Силовая электроника №4'2007

Подавление эффекта Миллера в схемах управления MOSFET / IGBT

Гери О

Одной из основных проблем, с которой часто приходится сталкиваться разработчикам преобразователей частоты, является возникновение сквозного тока в полумостовых каскадах, вызванное ложным отпиранием транзистора из-за наличия емкости Миллера в структуре IGBT. В предлагаемой статье анализируются технические и экономические аспекты четырех различных способов подавления эффекта паразитного включения транзистора, причиной которого является емкость Миллера «коллектор — затвор».

Чаще всего IGBT с рабочим напряжением 1200 В используются в трехфазных инверторах промышленных приводов. Для подобных применений в первую очередь требуется надежная электрическая изоляция и минимальный уровень шумов. Кроме того, силовая часть инвертора должна хорошо управляться и иметь специальную схему защиты, обеспечивающую надежное функционирование изделия. В типовых схемах промышленных приводных инверторов наличие емкости Миллера в модулях IGBT может привести к возникновению сквозных токов при больших скоростях переключения dV/dt транзисторов. Этот эффект неоднократно наблюдался разработчиками, особенно при использовании драйверов с однополярным выходным напряжением (0/+15 В). Большая скорость переключения IGBT (высокое значение dV/dt) приводит к возникновению тока в цепи затвора. При высокой скорости переключения этот ток будет протекать через емкость Миллера, расположенную между коллектором и затвором транзистора. Данный эффект способен вызвать ложное открывание IGBT и появление сквозного тока через оба транзистора полумоста, следствием которого может быть выход их из строя.

При открывании IGBT верхнего плеча напряжение «коллектор – эмиттер» противоположного транзистора уменьшается со скоростью dVCE/dt. Фронт этого напряжения наводит ток, протекающий через емкость Миллера, затворный резистор и выходной каскад драйвера, что создает падение напряжения на активном сопротивлении в цепи затвора (рис. 1). Если образующийся потенциал превысит пороговое напряжение затвора IGBT VGE (th), произойдет ложное открывание транзистора.

Ложное включение IGBT нижнего уровня из-за влияния емкости Миллера

Необходимо принять во внимание, что для порогового напряжения отпирания характерен отрицательный температурный коэффициент (как правило, он составляет несколько мВ/°C), и данное напряжение падает по мере нагрева кристаллов IGBT. Соответственно с ростом температуры увеличивается вероятность ложного открывания транзистора из-за тока, наведенного фронтом напряжения VCE.

В технической литературе приводится три классических способа преодоления указанной проблемы:

  • разделение резисторов включения и выключения RGon/RGoff в цепи затвора;
  • включение конденсатора между затвором и эмиттером;
  • использование отрицательного напряжения запирания.

Существует еще одно, простое и эффективное решение, заключающееся в активном ограничении наведенного на затвор напряжения.

Разделение резисторов включения и выключения в цепи затвора

Величина резистора включения RGon в цепи затвора IGBT существенно влияет на его динамические характеристики. Увеличение RG уменьшает изменение напряжения и тока в цепи затвора, но одновременно приводит к росту потерь включения Eon. Разделенные резисторы в цепи затвора RGon/RGoff показаны на рис. 2.

Разделенные резисторы в цепи затвора Rgon/Rgoff

Снизить вероятность ложного включения можно за счет снижения номинала резистора RGoff в цепи выключения затвора. Использование меньшего значения RGoff позволяет также снизить потери выключения Eoff. Однако в этом случае возрастает и скорость выключения dI/dt, что приводит к возникновению перенапряжений и осцилляций в цепи коллектора из-за наличия паразитной распределенной индуктивности силовых шины LS. При неудачной конструкции шин значение LS может оказаться так велико, что перенапряжение ΔV, пропорциональное скорости выключения и индуктивности ΔV = LS × dI/dt, способно привести к пробою транзистора. Чтобы избежать этого, в ряде случаев приходится использовать IGBT с большим значением рабочего напряжения VCE.

Таким образом, основной задачей при проектировании силового импульсного каскада является нахождение компромисса между динамическими характеристиками и надежностью, поиск оптимального сочетания параметров схемы управления, динамических потерь и безопасного уровня переходных перенапряжений. Поиск оптимума подразумевает, что идеального решения здесь быть не может.

Конденсатор в цепи «затвор – эмиттер»

Установка дополнительного конденсатора между затвором и эмиттером IGBT (рис. 3) неизбежно влияет на его динамические свойства. При установке Cge увеличивается суммарный заряд затвора, необходимый для достижения порогового напряжения отпирания IGBT. Емкость Cge ослабляет влияние эффекта Миллера, заряжаясь создаваемым им током и препятствуя таким образом возникновению тока в цепи затвора.

Дополнительный конденсатор между затвором и эмиттером

Однако описанный способ очень редко используется на практике, поскольку увеличение емкости в цепи затвора приводит к повышению мощности, рассеиваемой схемой управления, и росту потерь переключения IGBT.

Отрицательное напряжение запирания IGBT

Отрицательное напряжение VGoff для безопасного выключения IGBT наиболее часто используется в мощных схемах, работающих с токами более 100 А (рис. 4). Такое решение является наиболее простым и надежным, так как при наличии достаточного отрицательного напряжения на затворе паразитный импульс, наведенный через емкость Миллера, не способен сместить потенциал VG до порогового значения.

Отрицательное напряжение питания

Однако применение данной схемы несколько повышает стоимость преобразователя, так как требует дополнительного источника питания и повышает потери схемы управления. Именно поэтому такое решение, как правило, не используется в маломощных инверторах.

Активное подавление эффекта Миллера

Очевидным способом предотвращения ложного срабатывания из-за эффекта Миллера является активное ограничение напряжения на затворе IGBT (рис. 5). Схема реализуется с помощью внешнего биполярного p-n-p транзистора, замыкающего цепь «затвор – эмиттер» при достижении напряжением VGE определенного значения. В этом случае ток, наводимый через емкость Миллера, шунтируется открывающимся транзистором и течет через него, минуя цепь затвора IGBT.

Активное подавление эффекта Миллера с помощью дополнительного биполярного транзистора

В отличие от описанных выше схем с раздельными резисторами затвора и конденсатором Cge, при использовании метода активного подавления эффекта Миллера удается ограничивать напряжение затвора на безопасном уровне при любых режимах работы. Таким образом, данная схема может рассматриваться как наиболее универсальное средство борьбы с ложными срабатываниями, пригодное для использования практически в любых импульсных преобразователях. Единственным и естественным недостатком данного решения является необходимость установки дополнительного транзистора и некоторого количества пассивных компонентов, что приводит к некоторому повышению стоимости схемы управления.

Первые два способа, описанные в данной статье, применяются в основном для относительно маломощных применений с током не более 25 А, когда стоимость готового устройства в значительной мере зависит от цены комплектующих. Использование отрицательного напряжения запирания затвора и метод активного ограничения являются оптимальными решениями для более мощных преобразовательных устройств, таких как промышленные приводы, источники бесперебойного питания, мощные преобразователи частоты, в которых надежность и безотказность имеют решающее значение.

Вариант устройства с шунтированием цепи «затвор – эмиттер» для подавления эффекта Миллера аппаратно является более дешевым, чем схема с отрицательным напряжением выключения IGBT. Однако в применениях с током более 100–120 А, как правило, используются готовые драйверы с встроенным источником отрицательного напряжения и двуполярным выходным сигналом, что исключает необходимость в применении каких-либо внешних узлов. Тем не менее, в ряде случаев в преобразователях большой мощности, в которых устанавливаются силовые ключи с очень высоким значением емкости Миллера, может возникнуть необходимость в применении режима активного ограничения.

В интеллектуальных силовых модулях IGBT, популярность которых в последние годы неуклонно растет, схема активного ограничения эффекта Миллера, как правило, является встроенным узлом драйвера, интегрированным вместе с другими необходимыми видами защит: от перегрузки по току (OCP, DESAT) и падения напряжения управления (UVLO). Возможность применения подобных интеллектуальных силовых ключей высокой степени интеграции позволяет упростить процесс разработки и снизить стоимость готовых изделий для широкого класса промышленных и бытовых применений силовой электроники.

Литература

  1. Avago Gate Optocoupler Datasheet ACPL-332J / ACPL-331J.
  2. Active Miller Clamp, Avago Application Note AN5315.
  3. Semikron Application Manual, Chapter 3.5. Driver.
  4. Semikron Application Manual, Chapter 1. Power Semiconductor Basics.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_04_28.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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