Силовая электроника №3'2006

Унифицированная серия драйверов для IGBT силовых модулей

Виталий Червенков
Алексей Клоков
Вячеслав Мускатиньев


Надежная работа преобразователей частоты и импульсных источников питания на основе IGBT во многом определяется как надежностью применяемых силовых ключей, так и организацией правильного управления и защиты IGBT силовых модулей. Эти функции и обеспечиваются драйверами управления IGBT. В данной статье представлена последняя серия драйверов, разработанных в ОАО «Электровыпрямитель» и применяемых в новой серии преобразователей частоты «Омега-2».


Драйвер управления IGBT является промежуточным согласующим устройством между процессором (схемой управления) и силовыми ключами. Драйвер предназначен для выполнения двух основных функций:

  1. Формирование сигнала управления на затворе IGBT в соответствии с командами процессора.
  2. Диагностика состояния (наличие или отсутствие тока перегрузки), своевременное выключение силового транзистора и передача сигнала об аварии IGBT на процессор.

Параметры и функциональные особенности драйверов определяются свойствами IGBT, который управляется данным драйвером. Они зависят от класса и тока коллектора транзистора, частоты коммутации и схемы силовой части преобразователя. Для некоторых недорогих преобразовательных устройств, особенно для маломощных импульсных источников питания, для управления IGBT могут применяться драйверы, в которых вообще отсутствует функция диагностики перегрузки силового транзистора.

Однако в сложных преобразователях, предназначенных для работы с высокими мощностями, крайне необходима высокоэффективная система защиты силовых модулей от перегрузки и короткого замыкания. Несвоевременное обнаружение тока перегрузки и недостаточно эффективный метод вывода силового транзистора из этого состояния («жесткое» выключение тока короткого замыкания) могут привести не только к выходу из строя силового модуля, но и повреждению других элементов преобразователя [1]. Драйвер, как непосредственно связанный с силовым ключом элемент схемы, является наиболее предпочтительным устройством для мониторинга состояния IGBT.

В связи с увеличением значения номинального рабочего тока на единичный ключ повышаются требования к конструкции силовых шин, паразитная индуктивность которых оказывает большое влияние на потери мощности и величину индуктивных выбросов при коммутации IGBT. Наилучшие результаты, безусловно, приносит применение между IGBT силовыми модулями и фильтром питания плоскопараллельных шин в виде «сэндвича» [2]. При этом, если возникает ток короткого замыкания, даже малой индуктивности плоскопараллельных шин достаточно, чтобы при резком выключении IGBT возник импульс перенапряжения, который в большинстве случаев приводит к выходу транзисторного ключа из строя. Поэтому выключение IGBT при коротком замыкании должно происходить по определенному алгоритму («плавное» или «мягкое» выключение), который обеспечивается характеристиками драйвера.

Кроме перечисленных, правильно построенный драйвер управления выполняет дополнительные функции (включая самодиагностику — мониторинг питания), направленные на минимизацию вероятности выхода из строя дорогостоящего IGBT силового модуля [3].

В ОАО «Электровыпрямитель» разработана серия драйверов для управления IGBT силовыми модулями на токи от 25 до 1600 А и напряжения до 1200 В. Все драйверы выполняют одинаковые главные функции, а именно:

  • обеспечивают включение силового транзистора низким уровнем ТТЛ из системы управления с частотой переключения до 20 кГц;
  • обеспечивают на затворе силового транзистора отпирающее напряжение не ниже +17 В, задержка включения не превышает 1 мкс, время нарастания напряжения — не более 0,4 мкс;
  • обеспечивают на затворе силового транзистора запирающее напряжение не выше -5 В, задержка выключения не превышает 0,4 мкс, время спада напряжения — не более 0,2 мкс;
  • обеспечивают защиту силового транзистора при перегрузке по току или коротком замыкании в нагрузке, определяемом по ненасыщенному состоянию транзистора, путем плавного его запирания. Задержка срабатывания защиты — 3 мкс, задержка начала выключения — 4,5 мкс, время спада напряжения — около 8 мкс;
  • обеспечивают защиту силового транзистора от пробоя при выбросе напряжения на коллекторе выше 1000 В методом частичного открытия IGBT;
  • ограничивают  напряжение   между  затвором и эмиттером на уровнях +18 В и-6 В.

Характерные осциллограммы приведены на рис. 1-4.

Рис. 1. Входной и выходной сигналы при нормальной работе
Рис. 1. Входной и выходной сигналы при нормальной работе
Рис. 2. Процесс включения
Рис. 2. Процесс включения
Рис. 3. Процесс выключения при нормальной работе
Рис. 3. Процесс выключения при нормальной работе
Рис. 4. Процесс «мягкого» выключения IGBT при срабатывании защиты
Рис. 4. Процесс «мягкого» выключения IGBT при срабатывании защиты

Кроме того, все драйверы передают в систему управления сигнал об аварийном выключении силового транзистора и об опасном снижении напряжения питания драйвера. Схема защиты сбрасывается низким уровнем ТТЛ из системы управления. Знак выходного напряжения драйверов индицируется светодиодом на плате драйвера или адаптера: зеленым цветом — для положительного напряжения, красным — для отрицательного.

Входные цепи всех драйверов идентичны, входные и выходные сигналы поступают через оптопары, обеспечивающие изоляцию при разности потенциалов входных и выходных цепей драйверов до 2500 В. К системе управления драйверы подключаются через вилку типа WF-6, кабельная розетка типа HU-6. Назначение контактов приведено в таблице.

Таблица. Назначение контактов
Таблица. Назначение контактов

Питание выходных цепей драйверов осуществляется симметричным прямоугольным напряжением с амплитудой 12 В и частотой 40 кГц, подаваемым на первичную обмотку изолирующего трансформатора с блока питания через вилку типа WF-2, кабельная розетка типа HU-2. В качестве блока питания может использоваться плата ДЖИЦ.301411.107, также разработанная в ОАО «Электровыпрямитель». Переменное напряжение со вторичной обмотки преобразуется в постоянные напряжения +6 В, +18 В и -6 В.

Выходные цепи всех драйверов подобны и отличаются только числом параллельно соединенных силовых транзисторов в выходном усилительном каскаде, зависящем от мощности управляемого силового модуля, а также способом подключения к модулю.

Большинство зарубежных фирм производит драйверы, предназначенные для крепления непосредственно на корпус силового модуля для повышения помехоустойчивости силовой части преобразователя. Драйверы ОАО «Электровыпрямитель», предназначенные для управления мощными IGBT силовыми модулями в корпусах 130x140 и 140x190 мм, разделены на две части: собственно плата драйвера и адаптер. Единственной зарубежной фирмой, использующей подобное разделение драйвера, является фирма Eupec. По этой концепции, часть элементов драйвера (высоковольтные диоды, защитные цепи затвора) выносится на отдельную плату, которая крепится непосредственно на силовой модуль, а драйвер располагается в любом удобном месте около модуля. Данное решение упрощает разделение высоковольтных цепей диагностики IGBT и низковольтной части драйвера. Кроме этого, защитные цепи затвора максимально приближены к управляющим выводам затвора и эмиттера модуля, что минимизирует наводки в цепях управления и повышает эффективность защиты от перенапряжения.

Особенностью пары «драйвер-адаптер» разработки ОАО «Электровыпрямитель» является то, что на плату адаптера вынесен также выходной усилительный каскад. Это позволяет для всех исполнений силовых модулей применять один и тот же драйвер, меняя только адаптер (или его параметры для разных силовых модулей в одних и тех же конструктивных исполнениях).

Исполнения драйверов.

  1. Драйвер ДЖИЦ.687252.054 одноканальный, габаритные размеры 100x45x17 мм, амплитуда выходного тока до 5 А, выходные контакты — вилка типа MPW-4, кабельная розетка типа MHU-4, предназначен для одиночных ключей и чопперов на токи от 50 до 600 А и напряжение до 1200 В в корпусах 34x94 и 61,5x106,5 мм.
  2. Драйвер ДЖИЦ.687253.321 двухканальный, габаритные размеры 100x95x17 мм, амплитуда выходного тока до 5 А, выходные контакты — вилка типа MPW-4, кабельная розетка типа MHU-4, предназначен для полумостов на токи от 50 до 300 А и напряжение до 1200 В в корпусах 34x94 и 61,5x106,5 мм.
  3. Драйвер ДЖИЦ.687252.084 одноканальный, без выходного усилительного каскада и защитных цепей, габаритные размеры 70x45x17 мм, предназначен для работы в паре с одним из адаптеров, данные которых приведены ниже. Платы адаптеров крепятся винтами на выводы управления силового модуля. Платы драйверов могут находиться в любом удобном месте. Драйверы и адаптеры снабжены вилками типа WF-5 и соединяются кабелем с розетками HU-5.
    • Адаптеры ДЖИЦ.687253.416 и ДЖИЦ. 687253.417 одноканальные, габаритные размеры 65x62x17 мм, амплитуда выходного тока до 10 А, предназначены соответственно для левого и правого ключей полумостов и чопперов на токи от 400 до 1200 А и напряжение до 1200 В в корпусах 140x190 мм.
    • Адаптер ДЖИЦ.687252.085 одноканальный, габаритные размеры 83x46x17 мм, амплитуда выходного тока до 15 А, предназначен для одиночных ключей на токи от 800 до 1600 А и напряжение до 1200 В в корпусах 140x190 мм.

Все драйверы и адаптеры могут быть применены для управления аналогичных силовых модулей других производителей. Платы драйвера, которые используются без адаптера, должны находиться вблизи управляемого модуля.

Структурные схемы драйвера и адаптера приведены на рис. 5 и 6.

Рис. 5. Структурная схема драйвера
Рис. 5. Структурная схема драйвера
Рис. 6. Структурная схема адаптера
Рис. 6. Структурная схема адаптера

Питающее переменное напряжение через разъем X2, силовой трансформатор T1 поступает на выпрямитель RECT1. Компаратор COMP1 при нормальном выпрямленном напряжении поддерживает на выходе оптопары низкий уровень сигнала PC. При высоком уровне сигнала на выходе оптопары F1 уровень высокий. При этом включен генератор тока GT2, а генераторы тока GT1, GT3 выключены, напряжение на конденсаторе C2 отрицательно, и через буферный усилитель A1 и выходные каскады драйвера (двухтактный эмиттерный повторитель V3, V4) оно поступает на затвор G модуля. Открытый ключ KL4 поддерживает отрицательное напряжение на входе компаратора COMP3. При низком уровне сигнала генератор тока GT2 выключается, а GT1 и GT3 включаются. Конденсатор C2 быстро заряжается, положительное напряжение через буферный усилитель A1 и выходные каскады драйвера открывает силовой транзистор модуля. Балластная емкостная нагрузка на выходе драйвера, конденсатор C6, нивелирует крутизну фронтов выходных импульсов при различной входной емкости модулей и предотвращает высокочастотный звон. Диоды V6, V7 обрезают выбросы напряжения на затворе, которые могут возникнуть в процессе переключения силового модуля. Защитная цепочка R7, V9, V10 защищает силовой модуль от высоковольтных выбросов на коллекторе, возникающих при запирании силового транзистора, приоткрывая транзистор на время выброса. Светодиод V8 — двухцветный. Если модуль нормально нагружен, напряжение на его коллекторе становится низким и ток генератора тока GT3 протекает через R4 и V5, а напряжение на конденсаторе C3 остается ниже порога срабатывания компаратора COMP3. При перегрузке силового модуля напряжение на C3 через некоторое время превышает порог, импульс с выхода COMP3 включает триггер, выполненный на компараторе COMP2 с положительной обратной связью. Ключи KL1 и KL3 замыкаются и выключают генераторы тока GT1 и GT3, после чего конденсатор C2 плавно разряжается через резистор R1, в результате силовой транзистор модуля выключается мягко, что предпочтительнее резкого запирания в режиме короткого замыкания. Оптопара F2 включает низкий уровень сигнала . Выход драйвера из состояния защиты осуществляется низким уровнем сигнала RES, который включает оптопару F4 и возвращает триггер в исходное состояние.

На рис. 7-9 приведены фотографии некоторых плат драйверов и адаптеров.

 

Рис. 7. Драйверы ДЖИЦ.687252.084 с левым и правым адаптерами ДЖИЦ.687253.416 и ДЖИЦ.687253.417
Рис. 7. Драйверы ДЖИЦ.687252.084 с левым и правым адаптерами ДЖИЦ.687253.416 и ДЖИЦ.687253.417
Рис. 8. Адаптер ДЖИЦ.687252.085
Рис. 8. Адаптер ДЖИЦ.687252.085
Рис. 9. Драйвер ДЖИЦ.687752.054
Рис. 9. Драйвер ДЖИЦ.687752.054

Заключение

Надежная работа силовых IGBT силовых модулей определяется не только надежностью самих полупроводниковых приборов, но и их правильным управлением и защитой. Поэтому всегда необходимо рассматривать надежность работы именно пары элементов преобразователя — IGBT и драйвера управления.

ОАО «Электровыпрямитель», предлагая широкую номенклатуру современных IGBT силовых модулей, имеет возможность делать комплектные поставки модулей и драйверов.

Литература

  1. Бормотов А. Т., Мартыненко В. А., Муска-тиньев В. Г. Некоторые вопросы эксплуатации IGBT-модулей // Компоненты и технологии. 2005. № 5.
  2. Schiitze Th. Design Aspects for Inverters with IGBT High Power Modules // Eupec GmbH, Warstein. Germany. 1998.
  3. Флоренцев С. Н., Аванесов В. М. Управление силовыми транзисторами с изолированным затвором // Электротехника. 2000. № 12.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_03_36.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо