Защитные функции современных драйверов IGBT

Крапп Йохан

Перевод: Колпаков Андрей

Для надежной защиты силовых полупроводниковых приборов от различного вида перегрузок необходимо устройство, обеспечивающее быструю реакцию на аварийное состояние и безопасное отключение силовых ключей. В силовой электронике эту функцию выполняет системный контроллер или драйвер, управляющий затворами IGBT-модулей. Как правило, задачей контроллера является формирование сигнала неисправности в случае, когда проблема не требует мгновенной реакции, например при перегреве. Драйвер IGBT, в свою очередь, должен реагировать при возникновении т. н. «быстрых ошибок», к которым относится, например, перегрузка по току. Существует несколько концепций построения схем защиты силовых ключей, отличающихся областью применения, видом анализируемых неисправностей, а также набором сервисных функций.

Режимы короткого замыкания

Для понимания принципов работы схем защиты от перегрузки по току необходимо проанализировать поведение силовых транзисторов в режиме короткого замыкания (КЗ).

Причины возникновения токовых перегрузок разнообразны, чаще всего это аварийные случаи, такие как пробой на корпус или замыкание нагрузки. Перегрузка может быть вызвана и особенностями схемы, например переходным процессом или током обратного восстановления диода оппозитного плеча. Подобные проблемы должны быть устранены схемотехническими и технологическими методами: применением цепей формирования траектории (снабберов), выбором резисторов затвора, изоляцией цепей управления от силовых шин и др. Основные режимы короткого замыкания и их особенности рассмотрены далее на примере IGBT-модуля SKM300GB12T4, выполненного по новейшей технологии Trench 4.

Включение транзистора при коротком замыкании в цепи нагрузки

Условия и результаты испытаний:

  • температура кристалла Tj = +150 °C;
  • напряжение на DC-шине VCC = 900 В;
  • перенапряжение на терминалах модуля VCEM = 1160 В;
  • пиковый ток ICM = 1715 A;
  • длительность импульса КЗ tpulse = 10 мкс;
  • номинальный ток коллектора ICnom = 300 A.

«Полумягкий» режим короткого замыкания, при котором IGBT включается на кабель известной длины, довольно часто встречается на практике и используется рядом производителей в качестве «тестового». Это состояние легко реализуемо в лабораторных условиях и не приводит к фатальным повреждениям ключей, особенно если испытания проводятся при пониженном напряжении на DC-шине.

Максимальный ток в цепи коллектора транзистора ограничен напряжением на затворе и крутизной транзистора. Из-за наличия большой емкости звена постоянного тока (ЗПТ) он практически не зависит от внутреннего сопротивления источника питания. Для современных технологий IGBT т. н. «ток самоограничения» (self-limit current) при заданном напряжении на затворе (как правило, VGE = 15 В) примерно в 5–6 раз превышает номинальное значение ICnom.

В момент включения ток коллектора плавно нарастает в соответствии с выражением VCC = LS×dIC/dt, где LS — индуктивность цепи КЗ. После перехода IGBT в состояние самоограничения (линейный режим) напряжение на коллекторе возрастает, что приводит к рассеянию очень большой мощности в кристаллах (график PV 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.



Рис. 1. «Полумягкий» режим короткого замыкания (включение IGBT на КЗ-кабель): красный — напряжение на затворе VGE; зеленый — ток коллектора IC; бирюзовый — напряжение «коллектор- эмиттер» VCE; коричневый — мощность потерь PV

На рис. 2 показаны эпюры тока IC и напряжения VCE при поочередном включении модулей SKiiP испытуемого 3-фазного инвертора на кабель длиной 1 м (LS ≈ 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.



Рис. 2. Испытания сборки IGBT при «полумягком» КЗ каждого ключа инвертора

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» (VCE/SC на рис. 3в), приводящий к увеличению напряжения на затворе VGE вследствие эффекта Миллера (верхний график на рис. 3а). В результате этого ток КЗ возрастает до аномального уровня IC/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.



Рис. 3. «Жесткий» режим короткого замыкания (КЗ включенного IGBT)

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 по току имеют низкое напряжение насыщения, но худшую стойкость к перегрузкам, чем транзисторы с бóльшим значением VCE(sat).

Сквозное короткое замыкание транзисторов полумоста

Условия и результаты испытаний:

  • температура кристалла Tj = +150 °C;
  • напряжение на DC-шине VCC = 600 В;
  • перенапряжение на терминалах модуля VCEM = 960 В;
  • пиковый ток ICM = 1265 A;
  • длительность импульса КЗ tpulse = 10 мкс;
  • номинальный ток коллектора ICnom = 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 IC; бирюзовый — напряжение «коллектор-эмиттер» VCE; коричневый — мощность потерь PV

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 помощью измерения скорости изменения тока коллектора di/dt или напряжения насыщения «коллектор–эмиттер» VCE(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 эмиттерного вывода может использоваться только для мониторинга быстрой токовой перегрузки.



Рис. 5. Схема: а) детектирования di/dt; б) мониторинга напряжения насыщения VCE(sat)

Зависимость напряжения насыщения VCE(sat) от тока коллектора задается прямой характеристикой транзистора, приводимой на графике VCE = f(IC). Чтобы уровень отключения тока перегрузки был коррелирован с заданным значением, опорный сигнал VCEref должен изменяться по закону, близкому к кривой спада напряжения «коллекторэмиттер» VCE. Подобная идеология защиты носит название DSCP (Dynamic Short Circuit Protection) (рис. 6).



Рис. 6. Динамический режим работы схемы защиты от перегрузки по току: a) номинальный режим; б) режим аварийного отключения

Мониторинг напряжения насыщения (VCEsat) является наиболее известным и распространенным методом выявления состояния КЗ, в англоязычной литературе он носит название DESAT (от desaturation — выход из насыщения). Контроль VCEsat позволяет выявить перегрузку по току, вызванную замыканием нагрузки, пробоем выхода на корпус или сквозным током при открывании (или пробое оппозитного транзистора). Данный способ является достаточно быстродействующим, не подверженным воздействию электромагнитных помех (как в случае индукционных датчиков тока), он не приводит к дополнительным потерям мощности, создаваемым резистивными шунтами.

Схему мониторинга DESAT необходимо блокировать в течение некоторого времени Tbl (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 tdon и времени спада VCE. 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 VCEref при открывании транзистора (момент времени Ton) при нормальной работе (а) и перегрузке (б). При возникновении аварийной ситуации напряжение VCEsat сравнивается с опорным напряжением, после чего отключаются силовые транзисторы. Динамический характер изменения опорного напряжения, согласованный с кривой спада напряжения «коллектор–эмиттер», позволяет сократить время реакции (уменьшить Tbl) и снизить риск ложных срабатываний. При отсутствии состояния перегрузки опорное напряжение схемы защиты и напряжение насыщения VCEsat достигают установившегося значения VCEstat.

Если индуктивность LS 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 нормирования параметров каждой ступени. Гораздо более надежным и эффективным способом детектирования «медленных» перегрузок является использование интегрированных токовых датчиков, подобный алгоритм реализован 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.

Коммутационные перенапряжения

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 RGoff.

Подавление коммутационных всплесков может осуществляться в режиме т. н. активного ограничения, когда недопустимое повышение сигнала на коллекторе приводит к отпиранию IGBT (рис. 7). Подобная схема реализуется с помощью цепочки импульсных стабилитронов, устанавливаемых между коллектором и затвором транзистора. Суммарное напряжение стабилитронов определяет уровень сигнала, при котором начинается ограничение. Недостатком данного метода является то, что вся энергия, запасенная в паразитных индуктивностях (LS×I2/2), рассеивается в транзисторе, переходящем в линейный режим. Воздействие подобных тепловых ударов приводит к ускоренному старению материалов модуля и сокращению его ресурса. Кроме того, режим активного ограничения часто сопровождается высокочастотным дребезгом на затворе.



Рис. 7. Активное ограничение напряжения на коллекторе IGBT

Более изящным решением, реализованным в новейшем цифровом драйвере SKYPER 52 производства SEMIKRON, является использование режима «интеллектуального отключения» IntelliOff. Схема управления IntelliOff позволяет изменять скорость разряда емкостей затвора в процессе выключения IGBT. Принцип ее работы поясняется графиками, приведенными на рис. 8.



Рис. 8. Режим активной защиты от перенапряжений IntelliOff

При поступлении на вход драйвера сигнала выключения силового транзистора, он формирует на затворе отрицательное напряжение VEoff, приводящее к активному разряду входной CGE и обратной емкости CGC. Для ускорения процесса выключения IGBT он начинается при минимальном значении резистора затвора RGoff, ток затвора IG при этом достигает своего предельного значения (интервал времени t0). После того как сигнал управления затвором уменьшится до порогового значения, начинается рост напряжения «коллектор–эмиттер» VCE. Вследствие обратной связи за счет эффекта Миллера VGE при этом стабилизируется на уровне VGE(pl) до окончания интервала t1. Схема IntelliOff позволяет сократить длительность «плато Миллера» за счет высокой скорости разряда Qg.

После того как прекратится компенсирующее действие тока затвора, наведенного через емкость Миллера, начинается резкий спад тока коллектора IC, сопровождаемый всплеском напряжения VCE (интервал времени t2). В этот момент схема управления затвором увеличивает значение RGoff, снижая таким образом скорость изменения тока di/dt. При правильном выборе соотношения сопротивлений затвора описанный алгоритм управления IntelliOff обеспечивает быстрое и безопасное запирание IGBT при минимальном уровне динамических потерь и перенапряжения. Новая концепция управления затворами особенно востребована для новых поколений IGBT, отличающихся высокими скоростями переключения и жесткими требованиями по режимам перегрузки. Переход на тонкопленочные технологии потребовал сокращения нормированного времени КЗ с 10 до 6 мкс, что связано со сложностью рассеяния большой энергии, запасаемой в режиме перегрузки в тонкопленочных чипах. Очевидно, что концепция IntelliOff имеет в этом плане неоспоримые преимущества, поскольку не создает в режиме КЗ дополнительных потерь мощности, неизбежных в режиме активного ограничения.

Заключение

Одной из важнейших функций схемы управления затворами IGBT является безопасное и быстрое отключение силового каскада в случае токовой перегрузки. Концепция построения «идеальной» схемы защиты зависит от конкретного применения, диапазона мощности и условий эксплуатации силового преобразователя. Механизмы возникновения отказов могут отличаться для различных систем, поэтому они должны быть проанализированы на этапе проектирования с учетом указанных факторов.

Использование драйвера затворов для постоянной коррекции режимов работы не является рациональным решением и ведет к снижению надежности. Функция интеллектуального отключения IntelliOff позволяет решить задачу ограничения коммутационных выбросов при отключении тока КЗ и одновременно снизить энергию потерь выключения. При этом мониторинг напряжения насыщения VCEsat остается самым надежным способом выявления состояния токовой перегрузки. Этот метод имеет ряд очевидных преимуществ перед детектированием di/dt, главным из которых является простота адаптации к конкретной схеме применения и параметрам силового модуля.

Разработчики схем управления изолированными затворами предлагают множество вариантов защиты, отличающихся набором базовых функций, сервисом, возможностями настройки. При использовании простейших драйверов часть функций защиты приходится передавать управляющему контроллеру, как правило, способному реагировать только на «медленные» аварийные состояния. С другой стороны, применение избыточных систем защиты зачастую приводит к чрезмерному усложнению и удорожанию конвертора. Для поиска оптимального с экономической и технической точки зрения решения разработчик преобразовательной системы должен понимать механизмы возникновения перегрузок и оценивать их опасность в зависимости от конкретных условий работы.

Литература

  1. www.semikron.com
  2. Колпаков А. Драйверы MOSFET/IGBT — идеология ядра // Электронные компоненты. 2006. № 6.
  3. Колпаков А. SKYPER 52 — цифровой драйвер для применений высокой мощности // Силовая электроника. 2008. № 3.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2010_5_41.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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