IGBT-драйверы InPower Systems с программно-управляемыми характеристиками

Геммер Роберт

Квиз Павел

Вендт Марита

Перевод: Анатолий Бербенец

Драйверы затвора IGBT-транзисторов являются ключевым элементом любой силовой
электронной системы, поэтому от правильности их выбора в значительной степени зависит
надежность устройств. В случае предпочтения драйвера, основанного на какой-либо новой концепции,
необходимо прежде всего рассматривать преимущества, которые он дает пользователю, в сравнении с
устройствами, выполненными по хорошо изученным технологиям. В большинстве применений,
основанных на IGBT-модулях, используются аналоговые драйверы. Тем не менее все большее число
промышленных потребителей рассматривают переход к цифровой архитектуре управления. В первую
очередь это те предприятия, которые используют
модули на блокирующее напряжение 3,3–6,5 кВ. В
данном случае цифровая технология дает максимальное преимущество. Таким образом, широкое
внедрение цифровых драйверов IGBT является только вопросом времени.

Преимущества цифровой технологии

Управление временными и амплитудными характеристиками аналоговых сигналов требует использования разнообразных схемотехнических методов.
В случае же цифровой системы для осуществления
такого изменения, возможно, потребуется скорректировать всего лишь несколько строк кода программы. Такая перспектива очень заманчива. Тем не менее цифровая технология не является самоцелью,
а служит всего лишь средством достижения цели.
Процесс отпирания оптимизируется по характеристикам тока затвора. В случае рассматриваемой
новой цифровой технологии данная оптимизация
достигается цифровым управлением сопротивлением резисторов в цепях затворов. Ключевым параметром, используемым для точного управления
током затвора, является представленная в двоичном
коде величина сопротивления данных резисторов.
Оптимизация тока затвора за счет регулировки сопротивления в цепях затвора, а также непрерывный
мониторинг di/dt способствуют улучшению характеристик IGBT, снижению потерь при включении
и повышению плавности коммутации одновременно со снижением излучений в переходных режимах.
Кроме того, применение цифровой фильтрации
входных управляющих сигналов подавляет влияние помех на всю силовую электронную систему. Все
параметры легко изменяются программно, а пользователь избавлен от необходимости получения какихлибо специальных знаний.

Оптимизации, основанной на цифровом управлении, также подвергается ряд расширенных защитных
функций, в т. ч. четырехуровневый мониторинг напряжения насыщения, двухуровневый мониторинг
di/dt, активное ограничение напряжения и многошаговое плавное отключение. Цифровая технология
обладает широкими возможностями по повышению надежности и гибкости проектирования. Такие
функции, как быстрое обнаружение тока короткого
замыкания (КЗ) и его ограничение, надежная защита
от всех токовых перегрузок при любых КЗ и перенапряжениях в ходе размыкания тока КЗ, а также
простота адаптации под заданные прикладные требования, являются весьма полезными для силовых
электронных систем. Более того, цифровая технология поддерживает специальные топологии соединения силовых ключей в инверторах — параллельные,
двух- или многоуровневые.

Новые цифровые драйверы
3,3-кВ IGBT-модулей

Новая серия цифровых интеллектуальных драйверов — готовое к применению решение, которое
совместимо с двух- и многоуровневыми топологиями. 1IPSE1A33-60 — одноканальный драйвер,
выполненный по новой цифровой технологии с использованием схемы интеллектуального управления процессом коммутации методом регулировки
сопротивления резисторов в цепи затвора IGBT-модуля высокой мощности (рис. 1). Цифровая
технология дает возможность задавать параметры
управления в соответствии с требованиями пользователя. 1IPSE1A33-60 ориентирован на применения,
где необходима высокая надежность и безопасность, а также возможность оптимизации
процесса коммутации и надежная защита дорогостоящего IGBT-модуля в течение всего
периода использования. Драйвер реализует
усовершенствованную концепцию защиты
от коротких замыканий, позволяющую обезопасить IGBT-модули от КЗ как непосредственно в IGBT-ключах, так и от КЗ в индуктивности со стороны нагрузки.

За счет выполнения двух функций мониторинга в ходе всего периода коммутации (четырехуровневый мониторинг напряжения насыщения и двухуровневый мониторинг di/dt)
драйвер выполняет надежную защиту от токовой перегрузки при любых режимах короткого замыкания, включая «жесткие» и «мягкие»
режимы КЗ. Данный драйвер также поддерживает дополнительные защитные функции, в т. ч.:
надежную защиту от перенапряжения при
запирании за счет ограничения напряжения
на коллекторе IGBT введением цифровой обратной связи; мониторинг напряжения питания; входной цифровой фильтр для подавления помех в сигналах управления. 1IPSE1A33-60
оснащен DC/DC-преобразователем для изолированного питания драйвера. Этот преобразователь разработан с учетом обеспечения
минимальных величин переходных емкостей
и высокой стабильности изоляции. Для передачи сигналов управления и сигналов обратной связи о состоянии драйвера используется оптоволоконный интерфейс. Результаты
тестирования драйверов данной серии подтвердили их высокие рабочие характеристики
в отношении качества процесса коммутации,
гибкости и надежности. В частности, ограничение напряжения под цифровым управлением
с использованием полупроводниковых ограничителей переходных напряжений гарантирует исключительную стойкость к выбросам
напряжения, которые в противном случае
приводят к отказу IGBT-модуля. IGBT-модули,
управляемые данными драйверами, обладают
исключительными коммутационными характеристиками и поддерживают многошаго
вое плавное запирание при возникновении
КЗ и других аварийных ситуаций.

Таким образом, пользователь полностью
избавлен от необходимости выполнения работ по конструктивной привязке, согласованию и интеграции данных драйверов. Это
значительно экономит время пользователя
и улучшает надежность всей электронной
системы. Фактически, благодаря встроенным
цифровым функциям настройки параметров,
новые драйверы позволяют по максимуму использовать возможности IGBT-модуля. При
разработке драйверов также учитывалась
простота организации параллельной работы
IGBT за счет равномерности распределения
тока между параллельными ключами.

Параметры данного драйвера легко регулируются, что упрощает его адаптацию в составе любой силовой электронной системы.
Тестирование показало, что управляемые данным драйвером 3,3-кВ IGBT-модули способны
противостоять токам короткого замыкания
до 6000 А (номинальный ток 1500 А) при величине паразитной индуктивности 120 нГн
и питании от шины постоянного напряжения
2 кВ. На рис. 2 и 3 представлены осциллограммы тока коллектора и напряжений на коллекторе и затворе IGBT-ключа верхнего уровня
для случаев «жесткого» (малая индуктивность
цепи подключения к нагрузке, большая di/dt)
и «мягкого» (большая индуктивность цепи
подключения к нагрузке, малая di/dt) КЗ.

1IPSE1A33-60 формирует выходное напряжение V_on/V_off ±15 В, а максимальная частота
коммутации составляет 120 кГц. Прочие характеристики драйвера:

• импульсный выходной ток ±70 А;
• импульсная выходная мощность P_dc/dc = 3 Вт;
• переходная емкость между первичной и вторичной сторонами 1–2 пФ;
• задержка включения/выключения 400 нс;
• путь утечки (creepage distance) свыше 30 мм;
• диапазон входного напряжения питания 14–30 В;
• испытательное напряжение изоляции 6 кВ;
• рабочая температура и температура хранения –40…+85 °С.

Для исключения нагрева от силовой
электронной схемы управляющая часть
драйвера монтируется не на самом модуле.
Непосредственно на модуль крепится только
небольшая адаптерная (согласующая) плата,
которая менее чувствительна к перегреву.
Данная плата согласована по подключению
к каждому типу IGBT-модуля, а к плате драйвера подключается кабелями. Рассматриваемое
семейство драйверов представляет собой завершенные решения, согласованные с конкретными типами IGBT.

Заключение

На выставке PCIM 2010 компания In Power
Systems также представила еще ряд других
цифровых драйверов, в т. ч. двухканальный
драйвер 2IPSE1A33-100 для 3,3-кВ IGBT-модулей (рис. 4). Данные драйверы обеспечивают стабильность работы, снижают потери
включения и увеличивают надежность. Они
идеально подходят для всех применений, где
очень важно добиться надежной работы.
Возможность гибкого программирования
параметров управления делает драйвер
2IPSE1A33-100 идеальным решением. В целях
повышения эффективности и надежности инверторов компания InPower также модифицировала свои стандартные одноканальные драйверы для IGBT-модулей на блокирующие напряжения 4,5 и 6,5 кВ, а также двухканальные
драйверы для 1700-В модулей.