, что заряд производится постоянным током, поэтому данному этапу соответствует первый линейный участок нарастания напряжения VGE, который продолжается до момента времени t1. В этой точке напряжение затвора достигает порогового значения отпирания транзистора VGE(th). В зависимости от свойств транзистора и импеданса цепи управления, ток затвора IG на данном участке может достигать значения в несколько десятков Ампер. Поскольку до точки t1 напряжение затвора находится ниже порога отпирания, отсутствует ток коллектора IC, а напряжение «коллектор-эмиттер» VCЕ остается равным напряжению питания VCC.
Как только сигнал управления становится выше порогового значения, начинается включение IGBT, характеризующееся ростом тока коллектора до значения, ограничиваемого нагрузкой (ICload). Сказанное справедливо при использовании идеального оппозитного диода, в реальных схемах амплитуда тока в момент включения несколько превышает величину ICload. Причиной этого является процесс обратного восстановления диода, в результате чего ток восстановления Irr добавляется к IC на время перехода диода в непроводящее состояние. Именно поэтому напряжение VCE на отрезке времени t1 остается на прежнем уровне.
Далее сигнал управления затвором достигает величины VGE(pl), носящей название «плато Миллера», она поддерживается в течение промежутков времени t2 и t3. На этом же этапе после полного выключения оппозитного диода начинается спад напряжения коллектора VCE, скорость которого dVCE/dt во время t2 достаточно высока. Она снижается на промежутке t3, в течение которого транзистор переходит в насыщенное состояние. Все это время в соответствии с графиком, приведенным на рисунке 1b, емкость Миллера CCG возрастает и заряжается частью тока затвора IGС, что и обусловливает стабилизацию сигнала управления затвором на уровне VGE(pl).
В начале временного отрезка t4 транзистор уже полностью включен, а емкость CCG - заряжена. Экспоненциально спадающий ток затвора продолжает поступать во входную емкость CGE, доводя напряжение на ней до максимального значения VGE(on), определяемого схемой управления. В конце данного этапа величина VCE достигает своего минимума, называемого напряжением насыщения VCEsat.
При выключении транзистора описанные процессы происходят в обратном порядке.
Измерение характеристик затвора
На рисунке 3а показана схема, которая может быть использована для измерения заряда затвора. Включение и выключение IGBT производится от источника стабилизированного тока +IG/-IG.
Рис. 3. а) схема измерения заряда затвора, b) типовая характеристика затвора VGE = f(t) « VGE = f(QG), c) экстраполяция характеристики
К транзистору прикладывается напряжение питания VCC, амплитуда импульса тока коллектора ICpulse ограничена величиной нагрузки RL. Поскольку ток затвора стабилен, напряжение VGE изменяется линейно на каждом временном участке, так же линейно, в соответствии с соотношением QG = IG × t идет накопление заряда. Вследствие этого, изменение напряжения на затворе оказывается эквивалентно характеристике затвора: VGE = f(t) « VGE = f(QG), как показано на рисунке 3b. Данный метод определения характеристики QG описан в документе IEC 60747-9, Ed.2: «Semiconductor Devices - discrete Devices - Part 9: Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBT).
Если в спецификации транзистора приводится только положительная область характеристики, то суммарное значение QG может быть определено с помощью экстраполяции, как показано на рисунке 3с. Светло-зеленый прямоугольник представляет собой квадрант величин, нормированных в технических характеристиках. С помощью параллельного переноса этой зоны вдоль графика QG до значения VG(off) можно получить характеристику, расположенную в 1 и 3 квадрантах.
Заряд затвора QG можно также определить расчетным способом на основании величины входной емкости Ciss:
QG = CG × (VG(on) - VG(off)), где CG = kC × Ciss
Коэффициент пересчета емкости затвора kC определяется в соответствии с выражением kC = QG(ds)/(Cies × (VG(on) - VG(off))),
где QG(ds) - номинальное значение заряда, нормируемое в спецификациях при заданных напряжениях управления VG(on)/VG(off).
Ток затвора и выходная мощность драйвера
Мощность, необходимая драйверу для коммутации IGBT, является функцией частоты коммутации fsw и энергии E, необходимой для заряда и разряда емкостей затвора. Таким образом, выходная мощность схемы управления изолированным затвором PGD(out) определяется по следующей формуле: PGD(out) = E × fsw.
В свою очередь величина Е зависит от значения заряда затвора QG и перепада управляющего напряжения dVG: E = QG × (VGon - VGoff). Отсюда результирующее выражение для определения мощности драйвера: PGD(out) = QG × (VGon - VGoff) × fsw.
Еще одним важным параметром является величина тока затвора IG, которого должно быть достаточно для коммутации упомянутых выше емкостей и, следовательно, для переключения IGBT. На рисунке 4 показано, как распределяется ток управления затвором IGBT IG между его входными емкостями CGE и CGC.
Рис. 4. Емкости и токи затвора
Минимальная величина IG может быть рассчитана следующим образом: IG=IGE + IGC = QG × fsw.
В свою очередь пиковое значение тока затвора IGpeak, определяющее скорость перезаряда QG, непосредственно влияет и на скорость переключения IGBT. При увеличении значения IGpeak сокращается время включения ton и выключения toff и соответственно уменьшаются коммутационное потери. Это неизбежно влияет и на другие важные динамические свойства IGBT, например, на величину коммутационного всплеска напряжения при выключении, зависящего от скорости спада тока di/dt. С этой точки зрения повышение скорости коммутации является в большей степени негативным фактором, снижающим надежность работы устройства.
Теоретическое пиковое значение тока затвора определяется по формуле IGpeak = (VG(on) - VG(off))/(RG + RG(int)), где RG(int) - внутренний импеданс цепи управления, включающий резистор, устанавливаемый внутри модуля IGBT. На практике амплитуда тока оказывается несколько меньше расчетного уровня из-за наличия распределенной индуктивности цепи управления.
Максимально допустимое значение выходного тока, как и минимальная величина RG, как правило, указывается в спецификации драйвера. Необходимо учесть, что несоблюдение требований по ограничению предельной величины IGpeak может привести к выходу схемы управления из строя.
Выбор драйвера
При выборе устройства управления затвором IGBT необходимо принимать во внимание следующие требования:
- справочное значение среднего тока драйвера IGav должно быть выше расчетного значения, а максимально допустимая величина его пикового тока IGpeak должна быть равной или превышать реальное значение, ограниченное импедансом цепи управления;
- выходная емкость схемы управления (емкость, установленная по питанию выходного каскада) должна быть способной запасать заряд (QC = C × U), необходимый для коммутации IGBT;
С помощью приведенных выше формул и выражений разработчик может определить все необходимые параметры схемы управления затвором. Для автоматизации этого процесса специалисты компании SEMIKRON разработали простую программу DriverSEL, позволяющую определить все необходимые параметры и произвести выбор соответствующего драйвера.
На рисунке 5 показано рабочее окно программы DriverSel, состоящее из трех фрагментов: меню ввода данных, результаты расчетов и типы драйверов, рекомендуемые SEMIKRON для заданных режимов работы.
Рис. 5. Рабочее окно программы DriverSel
Для расчета DriverSel необходима следующая информация:
- тип модуля (в данном случае SEMiX 653GD176HDc), при этом программа получает из базы данных информацию о заряде затвора QG, рабочем напряжении и конфигурации модуля;
- количество параллельно соединенных модулей - это число позволяет определить суммарный заряд затвора, на основании чего производится расчет мощности, рассеиваемой драйвером;
- рабочая частота fsw - информация, также необходимая для определения рассеиваемой мощности;
- номинал резистора затвора.
Если выбрать режим «User Defined Module Parameters» (параметры модуля, определяемые пользователем), то появится дополнительное меню, состоящее из трех окон:
- Gate charge per module (заряд затвора модуля в мкКл);
- Collector - Emitter Voltage (напряжение «коллектор - эмиттер»);
- Number of switch per module (количество ключей в модуле: 1- одиночный ключ, 2- полумост, 6- 3-фазный мост, 7- 3-фазный мост с тормозным чоппером).
Для корректной работы DriverSel, требуется указать два значения заряда затвора: для напряжения открывания транзистора +15 В и напряжения запирания -8 В.
Величина резистора затвора RG необходима для вычисления пикового тока управления. На основании полученных данных программа будет выбирать драйвер с соответствующим значением предельного тока. Если номиналы резисторов для режимов включения и выключения RGon/RGoff различаются, то нужно использовать минимальное значение. Если величина резистора неизвестна, можно задать величину 10 Ом, при этом необходимо учесть, что рекомендуемое минимальное значение RGmin будет показано в результатах расчетов.
Введя требуемые данные, Вы получите в результате рекомендации «Suggestion for SEMIKRON IGBT driver» в виде, представленном в нижней части рисунка 2:
- Number of Drivers- необходимое для данного модуля количество схем управления (например, три полумостовых драйвера для 3-фазного модуля);
- IoutPEAK- пиковое значение выходного тока драйвера, определяемое по формуле IoutPEAK= VGE/RG;
- IoutAVmax, RGmin, VS- справочные значения среднего тока, минимального резистора затвора и напряжения питания для драйвера данного типа.
Программа выдает замечание «A suitable driver could not be found», если для заданных условий корректно выбрать устройство управления невозможно. Это может быть в случае, если суммарный заряд затвора оказывается недопустимо большим (большое количество параллельно соединенных модулей), слишком велика частота коммутации или указанный резистор затвора меньше минимально возможного значения.
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Читайте также: