Andrey Kolpakov (Semikron LLC), Markus Hermville (SEMIKRON Int. GmbH)
Declanșarea caracteristicilor și proprietăților dinamice ale IGBT
Mufa de declanșare izolată MOSFET / IGBT, ca o legătură între controler și treapta de alimentare, este una dintre componentele cheie ale dispozitivului de conversie. Caracteristicile circuitului de comandă determină în mare măsură parametrii convertorului în sine - cantitatea de pierderi statice și dinamice, viteza de comutare, nivelul de interferență electromagnetică. Din acest punct de vedere, ar trebui acordată cea mai mare atenție calculului modurilor de control și ale selecției conducătorilor auto.
Comportamentul IGBT în moduri dinamice depinde în primul rând de valoarea capacității porții, precum și de impedanța internă și externă a circuitului de comandă.
Figura 1 prezintă principala capacitate parazită a tranzițiilor, normalizată în caracteristicile tehnice:
CGE - capacitate "poartă-emițător";
CCE - capacitate colector-emițător;
CGC este capacitatea "gate-collector" (sau capacitatea lui Miller).
Capacitățile portului nu se modifică odată cu temperatura, iar dependența lor de tensiunea colector-emitor devine mai pronunțată cu VCE descrescătoare. Încărcați captura QG. definite de valorile CGC și CGE. este un parametru cheie în calculul puterii disipate de circuitul de comandă.
Comportamentul IGBT la deschidere este determinat complet de caracteristica de încărcare a porții. Diagrame de tensiune simplificate ale tensiunii gateway-emitter VGE. gate curent IG. curentul IC al colectorului și tensiunea colector-emițător VCE în timpul tranziției tranzistorului la starea saturată sunt prezentate în figura 2.
Fig. 2. Diagrame simplificate ale procesului de activare IGBT
Procesul de includere a IGBT poate fi împărțit condiționat în trei etape, care sunt legate de încărcarea primară a capacității de intrare CGE. taxa pentru capacitatea lui Miller CGS și, în cele din urmă, o sarcină completă a CGE. mergând la saturația tranzistorului.
Să analizăm în detaliu procesul de comutare a tranzistorului, ale cărui diagrame sunt prezentate în Figura 2. În intervalul de timp t0 are loc încărcarea inițială a capacității de intrare a porții CGE. Pentru simplitate, presupunem că sarcina este produsă de un curent constant, prin urmare, prima porțiune liniară a VEG de creștere a tensiunii corespunde acestei etape. care continuă până la momentul t1. În acest moment, tensiunea de poartă ajunge la pragul de deblocare a tranzistorului VGE (th). În funcție de proprietățile tranzistorului și de impedanța circuitului de comandă, curentul de intrare IG din această secțiune poate ajunge la o valoare de câteva zeci de amperi. Deoarece până la punctul t1 tensiunea porții se situează sub pragul de deblocare, nu există nici un IC curent colector. iar tensiunea colector-emițător VCE rămâne egală cu tensiunea de alimentare VCC.
De îndată ce semnalul de comandă devine mai mare decât valoarea pragului, IGBT pornește, caracterizat prin creșterea curentului colectorului până la valoarea limitată de sarcină (ICload). Acest lucru este adevărat atunci când se utilizează o diodă opusă ideal, în circuite reale amplitudinea curentă la momentul includerii este ușor mai mare decât valoarea ICload. Motivul pentru aceasta este procesul de recuperare a diodelor inverse, ca urmare a faptului că curentul de reducere Irr este adăugat la IC pentru perioada de tranziție a diodelor în starea neconductoare. De aceea, tensiunea VCE pe intervalul de timp t1 rămâne la același nivel.
Mai mult, semnalul de control al porții atinge valoarea VGE (pl). numită "Platoul Miller", este menținută în timpul intervalelor de timp t2 și t3. În aceeași etapă, după oprirea completă a diodei opuse, începe declanșarea de tensiune a colectorului VCE. a căror viteză dVCE / dt la t2 este suficient de mare. Acesta scade la intervalul t3. în care tranzistorul trece într-o stare saturată. Tot timpul, conform graficului prezentat în figura 1b, capacitatea CCG a lui Miller crește și este încărcată de o parte a IGC de poartă. care determină stabilizarea semnalului de control al porții la nivelul VGE (pl).
La începutul intervalului de timp t4, tranzistorul este deja complet pornit, iar capacitatea CCG este încărcată. Curentul de poartă descrescător exponențial continuă să curgă în capacitatea de intrare a CGE. aducând tensiunea la valoarea maximă a VGE (on). definită de schema de control. La sfârșitul acestei etape, valoarea VCE atinge valoarea minimă, numită tensiunea de saturație VCEsat.
Când tranzistorul este oprit, procesele descrise apar în ordine inversă.
Măsurarea caracteristicilor obturatorului
Figura 3a prezintă un circuit care poate fi utilizat pentru a măsura încărcarea prin poartă. IGBT este pornit și oprit de la sursa de curent stabilizată + IG / -IG.
Fig. 3. a) circuitul de măsurare a sarcinii prin poartă, b) caracteristica tipică a porții VGE = f (t) «VGE = f (QG), c) extrapolarea caracteristicii
Tensiunea de alimentare VCC este aplicată tranzistorului. amplitudinea impulsului ICpulse al impulsului de colector este limitată de valoarea de încărcare RL. Deoarece poarta curentul este stabil, tensiune VGE variază liniar în fiecare secțiune dată, același liniar în conformitate cu raportul QG = IG × t este o acumulare de sarcină. În consecință, modificarea tensiunii pe poarta este echivalentă cu caracteristicile obturatorului: VGE = f (t) «VGE = f (QG), așa cum este prezentat în figura 3b. Această metodă de determinare a caracteristicilor QG descrise în documentul IEC 60747-9, Ed.2: «Semiconductor Devices - Dispozitive discrete - Partea 9: Izolate-Gate Tranzistoare bipolare (IGBT).
Dacă în specificația tranzistorului este dată numai suprafața caracteristică pozitivă, atunci valoarea totală a QG poate fi determinată prin extrapolare, așa cum se arată în figura 3c. Un dreptunghi verde deschis este un cvadrant de valori normalizate în specificațiile tehnice. Prin intermediul transferului paralel al acestei zone de-a lungul graficului QG la valoarea VG (off), se poate obține o caracteristică situată în cvadranții 1 și 3.
Poarta de încărcare QG poate fi, de asemenea, determinată de metoda de calcul bazată pe valoarea capacității de intrare Ciss:
Coeficientul de conversie a capacității porții kC se determină în conformitate cu expresia kC = QG (ds) / (Cies × (VG (on) - VG (off)))
unde QG (ds) este valoarea nominală a sarcinii, normalizată în specificațiile pentru tensiunile de control date VG (on) / VG (off).
Declanșatorul de curent și puterea de ieșire a driverului
Puterea necesară de către șofer pentru comutarea IGBT este o funcție a frecvenței de comutare fsw și energia E necesară pentru încărcarea și descărcarea capacităților portante. Astfel, puterea de ieșire a circuitului de control PGD (out) este determinată de următoarea formulă: PGD (out) = E × fsw.
La rândul său, valoarea lui E depinde de valoarea taxei de încărcare a porții QG și de scăderea tensiunii de comandă dVG. E = QG × (VGon-VGoff). Prin urmare, expresia rezultată pentru determinarea puterii șoferului: PGD (out) = QG × (VGon - VGoff) × fsw.
Un alt parametru important este magnitudinea IG curentului de poartă. care ar trebui să fie suficiente pentru comutarea capacităților menționate mai sus și, prin urmare, pentru comutarea IGBT. Figura 4 arată modul în care IGBT IG curentul de control al porții este distribuit între capacitățile sale de intrare CGE și CGC.
Valoarea minimă a IG poate fi calculată după cum urmează: IG = IGE + IGC = QG × fsw.
La rândul său, vârful de vârf curent IGpeak. care determină rata de încărcare QG. afectează direct viteza de comutare IGBT. Pe măsură ce crește valoarea IGpeak, timpul de pornire și oprire sunt scurtcircuite, iar pierderea de comutare este redusă în consecință. Acest lucru afectează inevitabil alte proprietăți dinamice importante ale IGBT, de exemplu, asupra mărimii tensiunii de supratensiune de comutare la oprire, care depinde de rata de descompunere a di / dt curent. Din acest punct de vedere, creșterea vitezei de comutare este mai mult un factor negativ, ceea ce reduce fiabilitatea dispozitivului.
Teoretic poarta curentul de vârf este determinată prin formula IGpeak = (VG (pe) - VG (off)) / (RG + RG (int)), în care RG (int) - circuitul de control impedanță internă, care cuprinde un rezistor montat în modulul IGBT. În practică, amplitudinea curentă este oarecum mai mică decât nivelul de proiectare datorită inductanței distribuite a circuitului de comandă.
Valoarea maximă admisă a curentului de ieșire, precum și valoarea minimă a RG. ca regulă, este specificată în specificația șoferului. Trebuie remarcat faptul că nerespectarea cerințelor de limitare a valorii limită IGpeak poate duce la defectarea circuitului de comandă.
Atunci când alegeți un dispozitiv de control al declanșării IGBT, trebuie luate în considerare următoarele cerințe:
- Valoarea de referință IGav șofer curent secundar ar trebui să fie mai mare decât valoarea calculată, iar valoarea maximă admisă a IGpeak curentul de vârf trebuie să fie egală sau mai mare decât valoarea reală circuitul de control impedanță limitată;
- capacitatea de ieșire a circuitului de comandă (capacitatea setată de sursa de alimentare a treptei de ieșire) trebuie să poată stoca sarcina (QC = C × U) necesară pentru comutarea IGBT;
Folosind formulele și expresiile de mai sus, dezvoltatorul poate determina toți parametrii necesari ai circuitului de acționare a porții. Pentru a automatiza acest proces, specialiștii SEMIKRON au dezvoltat un program DriverSEL simplu, care vă permite să determinați toți parametrii necesari și să selectați driverul corespunzător.
Fig. 5. Fereastra de lucru a programului DriverSel
Următoarele informații sunt necesare pentru a calcula DriverSel:
1. Tipul modulului (în acest caz SEMiX 653GD176HDc), în care programul primește de la informațiile bazei de date cu privire la taxa QG obturatorului, tensiunea de funcționare și configurația modulului;
2. Numărul de module paralele - acest număr vă permite să determinați încărcarea totală a obturatorului, pe baza căreia se calculează puterea disipată de șofer;
3. frecvența de operare fsw - informații necesare, de asemenea, pentru determinarea disipării de putere;
4. clasificarea rezistenței porții.
Dacă selectați modul "Parametri modulului definit de utilizator" (parametrii modulului definit de utilizator), va apărea un meniu suplimentar, format din trei ferestre:
- Modul de încărcare pe poartă pe modul (încărcarea poarta a modulului în μC);
- Tensiunea colectorului - emițător (tensiunea colector-emițător);
- Numărul de comutator pe modul (numărul modulului de chei: o singură tastă 1-, 2- semipunte, 6- 3 faze punte, 7- 3 faze punte cu chopper frână).
Pentru funcționarea corectă a DriverSel, este necesară specificarea a două valori ale încărcării porții: pentru tensiunea de deschidere a tranzistorului +15 V și tensiunea de închidere -8 V.
După introducerea datelor solicitate, veți primi recomandarea "Sugestie pentru driverul SEMIKRON IGBT" în forma prezentată în partea de jos a figura 2:
- Numărul de conducători auto - numărul de scheme de control necesare pentru acest modul (de exemplu, trei șoferi de jumătate de pod pentru un modul trifazat);
- IoutPEAK - valoarea maximă a curentului de ieșire al șoferului, determinată prin formula IoutPEAK = VGE / RG;
- IoutAVmax. RGmin. VS - valorile de referință pentru curentul mediu, rezistorul minim al porții și tensiunea de alimentare pentru un astfel de conducător auto.
Programul emite observația «Un conducător auto adecvat nu a putut fi găsit», în cazul în care în condițiile date nu poate fi selectat dispozitivul de control corect. Acesta poate fi cazul dacă taxa totală de poarta este inacceptabil de mare (un număr mare de module legate în paralel) este frecvența prea mare de comutare sau numita poarta rezistor este mai mică decât valoarea minimă posibilă.
2. Module de alimentare manuală, SEMIKRON International
4. M. Hermwille, "Resistor Gate - Principiu și aplicație", Nota de aplicare AN-7003, SEMIKRON
5. P. Bhosale, M. Hermwille, "Conectarea conducătorilor de poartă la IGBT și controler", Nota de aplicare AN-7002, SEMIKRON
6. IEC 60747-9, Ed.2: Dispozitive semiconductoare - Dispozitive discrete - Partea 9: Tranzistoare bipolare cu poartă izolată (IGBT)
7. M. Hermwille, Calculator șofer IGBT, Notă de aplicare AN-7004, SEMIKRON
Noul driver IGBT digital
Semikron a introdus o nouă generație de dispozitive de control IGBT. Driverul SKYPER® 52, bazat pe un procesor de semnal digital, permite transmiterea semnalelor de control izolate și a semnalelor senzorilor, precum și configurarea individuală a circuitului de protecție. Utilizarea driverului SKYPER® 52 face posibilă simplificarea și reducerea costurilor de dezvoltare a dispozitivelor puternice de convertizor și creșterea fiabilității întregului sistem.
SKYPER® șofer digitale 52 proiectat pentru a controla IGBT tensiunea de operare 1200, și 1700 V. Atunci când puterea de 9 W per canal și ieșire curentul de vârf la 50 A, este capabil să lucreze cu legarea în paralel a modulelor, colectorul de curent total care este 9000 A. In plus SKYPER® 52 este potrivit pentru aplicații de înaltă frecvență care necesită un circuit de acționare puternic, care poate funcționa la frecvențe de până la 100 kHz. driver Tensiune de izolare este de 4 kV, iar poarta off tensiune de -15 V. Nivelul semnalelor de intrare 3,3 și 5 (standardul LVDS) permite SKYPER® 52 conectat direct la ieșirea microcontrolerului.
Despre noi
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: