Влияние КЗ на работу IGBT в системе электропривода

№ 5’2014
PDF версия
Устойчивость электропривода к наступлению короткого замыкания (КЗ) является одним из ключевых факторов обеспечения его надежности и защищенности. Данная статья рассматривает влияние суммарной индуктивности проводников на величину тока насыщения при КЗ. Кроме того, кратко обсуждаются методы борьбы с выбросами напряжения, в том числе с помощью плавного выключения IGBT.

Достижение высокой надежности — первостепенная задача для промышленных систем. Одно из обязательных требований, предъявляемых к электроприводу, — обеспечение устойчивости к КЗ. Существует множество видов короткого замыкания: межфазное, на силовую шину, замыкание между шинами питания. Каждый из перечисленных типов аварий имеет свои особенности, которые необходимо учитывать для построения эффективной системы защиты.

Важным параметром короткого замыкания является индуктивность. Она определяет значение тока насыщения IGBT и рассеиваемую мощность при КЗ. Величина индуктивности зависит от количества проводников, их длины, сечения и места возникновения КЗ — на выводах двигателя, в обмотках или на клеммах электропривода.

Если индуктивность мала, то скорость нарастания тока di/dt высока. В этом случае IGBT выходит из насыщения быстро, и происходит ускоренный разогрев кристалла. При большей индуктивности скорость нарастания тока di/dt меньше и выход IGBT из фазы насыщения затягивается. При этом напряжение на IGBT, рассеиваемая мощность и перегрев кристалла достаточно малы. В таком состоянии транзистор сохраняет работоспособность значительно дольше.

Однако следует помнить, что большая индуктивность приводит к большим скачкам напряжения при выключении. Необходимо защищаться от таких бросков, чтобы предотвратить пробой IGBT. Если КЗ случилось во включенном состоянии IGBT, то при ускоренном выходе из насыщения возникает скачок напряжения dv/dt. Это приведет к скачку напряжения на затворе и, как следствие, вызовет рост тока КЗ и увеличение рассеиваемой мощности. При значительном перегреве кристалл IGBT может быть поврежден.

Использование снабберных RC- или RCD-цепей помогает защититься от перенапряжений в момент выключения. Впрочем, данный способ имеет недостатки, которые заключаются в повышении стоимости, размера и мощности потерь схемы в целом. Наиболее эффективным методом защиты IGBT от КЗ является метод плавного выключения. Он позволяет устранить выбросы напряжения и улучшает надежность системы. Плавное выключение активируется только при возникновении КЗ и, соответственно, не влияет на общую эффективность схемы в нормальных условиях работы.

 

Экспериментальные результаты исследования для различных условий КЗ

Экспериментальные данные показывают, что при возникновении КЗ величина индуктивности значительно влияет не только на форму и время выхода из насыщения, но и на амплитуду тока (рис. 1) [1].

Осциллограммы тока короткого замыкания для случаев высокой и низкой индуктивности проводников

Рис. 1. Осциллограммы тока короткого замыкания для случаев высокой и низкой индуктивности проводников

Для того чтобы объяснить изменение амплитуды, надо вспомнить, что для IGBT максимальное значение тока зависит от величины проводимости (GFE). Проводимость имеет отрицательный температурный коэффициент. То есть при уменьшении температуры GFE возрастает и, соответственно, увеличивается ток короткого замыкания. И наоборот, рост температуры приводит к уменьшению GFE и снижению тока КЗ.

Учитывая вышесказанное, увеличение амплитуды тока с ростом индуктивности можно объяснить следующим образом. Если КЗ возникает не на клеммах привода, а на концах соединительных кабелей, то большая индуктивность кабеля уменьшает скорость нарастания тока di/dt и напряжение VCE (коллектор-эмиттер) до тех пор, пока транзистор не выйдет из области насыщения (рис. 1, осциллограмма 2). В течение этого времени рассеиваемая мощность IGBT и перегрев его кристалла малы. Низкая температура кристалла приводит к росту проводимости GFE и величины тока КЗ.

Такой же эффект вызывает и наличие большой индуктивности выводов привода, печатных проводников и других индуктивностей системы.

Если КЗ произошло непосредственно на выводах привода и суммарная индуктивность мала, то это вызывает высокую скорость нарастания di/dt тока и IGBT выходит из области насыщения быстро (рис. 1, осциллограмма 3). В результате высокой скорости нарастания тока и большого значения VCE в течение КЗ происходит увеличение рассеиваемой мощности и рост температуры кристалла. Перегрев уменьшает проводимость и величину тока КЗ.

В итоге при большем значении индуктивности ток КЗ больше, а мощность, рассеиваемая IGBT, меньше.

Для защиты от перегрева и выхода из строя IGBT его необходимо отсоединить. При резком выключении происходит выброс напряжения, приложенного к транзистору. Чем выше скорость выключения, тем выше скорость изменения тока di/dt и тем больше перенапряжение.

Для ускорения выключения часто используют дополнительное запирающее отрицательное напряжение VGE (затвор-эмиттер) (рис. 2). Рост амплитуды обратного импульса VGE вызывает увеличение di/dt, а также значения амплитуды выброса напряжения.

Осциллограмма перенапряжения при различных уровнях запирающего напряжения VGE

Рис. 2. Осциллограмма перенапряжения при различных уровнях запирающего напряжения VGE

Очевидно, что максимальные перенапряжения происходят при резком выключении IGBT в условиях КЗ. В этом случае может произойти электрический пробой транзистора. Электропривод в обязательном порядке должен быть устойчив к таким авариям. Существует два основных метода защиты IGBT от КЗ.

 

Методы повышения надежности инвертора в условиях КЗ

Снабберные RC- или RCD-цепочки

Такие цепи ограничивают выбросы напряжения при резком выключении, тем самым защищая IGBT от пробоя (рис. 3). Принцип работы снабберной цепи заключается в уменьшении значения di/dt. Наличие дополнительных компонентов увеличивает не только стоимость устройства и занимаемую площадь, но и суммарную мощность потерь. Действительно, снабберная цепь присутствует всегда, вне зависимости от наличия КЗ. Она имеет свои токи заряда/разряда и утечки. В устройствах, критичных к цене, габаритам и эффективности, подобное решение применяется редко.

Использование защитной RCD-цепочки

Рис. 3. Использование защитной RCD-цепочки

Метод плавного выключения

Суть метода состоит в плавном выключении транзистора, что уменьшает выбросы напряжения и увеличивает защищенность системы (рис. 4). Плавное выключение используется только при возникновении короткого замыкания и не влияет на работу привода в нормальных условиях. Кроме того, этот метод может быть применен без значительного возрастания стоимости и габаритов устройства.

Рис. 4. Использование метода плавного выключения

Рис. 4. Использование метода плавного выключения

 

Особенности выбора IGBT для систем электропривода

Оптимальный выбор IGBT — сложная задача, особенно если учесть, что каждый производитель приводит огромное количество параметров. В общем случае конкретный IGBT выбирают по максимальному значению рабочего тока и мощности потерь.

Для электроприводов дополнительная сложность заключается в необходимости использования IGBT, устойчивых к кратковременным КЗ (TSC IGBT или IGBT с характеристикой SCSOA, Short Circuit Safe Operating Area — область безопасной работы в режиме КЗ). При возникновении КЗ через транзистор начинает протекать ток, ограниченный лишь коэффициентом усиления IGBT. Схема защиты в этом случае должна за отведенное время (единицы микросекунд) успеть обнаружить КЗ и отключить транзистор.

Основным параметром, характеризующим устойчивость TSC IGBT к короткому замыканию, является минимальное допустимое время короткого замыкания tSC (Short Circuit Withstand Time), характеризующее длительность КЗ, которое транзистор может выдержать без потери работоспособности, пока не активируется схема защиты. Таким образом, кроме величины тока и потерь мощности,
требуется учитывать и значение tSC. При этом необходимо искать компромисс между тремя указанными параметрами.

Значения допустимых токов и токов КЗ влияют на величину tSC [3]. Действительно, увеличение коэффициента усиления по току приводит к росту тока КЗ, а это требует уменьшения tSC. Величина tSC влияет и на значение потерь мощности IGBT. Как известно, потери мощности IGBT складываются из активных потерь проводимости и потерь на переключение. На величину активных потерь основное влияние оказывает значение напряжения насыщения VCE(ON). Величина потерь на переключение в большей степени определяется энергией коммутации (Total Switching Loss или Ets).

Уменьшение tSC позволяет повысить коэффициент усиления, что неизбежно приводит к снижению VCE(ON), а значит, и к уменьшению мощности потерь проводимости (рис. 5) [3].

Зависимость VCE(ON) от величины tSC

Рис. 5. Зависимость VCE(ON) от величины tSC

В то же время уменьшение VCE(ON) в обязательном порядке приводит к увеличению Ets, и наоборот (рис. 6). Исследования показывают, что уменьшение tSC улучшает соотношение VCE(ON) и энергии потерь на выключение [3]. Таким образом, при уменьшении tSC потери на переключение уменьшаются.

Влияние tSC на соотношение между VCE(ON) и потерями на выключение

Рис. 6. Влияние tSC на соотношение между VCE(ON) и потерями на выключение

В подтверждение вышесказанного можно привести сравнение трех IGBT производства International Rectifier: IRG4PC60UPBF (нет tSC); IRGP4063PBF (tSC = 5 мкс); IRG4PSC71KPBF (tSC = 10 мкс) (рис. 7). Все транзисторы предназначены для работы с напряжениями до 600 В. Как видно из представленной зависимости тока от частоты, наиболее устойчивый к КЗ IRG4PSC71KPBF имеет меньшее значение тока. IRG4PC60UPBF не имеет защиты от КЗ (tSC = 0), но обладает большим значением тока.

