Управление параллельным соединением IGBT-модулей. Драйверы Plug&Play CT-Concept

Высоковольтный/сильноточный драйвер — это «жизненно важный» элемент мощных систем преобразования энергии, особенно в таких применениях, как транспортные приводы, системы HVDC в энергетике, промышленные приводы среднего напряжения, возобновляемая энергетика. Характеристики драйверов играют ключевую роль в параметрах и эффективности системы в целом. Новые разработки драйверов позволяют управлять параллельно соединенными IGBT-ключами эффективно и безопасно, не требуя при этом каких-либо предварительных установок и тонких регулировок, то есть устройства нового поколения можно с полной уверенностью назвать драйверами Plug&Play.

Управляемое переключение высоких уровней мощности может быть осуществлено с использованием тиристоров, биполярных транзисторов, силовых MOSFET и IGBT. Вплоть до середины 80-х годов в качестве таких ключей преобладали тиристоры, которые и сейчас конкурируют в диапазоне мощностей в сотни мегаватт. Сегодня в качестве мощных ключей наиболее широко применяются IGBT, которые выпускаются уже на блокирующие напряжения 6,5 кВ. Их технические преимущества — высокая изолирующая способность, сравнительно высокая плотность тока, простота управления и хорошая устойчивость к коротким замыканиям — сделали этот силовой полупроводниковый ключ стандартным компонентом практически каждого преобразователя с мощностью свыше 10 кВт.

Структура IGBT достаточно сложна, но упрощенно может быть описана как биполярный транзистор на выходе, управляемый через MOSFET по входу. Таким образом, по сравнению с биполярным ключом IGBT не требует сравнительно большого базового тока для управления, а по сравнению с MOSFET-ключом имеет более высокие блокирующие напряжения и меньшие потери проводимости при больших уровнях тока. Тем не менее, принимая во внимание, что ключ работает с большими токами при высоких напряжениях, сделать драйвер для его управления задача не простая.

IGBT включается при типовом положительном напряжении на затворе 15 В относительно эмиттера. Для гарантированного выключения необходимо подать на затвор от –7 до –15 В для преодоления влияния эффекта Миллера (паразитной емкости обратно-смещенного коллекторного перехода), из-за которого часть напряжения коллектора в переходном режиме прикладывается к затвору, особенно в мостовых топологиях.

Управлять IGBT-ключом, у которого потенциал эмиттера привязан к «земле», относительно просто. Этого не скажешь про мостовые топологии, которые являются типовыми для силовых IGBT-приложений. В мостовом включении средняя точка моста, к которой подсоединен эмиттер верхнего ключа, меняет свой потенциал от «+» до «–» источника питания со скоростью нарастания от 5 до 25 кВ/мкс. Это приводит к появлению значительных разностей потенциалов между драйвером верхнего ключа полумоста и управляющей электроникой. Драйвер должен обеспечить надежное управление ключами в присутствии этих мешающих импульсов.

Можно сформулировать следующие наиболее важные требования к драйверам высоковольтных IGBT:

• гальваническое разделение управляющей электроники и силовых цепей IGBT-ключей;
• способность включать и выключать IGBT в пределах области безопасной работы (SOA) с минимальными потерями переключения;
• способность переключать IGBT с оптимальной частотой (выходная мощность драйвера должна соответствовать управляемому IGBT);
• защита управляемого IGBT от перенапряжения при выключении;
• наличие функций мониторинга состояния IGBT-ключа, особенно таких, как короткое замыкание и понижение питающего напряжения.

Центральной функцией драйвера можно считать защиту от перенапряжения.

Перенапряжение при выключении IGBT

Блокирующее напряжение IGBT-ключа, нормированное в документации, никогда не должно быть превышено. Это ограничение должно выполняться при всех условиях и режимах работы ключа, включая переходные процессы при выключении, перегрузки по току или короткие замыкания. Тем не менее вследствие паразитных индуктивностей силовых шин монтажа преобразовательных каскадов и высоких скоростей нарастания тока di/dt на ключах образуются перенапряжения в диапазоне от сотен до тысяч вольт. В критических случаях амплитуда импульса перенапряжения может превысить максимально допустимое напряжение «эмиттер–коллектор» V_cemax.

Для защиты от таких перенапряжений можно использовать принцип ограничения амплитуды импульса шунтирующей цепочкой из полупроводниковых ограничителей напряжения — так называемое «активное клэмпирование» (active clamping) [1]. Базовая схема, иллюстрирующая этот принцип, приведена на рис. 1, а на графике показаны осциллограммы оптимизированного переходного процесса выключения IGBT с такой цепочкой (синяя — ток коллектора, красная — напряжение на коллекторе).

Рис. 1. Базовая схема активного ограничения перенапряжения с помощью TVS-диодов

Диод или цепочка из диодов — ограничителей переходного напряжения (TVS-диодов), которая включается между коллектором и затвором IGBT, при превышении напряжения на коллекторе заданного уровня переходит в проводящее состояние и частично включает IGBT, препятствуя, таким образом, росту напряжения на коллекторе. Базовая схема активного ограничения хорошо работает в преобразователях с невысокими техническими требованиями к характеристикам. Затворные резисторы Rg_off должны быть оптимизированы для всех вариантов перегрузки: выключение при двукратном номинальном токе, короткое замыкание и временное повышение напряжения DC-линии.

Выполнение всех этих условий приводит к тому, что в нормальных режимах работы получается преобразователь с повышенными потерями переключения и увеличенными задержками выключения. Таким образом, базовая схема не пригодна для мощных преобразователей. Схема улучшенного активного ограничения (Advanced Active Clamping, AAC) приведена на рис. 2.

Рис. 2. Принцип улучшенного активного ограничения в IGBT-драйвере

Здесь цепочка ограничительных диодов, как и в базовой схеме, подключена к затвору IGBT через Z2, но появляется и второй путь — на вход мощного каскада драйвера через Z1. Это приводит к тому, что как только ограничительная цепочка включается, повышается напряжение на выходе драйвера, а это, в свою очередь, означает, что выход драйвера не потребляет тока от защитной цепочки, и этот ток «расходуется» только на заряд затворной емкости. В результате удается значительно снизить потери в защитной цепочке во время ее включения при перенапряжении. Такая цепочка успешно используется в первом поколении Plug&Play-драйверов SCALE, производимых CT-Concept Technologie AG (CT-Concept в 2012 г. приобретена компанией Power Integrations, США). Принцип улучшенного активного ограничения (AAC) используется и в современном поколении драйверов на основе ядра SCALE-2. Схемотехника, необходимая для реализации этого принципа, интегрирована в чипсет из заказных ИМС SCALE-2.

На рис. 3 приведены осциллограммы токов и напряжений IGBT FF450R12IE4 с драйвером 2SP0320T в режиме выключения. Драйвер 2SP0320T на базе SCALE-2 использует принцип AAC для защиты ключа от перенапряжений.

Рис. 3. Переходные процессы при выключении IGBT FF450R12IE4 с драйвером 2SP0320T

Vdc = 800 В, Ic = 900 А, Lstray = 68 нГн.

SCALE-2 обеспечивает эффективную защиту от перенапряжений. Другое важное требование к драйверам высоковольтных IGBT-ключей — защита от короткого замыкания. Рассмотрим эту функцию также на примере ядра SCALE-2.

 

Защита IGBT от короткого замыкания

Определение состояния короткого замыкания IGBT обычно производится посредством измерения напряжения насыщения перехода «коллектор–эмиттер» Uce(sat). Схема контроля определяет в течение первых 10 мкс после включения транзистора величину этого напряжения, и, если оно превышает определенный уровень (разный для разных типов транзисторов), вырабатывается сигнал выключения драйвера. На рис. 4 приведены два варианта схем детектирования Uce(sat), применяемые в драйверах на базе первого поколения SCALE.

Рис. 4. Схемы детектирования напряжения «коллектор–эмиттер», используемые в высоковольтных драйверах IGBT

Схема, показанная на рис. 4а, обычно используется в драйверах для IGBT на 3300 В. Источник формирует ток в несколько миллиампер, который добавляется к току коллектора. С помощью компаратора определяется, находится ли уровень напряжения на коллекторе выше или ниже порога переключения 55 В. Более высоковольтные IGBT потребуют увеличения порога переключения до 500 В. Для этого случая лучше подходит другая схема (рис. 4б), использующая цепочку высоковольтного делителя напряжения для формирования требуемого порога. В драйверах второго поколения SCALE-2 используется новая схема детектирования напряжения насыщения Uce(sat). Диодная цепочка заменена на простую цепочку из резисторов. Ее преимущество — прецизионное, прямое измерение Uce(sat), некритичное к непредсказуемым изменениям напряжения насыщения в нештатных режимах. В новой схеме теперь значительно снижено влияние паразитной емкости высоковольтных диодов. Понижена также температурная составляющая погрешности измерения Uce(sat).

Технология SCALE-2 обеспечивает повышенную стабильность управляющего напряжения +15 В на затворе включенного IGBT. Это свойство особенно важно в режиме короткого замыкания IGBT. В этом аварийном режиме из-за большого dV/dt в затворную область вследствие эффекта Миллера инжектируется значительный дополнительный заряд. Эта паразитная обратная связь приводит к повышению напряжения на затворе, что в свою очередь увеличивает ток короткого замыкания. Это крайне опасная ситуация для IGBT-модуля. Для предотвращения такого повышения в драйверах SCALE-2 используют ограничение напряжения на затворе быстрыми диодами Шоттки. Таким образом, высокостабильное напряжение драйвера +15 В компенсирует заряд обратной связи Миллера и поддерживает работу IGBT-ключа в безопасной области.

 

Быстродействие и мощность SCALE-2

Набор заказных микросхем SCALE-2, примененный, например, в ядрах драйверов 2SC0108T и 2SC0435T, обеспечивает времена задержки включения и выключения драйвера не более 100 нс. При этом время задержки имеет исключительно низкий разброс не более ±10 нс, включая джиттер и долговременную нестабильность. Для сравнения — технология драйверов, например на основе оптронов, позволяет получить времена задержки включения и выключения уже не менее 500 нс с разбросом не менее нескольких сотен наносекунд. К этому разбросу надо добавить неравномерное старение временных параметров (общая проблема всех драйверов на основе оптронов и оптических систем).

Технология SCALE-2 обеспечивает симметричное переключение каналов драйвера. Очевидным для потребителей преимуществом драйверов SCALE-2 являются стабильные в течение срока службы потери в IGBT-ключах инвертора, а это особенно важно в случае параллельного соединения IGBT-модулей в преобразователе.

 

Параллельное соединение IGBT-модулей

Во многих мощных применениях требуемое значение выходной мощности преобразователя может быть достигнуто только за счет параллельного соединения IGBT-модулей. В такой конфигурации преобразователя особое внимание уделяется мониторингу состояния каждого из IGBT-модулей в группе, поскольку выход из строя хотя бы одного из них приведет к выходу всех оставшихся. Мощность, отдаваемая каждым модулем в параллельной группе, должна быть жестко сбалансирована с оставшимися, переключение транзисторов в группе должно быть синхронизировано.

Описанное выше свойство драйверов SCALE-2 — высокая стабильность времен задержки — позволило эффективно применять эти драйверы для синхронного управления высоковольтными модулями в корпусах IHV 130×140 мм и 130×190 мм в параллельных соединениях, используя принцип «ведущий–ведомый» (Master–Slave).

Доступны три семейства одноканальных драйверов M+S от CT-Concept [3]:

• 1SP0635: 1,2–3,3-кВ IGBT-модули с напряжением изоляции 6 кВ;
• 1SP0340: 4,5-кВ IGBT-модули с напряжением изоляции 6 кВ;
• 1SP0335: 3,3–6,5-кВ IGBT-модули с напряжением изоляции 10,2 кВ.

Все драйверы относятся к группе Plug&Play и обеспечивают работу параллельно включенных IGBT-модулей в режиме Master–Slave. На рис. 5 показан принцип Master–Slave управления параллельно включенными модулями [2]. Видно, что для управления тремя полумостами в параллельной топологии потребуется два Master-драйвера и четыре Slave-драйвера.

Рис. 5. Принцип M+S для управления параллельно соединенными IGBT-модулями

Master-драйвер укомплектован оптическим интерфейсом и функцией глобального мониторинга ошибок. Slave-драйверы подсоединяются к Master с помощью плоского кабеля. по которому передаются общие команды и напряжения источника питания на вторичной стороне.

Вследствие упомянутого выше незначительного разброса времен задержки, а также низкого джиттера драйверов на чипсете SCALE-2 все параллельно соединенные IGBT управляются практически одинаковыми уровнями на затворах, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Осциллограммы выключения двух параллельно включенных IGBT-модулей с драйвером M+S 1SP0635

Master–Slave архитектура управления дает следующие дополнительные преимущества в параллельных IGBT-конфигурациях:

• Используемый в этих драйверах метод динамического ААС позволяет кратковременно выдержать повышенное напряжение DC-линии, что важно в преобразователях для транспортных приводов, ветроэнергетики и солнечных батарей.
• Динамическое определение состояния короткого замыкания каждого транзистора одинаково хорошо как для IGBT с низким напряжением насыщения (low-loss), так и для быстродействующих IGBT.
• Централизованный мониторинг напряжений «затвор–эмиттер» каждого драйвера Master-драйвером повышает надежность управления параллельным соединением силовых ключей.

Драйверы Slave используются только в связке с драйверами Master при необходимости параллельных соединений IGBT-модулей. С одним Master-драйвером могут работать до трех Slave-драйверов.

 

Источник питания и напряжение изоляции

Драйверы семейств 1SP0335 и 1SP0340 выполнены по модульному принципу в том смысле, что плата драйвера и источник питания для нее (DC/DC-конвертер) — это две конструктивные единицы. Источник питания представляет собой отдельный модуль, располагаемый в непосредственной близости от IGBT, как показано на рис. 7, и может быть выполнен в разных версиях вплоть до напряжения изоляции 12 кВ.

Рис. 7. 1SP0340 драйвер с модулем источника питания ISO5125I (слева)

В такой модульной концепции драйвер конкретного IGBT будет состоять из платы драйвера одного и того же типа, но с разными модулями источника питания. На основе этой концепции могут быть реализованы драйверы на рабочие напряжения 3,3–6,5 кВ для двух-, трех- и многоуровневых топологий инверторов.

1SP0340 — новинка в семействе SCALE-2 высоковольтных Plug&Play-драйверов — обеспечивает новый уровень характеристик и цены для управления IGBT-модулями класса 4,5 кВ в корпусе с напряжением изоляции 6 кВ. С характеристиками, оптимизированными для 4,5 кВ, 1SP0340 имеет меньшую установочную площадь и меньшее количество компонентов. Он обладает всеми новыми функциями SCALE-2, такими как M+S управление параллельно соединенными IGBT, динамическое улучшенное активное ограничение (DAAC), ограничение напряжения на затворе вследствие эффекта Миллера, динамическую защиту от насыщения (Dynamic Desaturation Protection).

 

Заключение

Все компоненты, необходимые для безопасной и оптимальной работы Plug&Play-драйверов CT-Concept, такие как затворные резисторы, диоды ограничения напряжения на затворах и т. п., уже установлены на платах. Достаточно просто подключить драйвер, и можно управлять IGBT-преобразователем.