Электробезопасность оптических изоляторов в условиях возможных отказов в силовых преобразователях

Введение

Драйверы затвора с оптической развязкой Broadcom широко используются для управления IGBT в таких приложениях, как солнечные инверторы, системы управления двигателями и т. д. Оптическая развязка является проверенной и надежной технологией для обеспечения изоляции между силовым IGBT и цепями управления, а кроме того, она позволяет снизить влияние синфазного шума (CMR) на управляющий сигнал и предотвратить ошибочное закрытие/открытие IGBT.

Для обеспечения работоспособности и сохранения целостности изоляционного барьера следует избегать возникновения на оптической развязке напряжения величиной, превышающей номинальное значение. Однако это довольно сложно организовать при возникновении отказа, вызванного коротким замыканием IGBT.

Оптическая развязка и структура изолятора

Оптическая развязка в компонентах Broadcom обеспечивает высокий уровень изоляции благодаря изоляционному барьеру, состоящему из трех слоев, общей толщиной, превосходящей аналогичный параметр у компонентов на основе других технологий. Три слоя изоляционного барьера представляют собой структуру кремний — полиимидная пленка — кремний (рис. 1). Полиимидная пленка создана специально для того, чтобы противостоять разрушающему воздействию частичного разряда, который может вызвать ионизацию и разрушение изоляционного материала. Уникальные свойства полиимида, заключающиеся в высокой электрической прочности и широком температурном диапазоне работы, позволяют применять его в компонентах для обеспечения изоляции в широком спектре приложений: от локомотивов и поездов до аэрокосмической техники. Полиимидная пленка, используемая в компонентах Broadcom, имеет диэлектрическую прочность 300 кВ/мм и способна выдерживать температуры –200…+400 °C.

Рис. 1. Структура оптического изолятора с трехслойным изолирующим барьером

Примером компонента, имеющего в своем составе полиимидную пленку в качестве одного из слоев изоляции, может служить драйвер затвора с оптической развязкой ACPL-337J. Данный драйвер имеет толщину изолятора (distance through solid insulation, DTI) 0,5 мм с пиковым значением пробивного напряжения до 1414 В (V_IORM = 1414 V_PEAK) и соответствует стандартам безопасности IEC/EN/DIN EN 60747-5-5.

Стандарт IEC/EN/DIN EN60747-5-5 является промышленным стандартом, разработанным специально для компонентов с оптической изоляцией. Документ регулирует температурные и механические требования компонентов, их стойкость к вибрационным воздействиям, влагозащищенность, стойкость к частичному разряду и перенапряжению, а также методики тестирования. Перед тестированием на частичный разряд компоненты проходят испытания на соответствие требованиям безопасности входов и выходов микросхемы в течение 72 ч. Проверка на соответствие указанным нормативам позволяет удостовериться, что ток в контактах, рассеиваемая мощность и температура корпуса не превышают установленные пределы и не способны повлиять на целостность изоляционного барьера. Перегрузки на участке с оптической развязкой можно избежать при помощи шунтирования источника питания, а также включения в цепь ограничительного диода и резисторов. В то же время перегрузку, вызванную отказом высоковольтного IGBT, таким как короткое замыкание или ложное отпирание транзистора из-за наличия емкости Миллера, можно предотвратить с помощью функции обнаружения падения напряжения насыщения (IGBT DESAT) и функции активного подавления эффекта Миллера (Active Miller Clamp), которые в том числе присутствуют в драйвере ACPL-337J. В данной статье, помимо методов защиты, будет описана степень воздействия отказа незащищенного IGBT на целостность изоляционного барьера драйвера затвора с оптической изоляцией на примере компонентов Broadcom.

Режимы отказа IGBT и методы тестирования

Существует три основные причины отказа IGBT, которые могут спровоцировать появление высокого напряжения на оптической развязке и вызвать разрушение изоляционного барьера:

• десатурация (выход из насыщения) IGBT;
• скачок напряжения коллектор-эмиттер (VCE);
• ложное отпирание транзистора из-за наличия емкости Миллера в структуре IGBT.

Возможные причины отказов и методы тестирования приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, драйвер затвора ACPL-337J имеет защитные функции для предотвращения возможных последствий при отказе IGBT: функция обнаружения падения напряжения насыщения (DESAT), плавное отключение транзистора (Soft shutdown) и функция активного подавления эффекта Миллера (Active Miller Clamp). При проведении тестирования на воздействие отказа IGBT на изоляционный барьер драйвера данные функции будут отключены. Тестирование проводится в три этапа:

• тест IGBT на короткое замыкание с отключенной функцией DESAT;
• повторный тест на короткое замыкание с включенной функцией DESAT;
• выброс тока с IGBT в оптическую развязку.

Тест IGBT на короткое замыкание

При проведении теста на короткое замыкание для управления затвором IGBT на 1200 В/150 А использовался драйвер ACPL-337J, который обеспечивает гальваническую развязку между высоковольтной и логической частями схемы и был запитан от однополярного 15-В источника питания. Между коллектором и эмиттером IGBT был подключен конденсатор на 5600 мкФ для создания короткого замыкания при включении питания, а сама цепь запитана от источника 600 В. Вывод DESAT драйвера ACPL-337J был подключен на «землю» для отсоединения соответствующей функции защиты и предотвращения автоматического отключения IGBT во время короткого замыкания. Схема подключения драйвера ACPL-337J к IGBT приведена на рис. 2, в схеме отсутствует ограничительный диод.

Рис. 2. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения теста на короткое замыкание

При возникновении короткого замыкания ток эмиттера (I_E) составил 7 кА, транзистор не вошел в режим насыщения (V_CE) и напряжение затвор-эмиттер (V_GE) значительно возросло (рис. 3), в результате чего произошел перегрев и взрыв компонента. Напряжение затвор-эмиттер также было приложено к изоляционному барьеру ACPL-337J.

Рис. 3. Замер тока и напряжения IGBT при проведении теста на короткое замыкание

Несмотря на то, что корпус ACPL-337J не был подвержен негативным воздействиям, за исключением ожогов, полученных в результате взрыва IGBT (рис. 4), многие второстепенные компоненты платы драйвера затвора были повреждены и она утратила работоспособность (рис. 5).

Рис. 4. Разрушение IGBT после теста на короткое замыкание

Рис. 5. Плата драйвера затвора ACPL-337J до и после теста на короткое замыкание

После проведения теста на короткое замыкание драйвер затвора ACPL-337J дополнительно прошел электрические испытания на частичный разряд (1,88 кВ(RMS)/с) и воздействие высокого напряжения (6,2 кВ(RMS)/с) для определения степени повреждения изоляционного барьера. Затем был проведен визуальный осмотр внутренней и наружной части компонента (рис. 6).

Рис. 6. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения теста на короткое замыкание

Визуальный осмотр полиимидной пленки не выявил повреждений, а изоляция осталась неповрежденной, что свидетельствует об успешном прохождении теста.

Повторный тест IGBT на короткое замыкание с включенным DESAT

Схема подключения драйвера ACPL-337J к IGBT для проведения данного теста имеет такой же вид, как и в предыдущем испытании, за исключением того, что вывод DESAT драйвера не был замкнут на «землю», а оставался в плавающем положении (функция обнаружения падения напряжения насыщения активирована) (рис. 7). ACPL-337J будет отключать IGBT при возникновении короткого замыкания в течение 1 мкс. Потребуется 10–20 циклов тестирования с периодом около 2 с, чтобы спровоцировать выброс напряжения коллектор-эмиттер (V_CE) и вызвать повреждения IGBT. После проведения испытания драйвер ACPL-337J также прошел тест на частичный разряд (1,88 кВ(RMS)/с) и воздействие высокого напряжения (6,2 кВ(RMS)/с).

Рис. 7. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения повторного теста на короткое замыкание

Плата драйвера затвора утратила работоспособность из-за повреждения второстепенных компонентов, однако визуальный осмотр снова не выявил повреждений полиимидной пленки, что свидетельствует о том, что изоляция осталась неповрежденной (рис. 8).

Рис. 8. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения повторного теста на короткое замыкание

Выброс тока с IGBT в оптическую развязку

В данном тесте на выход драйвера затвора ACPL-337J был подан ток с эмиттера IGBT. Транзистор запущен импульсом 15 В, на входе драйвера затвора поддерживался высокий логический сигнал, а к коллектору IGBT был подключен конденсатор на 5600 мкФ при напряжении шины 600 В (рис. 9).

Рис. 9. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения теста на воздействие постоянного тока на оптическую развязку

В момент возникновения на затворе IGBT напряжения 15 В подключенный осциллограф зафиксировал скачок тока на эмиттере величиной около 700 А (рис. 10). Данный тест является наиболее разрушительным, поскольку ток напрямую втекал в вывод драйвера затвора, вызывая серьезные повреждения платы.

Рис. 10. Скачок тока на эмиттере в момент включения транзистора

После проведения испытания драйвер ACPL-337J прошел тест на частичный разряд (1,88 кВ(RMS)/с) и воздействие высокого напряжения (6,2 кВ(RMS)/с). Визуальный осмотр полиимидной пленки так же, как и в предыдущих испытаниях, не выявил повреждений (рис. 11).

Рис. 11. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения теста на воздействие постоянного тока высокого значения

Заключение

Полиимидная пленка и изоляционный барьер драйверов затвора с оптической развязкой от Broadcom доказали свою надежность даже при высоких нагрузках, вызванных отказом подключенного IGBT (короткое замыкание с включенным и отключенным DESAT, выброс тока высокого значения в оптическую развязку). Несмотря на то, что платы драйвера затвора в результате испытаний вышли из строя, сами драйверы успешно прошли испытания на частичный разряд и воздействие высокого напряжения, а значит, сохранили должный уровень изоляции, способный обеспечить безопасность оператора и оборудования системы. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Компоненты, которые используют альтернативные технологии изоляции (индуктивная и емкостная изоляция), имеют куда меньшую величину изоляционного барьера (менее 17 мкм) и не смогут обеспечить должный уровень безопасности в случае наступления одного из описанных в данной статье режимов отказа IGBT.