Зависимость рабочего тока от частоты переключений для IGBT с различным tSC

Рис. 7. Зависимость рабочего тока от частоты переключений для IGBT с различным tSC

Уменьшение допустимого времени КЗ ограничено временем срабатывания схем защиты. Однако важно отметить, что схемы защиты постоянно совершенствуются. Время срабатывания у них уменьшается, а это позволяет использовать IGBT с меньшими значениями tSC, что обеспечивает сокращение тепловых потерь в транзисторах и повышает общий КПД инверторной системы.

Компания International Rectifier выпускает несколько серий IGBT-транзисторов, предназначенных для применения в системах электропривода и обладающих различным временем безопасной работы в режиме КЗ. Эти транзисторы снабжены встроенным антипараллельным диодом (Co-Pack-исполнение) и рассчитаны на питание системы от однофазной (номинальное напряжение IGBT 600 В) и трехфазной (номинальное напряжение IGBT 1200 В) сетей переменного тока. Инверторные системы на их основе могут обеспечить выходные мощности в диапазоне от сотен ватт до десятков киловатт. Наиболее интересные представители таких серий в выводных корпусах и их основные характеристики приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. IGBT от International Rectifier со встроенным диодом и tSC = 5–6 мкс

Наименование

Максимальное напряжение Vce, В

Корпус

Рабочий ток Ic, A

Напряжение насыщения Vce(on), В

Рабочая частота, кГц

Технология производства*

Энергия переключения Ets, мДж

Падение на диоде Vf тип., В

25 °C

100 °C

тип.

макс.

тип.

макс.

IRGB4059D

600

TO-220

8

4

1,75

2,05

8–30

FS Trench

0,11

0,20

1,60

IRGB4607D

11

7

1,75

2,05

0,22

1,70

IRGB4045D

12

6

1,70

2,00

0,18

0,23

1,60

IRGB4060D

16

8

1,55

1,85

0,22

0,31

1,80

IRGB4610D

16

10

1,70

2,00

0,18

1,60

IRGB4064D

20

10

1,60

1,91

0,23

0,34

2,50

IRGB4615D

23

15

1,55

1,85

0,22

1,80

IRGB4056D

24

12

1,55

1,85

0,30

0,39

2,10

IRGB4620D

32

20

1,55

1,85

0,30

2,10

IRGB4061D

36

18

1,65

1,95

0,45

0,55

2,30

IRGB4630D

47

30

1,65

1,95

0,45

2,10

IRGB4062D

48

24

1,60

1,95

0,72

0,90

1,80

IRGB4640D

65

40

1,60

1,95

0,72

0,90

1,80

IRGP4620D

TO-247**

32

20

1,55

1,85

0,30

2,10

IRGP4630D

47

30

1,65

1,95

0,45

2,10

IRGP4062D

48

24

1,60

1,95

0,72

0,90

1,80

IRGP4640D

65

40

1,60

1,95

0,72

0,90

1,80

IRGP4078D

76

50

1,60

1,85

1,02

1,26

2,20

IRGP4069D

76

50

1,60

1,85

1,02

2,20

2,20

IRGP4650D

76

50

1,60

1,85

1,02

2,20

2,20

IRGP4063

96

48

1,65

2,14

1,90

2,62

IRGP4063D

96

48

1,65

2,14

1,90

2,62

1,95

IRGP4068D

96

48

1,65

2,14

0,96

IRGP4063D1

96

48

1,65

2,14

1,90

2,62

2,00

IRGP4660D

96

60

1,65

2,14

1,90

2,62

1,95

IRGP4690D

140

90

1,70

2,10

1,90

2,62

1,95

IRGP4066D

140

90

1,70

2,10

4,62

6,40

2,23

IRGPS46160D

TO-274AA

240

160

1,70

2,05

1,90

2,62

1,95

IRGPS4067D

240

160

1,70

2,05

9,18

12,35

2,40

IRGB4715D

650

TO-220

23

15

1,55

1,85

0,22

 

1,80

IRGP4262D

TO-247**

65

40

1,60

1,95

0,72

0,90

1,80

IRGP4269D

76

50

1,70

2,10

4,62

6,40

2,23

IRGP4263D

96

60

1,65

2,14

1,90

2,62

1,95

IRGP4266D

140

90

1,70

2,10

4,62

6,40

2,23

Примечания.

* — FS Trench=Field-Stop Trench;

** — доступны в корпусах TO-247AC и TO-247AD (удлиненные выводы).

Таблица 2. IGBT от International Rectifier со встроенным диодом и tSC = 10 мкс

Наименование

Максимальное напряжение Vce, В

Корпус

Рабочий ток Ic, A

Напряжение насыщения Vce(on), В

Рабочая частота, кГц

Технология производства*

Энергия переключения Ets, мДж

Падение на диоде Vf тип, В

25 °C

100 °C

тип.

макс.

тип.

макс.

IRG4BC10KD

600

TO-220

9

5

2,39

2,62

8–30

PT

0,39

0,48

1,50

IRG4BC15MD

14

9

1,88

2,30

1–8

PT

2,25

3,60

1,50

IRGB4B60KD1

14

9

2,10

2,50

8–30

NPT

0,12

0,13

1,40

IRG4BC20KD

16

9

2,27

2,80

PT

0,64

0,96

1,40

IRGB6B60KD

18

10

1,80

2,20

NPT

0,25

0,46

1,25

IRG4BC20MD

18

11

1,85

2,10

1–8

PT

2,44

3,70

1,40

IRG4BC30KD

28

16

2,21

2,70

8–30

PT

1,18

1,60

1,40

IRGB15B60KD

31

15

1,80

2,20

NPT

0,56

0,79

1,20

IRGB10B60KD

35

19

1,80

2,20

NPT

0,39

0,67

1,30

IRG4PC30KD

TO-247AC

28

16

2,21

2,70

PT

1,18

1,60

1,40

IRG4PC40KD

42

25

2,10

2,60

PT

1,71

2,30

1,30

IRGP30B60KD-E

TO-247AD

60

30

1,95

2,35

NPT

1,18

1,58

1,30

IRG4PC50KD

TO-247**

52

30

1,84

2,20

PT

2,45

3,00

1,30

IRG4PSC71KD

TO-274AA

85

60

1,83

2,30

PT

6,28

7,70

1,40

IRGB5B120KD

1200

TO-220

12

6

2,75

3,00

NPT

0,72

0,88

2,13

IRG4PH20KD

TO-247AC

11

5

3,17

4,30

PT

0,92

1,20

2,50

IRG4PH30KD

20

10

3,10

4,20

PT

2,10

2,60

3,40

IRG4PH40KD

30

15

2,74

3,40

PT

2,43

2,80

2,60

IRG4PH50KD

45

24

2,77

3,50

PT

5,73

7,90

2,50

IRGP20B120UD-E

TO-247AD

40

20

3,05

3,45

NPT

1,28

1,80

1,67

IRG7PH37K10D

TO-247**

40

25

1,90

2,20

FS Trench

1,60

2,70

2,50

IRGP30B120KD

60

30

2,46

2,66

NPT

2,56

3,05

1,86

IRG7PH44K10D

70

40

1,90

2,20

FS Trench

3,40

5,20

2,50

IRG7PH50K10D

85

50

1,90

2,20

FS Trench

4,20

6,00

2,50

IRG4PSH71KD

TO-274AA

78

42

2,97

3,90

PT

8,90

11,60

2,50

IRGPS40B120UD

80

40

3,12

3,40

NPT

3,05

3,80

2,03

IRG7PSH54K10D

100

75

1,90

2,20

FS Trench

7,50

9,40

2,50

IRGPS60B120KD

105

60

2,50

2,75

NPT

8,00

10,32

1,93

Примечания.

* — PT=Punch Through, NPT=Non-Punch Through, FS Trench=Field-Stop Trench;

** — доступны в корпусах TO-247AC и TO-247AD (удлиненные выводы).

 

Заключение

Величина и форма тока короткого замыкания зависят от условий возникновения КЗ. Осмысление всех влияющих факторов (места возникновения КЗ, числа и длины провод­ников, типа выводов) важно для построения адекватной защиты от КЗ. Наиболее современным и эффективным методом защиты IGBT-систем от короткого замыкания является метод плавного выключения IGBT.

Выбор IGBT должен производиться с учетом максимального рабочего тока и эффективности преобразования энергии. Однако при проектировании систем инверторных электроприводов необходимо дополнительно обеспечить защиту транзистора от КЗ. Для этой задачи оптимальным решением становится использование IGBT с функцией SCSOA. Многие семейства IGBT от компании International Rectifier обладают зоной безопасной работы в режиме КЗ шириной 5 и 10 мкс и позволяют проектировать инверторные системы промышленного электропривода мощностью до нескольких десятков киловатт.

Литература
  1. Bolloju V., Yang J. Influence of Short Circuit conditions on IGBT Short circuit current in motor drives. — International Rectifier.
  2. Bolloju V., Yang J., Kabaker E. Choosing the right IGBT Trade-Offs to maximize Motor Drive performance. — International Rectifier, 2009.
  3. Chokhawala R. Trade-off consideration between efficiency and short circuit capability in IGBTs. — International Rectifier.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *