Некоторые вопросы эксплуатации IGBT-модулей.
Часть 3. Влияние параметров цепи управления на коммутационные характеристики

№ 6’2020
PDF версия
Продолжение цикла публикаций [1, 2], в которых рассматриваются особенности эксплуатации IGBT-модулей производства ПАО «Электровыпрямитель». В новой части описаны результаты исследований зависимостей динамических характеристик IGBT-модулей на напряжение 3300 В от параметров цепи управления. Представлен анализ особенностей эксплуатации высоковольтных IGBT-модулей и даны рекомендации по оптимизации коммутационных потерь и повышению надежности в аварийных режимах.

Все статьи цикла.

С момента разработки IGBT стали стандартными приборами во многих устройствах силовой электроники, заменив ранее применяемые полностью управляемые ключи. Они работают в диапазоне от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт. В процессе постоянного развития кристаллов IGBT прошло несколько этапов, в результате чего:

  • снижены статические и динамические потери;
  • улучшена мягкость характеристики обратного восстановления диода обратного тока;
  • увеличено максимально допустимое напряжение от сотен вольт до нескольких киловольт;
  • существенно увеличена плотность тока в пересчете на единицу площади кристалла;
  • увеличена максимальная рабочая температура полупроводниковой структуры;
  • расширена область безопасной работы (SOA).

Из всего вышеперечисленного наиболее сложной задачей является повышение рабочего напряжения единичного IGBT с одновременным обеспечением оптимального сочетания системы остальных электрических параметров.

В ПАО «Электровыпрямитель» накоплен значительный опыт и компетенции в области разработки, производства и эксплуатации IGBT-модулей [3]. Для удовлетворения потребности заказчиков в широком диапазоне мощностей освоено производство мощных высоковольтных IGBT-модулей на напряжение 3300, 4500 и 6500 В с использованием коммерчески доступных кристаллов. Мощные IGBT-модули на напряжение 3300 В и токи до 1500 А широко распространены на рынке тяговых и промышленных применений. Изделия выпускаются в пяти конструктивных исполнениях, представленных на рис. 1, по электрическим схемам одиночного ключа, чоппера (верхнего или нижнего). Габаритные размеры корпусов по основанию (140×73, 140×130, 140×190 мм) совместимы с общепринятыми сериями модулей зарубежных аналогов. При этом изолированные основания корпусов могут быть выполнены из меди (для промышленного применения) или металломатричного композита AlSiC (для транспортного применения).

Линейка мощных высоковольтных IGBT-модулей ПАО «Электровыпрямитель»

Рис. 1. Линейка мощных высоковольтных IGBT-модулей ПАО «Электровыпрямитель»

Повышение напряжения коллектор-эмиттер более 2000 В приводит к значительному увеличению влияния на параметры IGBT различных эффектов (вероятность «защелкивания», внутренние паразитные емкости, повышенный заряд обратного восстановления оппозитного диода FRD и др.). Для нормальной эксплуатации высоковольтных IGBT предъявляются более жесткие требования к параметрам цепи управления. Если для модулей на напряжение 1200 В, изготовленных различными производителями, но имеющих близкие параметры, могут быть применены одни и те же драйверы, то для модулей на напряжения 3300 В и выше, даже имеющих одно и то же классификационное значение рабочего тока, параметры драйвера должны быть подобраны индивидуально для каждого типа. В подавляющем большинстве случаев надежная работа IGBT определяется оптимальным выбором параметров драйвера. Существуют фирмы, специализирующиеся на разработке и производстве драйверов, адаптированных под конкретные типы модулей, при этом некоторые разработчики предпочитают драйверы собственного производства, наиболее подходящие к преобразователю по габаритам, интерфейсу, эксплуатационным особенностям и другим параметрам. В последнем случае разработчик преобразователя вынужден проводить больший объем исследований системы «модуль-драйвер», чтобы проверить ее общую надежность в максимально возможном количестве режимов эксплуатации. Проблемам выбора оптимальных параметров цепи управления IGBT посвящен целый ряд материалов, данная тема не раз поднималась и на страницах журнала «Силовая электроника» [4, 5, 6]. Ниже приведены результаты исследований зависимостей коммутационных характеристик IGBT-модулей на напряжение 3300 В от параметров цепей управления. На основании этих исследований, выполненных инженерами ПАО «Электровыпрямитель» [7], даны рекомендации по выбору номиналов затворного резистора и конденсатора, размещения драйвера для обеспечения оптимальных коммутационных процессов в высоковольтных IGBT.

При проектировании преобразователя на базе полностью управляемых ключей разработчику необходимо параллельно решать две основные задачи, которые противоречат друг другу:

  1. С одной стороны, необходимо повышать скорости коммутации ключей (в данном случае IGBT) для уменьшения динамических потерь.
  2. С другой — скорость коммутации при выключении не должна быть высокой, чтобы не приводить к недопустимым перенапряжениям в цепи коллектор-эмиттер из-за наличия паразитных индуктивностей в силовых цепях.

Высокая скорость включения IGBT приводит к увеличению пиковых токовых импульсов из-за наличия заряда обратного восстановления оппозитных диодов, что влияет как на IGBT, так и на FRD. Коммутационные процессы регулируются подбором тока перезаряда затвора, зависящего от номинала входного резистора IGBT RG, однако зависимость энергии (и скорости) выключения IGBT от RG слабая (особенно для поколения кристаллов Trench-FS IGBT), а зависимость процесса включения — достаточно сильная.

На рис. 2 представлена эквивалентная схема IGBT-ключа с элементами цепи управления. Основной нагрузкой драйвера является входная емкость CGE, определяющая заряд затвора. Также присутствует зависящая от мгновенного значения напряжения коллектор-эмиттер и паразитная емкость Миллера CGC.

Эквивалентная схема IGBT с паразитными входными емкостями и внешними цепями управления

Рис. 2. Эквивалентная схема IGBT с паразитными входными емкостями и внешними цепями управления

При включении IGBT затворный резистор RG ограничивает максимальное значение diC/dt, которое определяется оппозитным диодом. Именно в модулях большой мощности RG будет оказывать сильное влияние, если его значение выше номинального, приведенного в информационных материалах на модуль. Большее значение RG влияет также на duCE/dt при включении, которое снижается с ростом RG. В результате процесс включения хорошо регулируется с точки зрения мягкости, но одновременно возрастают потери энергии. Оптимальный вариант — задавать diC/dt включения IGBT независимо от duCE/dt. Минимизация diC/dt позволит обеспечить плавное включение, а одновременное повышение duCE/dt снизит динамические потери. В общем, потери Eon могли бы оставаться в пределах номинальных значений, указанных в информационных материалах, или даже быть меньшими. Обычным способом достижения этого является использование дополнительного конденсатора CG. Величина duCE/dt задается затворным резистором RG и внутренней емкостью Миллера CGC, а diC/dt определяется постоянной времени RGon и емкостью параллельно соединенных внешнего конденсатора CG c внутренней емкостью затвора CGE. Безусловно, подключение дополнительного конденсатора параллельно входной емкости затвора приведет к увеличению нагрузки на драйвер, однако это решение для высоковольтных IGBT сегодня стало обязательным, и сведения о типовых величинах дополнительных CG приводятся во всех информационных материалах на соответствующие модули.

Для выбора оптимального процесса включения проведены измерения с различными RG и CG для модуля МТКИ-500-33НТВ на ток 500 А и напряжение 3300 В (рис. 3). Результаты измерений представлены на рис. 4. Выходные цепи драйвера непосредственно размещались на управляющих выводах модуля для минимизации паразитных индуктивностей цепей управления.

Модуль МТКИ-500-33НТВ (фото, габаритный чертеж и электрическая схема)

Рис. 3. Модуль МТКИ-500-33НТВ (фото, габаритный чертеж и электрическая схема)

Из приведенных на рис. 4 осциллограмм видно, что одновременное уменьшение RG и увеличение CG вызывает незначительное повышение di/dton и тока перегрузки от диода и одновременно существенно уменьшает время спада напряжения коллектор-эмиттер, что в конечном итоге приводит к снижению энергии потерь при включении Eon.

Осциллограммы процесса включения модуля МТКИ-500-33НТВ с различными номиналами затворных резисторов и конденсаторов затвор-эмиттер для оптимизации процесса включения IGBT

Рис. 4. Осциллограммы процесса включения модуля МТКИ-500-33НТВ с различными номиналами затворных резисторов и конденсаторов затвор-эмиттер для оптимизации процесса включения IGBT

На рис. 5 изображены зависимости энергий потерь в IGBT и FRD от сочетания значений RG и CG для модуля МТКИ-500-33НТВ при коммутации в схеме полумоста. Явно прослеживается сильная зависимость для Eon и Erec и слабая для Eoff. Используя полученные характеристики, можно распределить потери между IGBT и FRD для максимального выравнивания температур при эксплуатации модуля.

Влияние внешнего конденсатора затвор-эмиттер CG на характеристики переключения МТКИ-500-33НТВ

Рис. 5. Влияние внешнего конденсатора затвор-эмиттер CG на характеристики переключения МТКИ-500-33НТВ

Ввиду того что некоторые потребители устанавливают драйверы не напрямую на контакты модулей, а на некотором расстоянии, соединяя их с помощью проводов, были проведены исследования влияния способа соединения модуля с драйвером. Для сравнения выполнены исследования с драйвером, соединенным с модулем параллельно расположенными проводами длиной 20 см, а также витой парой проводов такой же длины. Соединительные провода приводят к появлению дополнительных индуктивностей (рис. 6) в схеме драйвера и, как следствие, к соответствующему изменению энергий коммутационных потерь (рис. 7).

Эквивалентная схема удаленного подключения модуля МТКИ-500-33НТВ к драйверу

Рис. 6. Эквивалентная схема удаленного подключения модуля МТКИ-500-33НТВ к драйверу

Влияние способа подключения внешнего конденсатора затвор-эмиттер CG = 100 нФ на характеристики переключения модуля МТКИ-500-33НТВ

Рис. 7. Влияние способа подключения внешнего конденсатора затвор-эмиттер CG = 100 нФ на характеристики переключения модуля МТКИ-500-33НТВ

Также проведены исследования осциллограмм тока короткого замыкания с рекомендуемым значением емкости затвор-эмиттер CG. На рис. 8 представлены осциллограммы для теста испытаний тока короткого замыкания модуля МТКИ-500-33НТВ при различных способах подключения драйвера. При испытаниях применялись дополнительная емкость CG = 100 нФ и затворный резистор RG = 2,2 Ом.

Результаты испытаний тока короткого замыкания модуля МТКИ-500-33НТВ при различных способах подключения драйвера (RG = 2,2 Ом)

Рис. 8. Результаты испытаний тока короткого замыкания модуля МТКИ-500-33НТВ при различных способах подключения драйвера (RG = 2,2 Ом)

Как следует из приведенных на рис. 8 осциллограмм, паразитные индуктивности соединительных проводов оказывают негативное влияние на устойчивость системы «модуль — драйвер» к режиму КЗ, что выражается в появлении колебаний тока и напряжения в силовой цепи. Колебания силового тока, особенно в режиме короткого замыкания, для высоковольтных модулей абсолютно недопустимы.

Также было показано, что увеличение номинала резистора RG при неизменном значении дополнительной емкости затвора CG = 100 нФ не приводит к существенному изменению осциллограмм тока короткого замыкания (рис. 9, 10). Поэтому эффективное уменьшение колебательного процесса в силовой цепи IGBT может быть осуществлено только путем снижения паразитных индуктивностей между модулем и драйвером. Если прямое подключение драйвера к модулю затруднительно, то одним из вариантов решения вопроса может быть применение коаксиального кабеля между удаленно расположенным драйвером и модулем, при этом конденсатор CG должен быть размещен непосредственно на контактах модуля.

Результаты испытаний тока короткого замыкания модуля МТКИ-500-33НТВ при различных способах подключения драйвера (RG = 3,3 Ом)

Рис. 9. Результаты испытаний тока короткого замыкания модуля МТКИ-500-33НТВ при различных способах подключения драйвера (RG = 3,3 Ом)

Результаты испытаний тока короткого замыкания модуля МТКИ-500-33НТВ при различных способах подключения драйвера (RG = 6,5 Ом)

Рис. 10. Результаты испытаний тока короткого замыкания модуля МТКИ-500-33НТВ при различных способах подключения драйвера (RG = 6,5 Ом)

В результате проведенных исследований экспериментально:

  • подтверждена эффективность применения внешнего конденсатора CG для компенсации влияния паразитной емкости Миллера в высоко­вольтных IGBT-модулях;
  • показано, что размещение драйвера непосредственно на управляющих контактах IGBT-модуля является наиболее приемлемым вариантом, так как только в этом случае большие значения di/dt и du/dt не приводят к появлению паразитных колебаний в силовой цепи, которые наблюдаются при соединении драйвера с модулем при помощи проводов.
Литература
  1. Бормотов А., Мартыненко В., Мускатиньев В. Некоторые вопросы эксплуатации IGBT-модулей // Компоненты и технологии. 2005. № 5.
  2. Мускатиньев В., Тогаев М., Бормотов А., Пышков Д., Федяев И. Некоторые вопросы эксплуатации IGBT-модулей. Часть 2 // Силовая электроника. 2020. № 3.
  3. elvpr.ru/ru/catalog/igbt-and-frd-modules/
  4. Хофшеттер Н., Бекедаль П. Вопросы управления IGBT: однополярное управление, использование внешней емкости затвора // Силовая электроника. 2017. № 1.
  5. Новиков П. Затворный резистор. Часть 2 // Силовая электроника. 2019. № 1.
  6. Гери О. Подавление эффекта Миллера в схемах управления MOSFET/IGBT // Силовая электроника. 2007. № 4.
  7. В. Мускатиньев, М. Тогаев, А. Бормотов, И. Федяев, Д. Пышков. Влияние параметров цепи управления на коммутационные характеристики высоковольтных IGBT-модулей. Международная конференция по автоматизированному электроприводу (АЭП-2020). Россия, Санкт-Петербург, 4–7 октября 2020.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory