IGBT 驅(qū)動(dòng)器提供可靠保護(hù)
1引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/231446.htm為確保電力電子組件在非允許工作的條件影響下得到可靠的保護(hù),需要快速和可靠的錯(cuò)誤檢測及有效的保護(hù)措施。在功率模塊中,即可通過系統(tǒng)控制器或者通過IGBT驅(qū)動(dòng)器提供錯(cuò)誤管理。系統(tǒng)控制器適用于對慢速故障模式做出反應(yīng),如超溫所導(dǎo)致的過熱。相反,需要驅(qū)動(dòng)電子檢測和響應(yīng)突發(fā)錯(cuò)誤。如今市場上有各種驅(qū)動(dòng)器,它們的適用性、效率和可靠性各不相同。
2功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的故障
功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的快速錯(cuò)誤包括短路和電路引起的過電壓。短路是速度最快的錯(cuò)誤。
當(dāng)電力電子系統(tǒng)投入使用時(shí),連接和隔離錯(cuò)誤往往是造成短路的因素,而在現(xiàn)場應(yīng)用中,短路可能歸因于故障組件。
如果短路發(fā)生在負(fù)載通道或者橋接旁路,IGBT的集電極電流完全增大,造成晶體管飽和。如今市場上的IGBT模塊只能防短路很短的時(shí)間。為了防止IGBT被熱負(fù)荷摧毀,在安全時(shí)間內(nèi)檢測到短路并且可靠地關(guān)斷IGBT是至關(guān)重要的。
驅(qū)動(dòng)器的電子電路可通過測量di/dt或者監(jiān)測VCE檢測短路。
圖1(a)di/dt檢測電路圖;(b)VCE監(jiān)測電路圖
di/dt檢測電路見圖1(a),驅(qū)動(dòng)器通過電子線路測量IGBT中電流的變化率。輔助和功率發(fā)射極間的雜散電感上的壓降正比于集電極電流的變化率(di/dt)。通過將電壓與參考電壓相比較,可以檢測出快速的短路。為了監(jiān)測緩慢短路,該方法在鍵合線及功率和輔助發(fā)射極間的內(nèi)部母線中使用阻性元件。然而,此方法還取決于用于電源連接的螺絲連接。這些顯示了一定的接觸電阻特性分布,并要考慮與其他電阻元件的串聯(lián)。這要求精確地適應(yīng)給定的系統(tǒng)。一般來說,di/dt檢測只能用于帶有輔助發(fā)射極輸出的IGBT模塊。
VCesat監(jiān)測(圖1b)是通過集電極電流與通態(tài)電壓的關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)的。為此,集電極-發(fā)射極電壓被測量,并通過一個(gè)比較器與一個(gè)參考電壓相比較。如果電壓讀數(shù)超過參考電壓,驅(qū)動(dòng)器的電子電路會(huì)自動(dòng)關(guān)斷晶體管。由于晶體管電壓的迅速增加,Vce監(jiān)測是一個(gè)可靠的短路檢測方法。Vce監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)是可快速檢測到短路,適用于任何標(biāo)準(zhǔn)的IGBT。
如果短路時(shí)負(fù)載帶有較大的電流,如在電源側(cè),集電極電流上升速度更加緩慢。在這種情況下,Vce閾值必須做相應(yīng)的調(diào)整。為了能夠在過流檢測中使用Vce方法,可使用多級(jí)Vce監(jiān)測。此時(shí),定義幾個(gè)帶給定參考時(shí)間的跳變閾值。但是,這種方法的缺點(diǎn)是溫度不同會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果完全不一樣,以及要調(diào)整給定系統(tǒng)各級(jí)所涉及的因素也是非常復(fù)雜的。一般來說,更為有效和可靠的檢測慢速過電流方法是采用集成電流傳感器。
除了快速錯(cuò)誤檢測,對短路做出有效和可靠的響應(yīng)也是至關(guān)重要的。如果驅(qū)動(dòng)器用在多級(jí)應(yīng)用中或者用于驅(qū)動(dòng)同步電機(jī),主控制器應(yīng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的關(guān)閉。在這種情況下,驅(qū)動(dòng)器只發(fā)送隔離錯(cuò)誤信號(hào)到控制器并等待指令。例如,在多級(jí)應(yīng)用中,如果驅(qū)動(dòng)器直接關(guān)斷功率半導(dǎo)體器件,然后發(fā)送信號(hào)給控制器,那么在整個(gè)信號(hào)傳輸和響應(yīng)時(shí)間內(nèi),整個(gè)直流環(huán)節(jié)電壓可能施加在一個(gè)IGBT上。這將導(dǎo)致模塊的損壞。然而,在大部分應(yīng)用中,讓驅(qū)動(dòng)器直接關(guān)斷功率模塊更加安全。驅(qū)動(dòng)器可以更迅速地作出響應(yīng),因?yàn)樗鼰o需等待信號(hào)傳輸過程完成,可從二次側(cè)獨(dú)立關(guān)斷模塊。驅(qū)動(dòng)器可確保關(guān)斷短路電流時(shí)避免產(chǎn)生電壓尖峰,通過一個(gè)軟關(guān)斷或二級(jí)關(guān)斷功能的途徑實(shí)現(xiàn)。此時(shí),驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷具有更大柵極電阻的IGBT會(huì)更慢,這樣可保護(hù)模塊,使其避免超出安全工作區(qū)(SOA)。
第二種快速錯(cuò)誤模式是由電路引起的過電壓導(dǎo)致的。必須檢測關(guān)斷過程中產(chǎn)生的過電壓并將其迅速減小以防止IGBT模塊被損壞。電源電路中的雜散電感導(dǎo)致開關(guān)浪涌,例如母線所導(dǎo)致的。外部引發(fā)的過電壓是緩慢的,可通過監(jiān)控直流環(huán)節(jié)電壓更有效地控制。
3IGBT驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)
驅(qū)動(dòng)器電子可以通過有源鉗位直接控制過電壓,也可以使用IntelliOff(智能關(guān)斷),一種用于減小臨界電壓尖峰的功能。
只要出現(xiàn)過電壓,有源鉗位讓IGBT重新導(dǎo)通。柵極充電過程基本上是由集電極和柵極間的中央單元控制的,以降低過電壓。
圖2有源鉗位電路圖
這里,過電壓值的最大值對應(yīng)齊納電壓。晶體管再次工作在安全操作區(qū)內(nèi),但將儲(chǔ)存在Lk中的能量轉(zhuǎn)換為熱量。在此過程中,IGBT內(nèi)部在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的額外損耗。這些損耗加速了組件的老化過程并限制了變換器系統(tǒng)的可靠性。
防止發(fā)生過電壓的一種方法是使用IntelliOff關(guān)斷功能。結(jié)合對軟關(guān)斷幾乎是即時(shí)開關(guān)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),IntelliOff提供了優(yōu)化的關(guān)斷能力。得益于不同速度的柵極放電,關(guān)斷過程本身被IntelliOff優(yōu)化。首先,驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)IGBT關(guān)斷過程越快越好。只要關(guān)斷過程進(jìn)入過壓階段,驅(qū)動(dòng)器減慢關(guān)斷過程,在這種情況下主動(dòng)應(yīng)對過電壓。最后,IGBT驅(qū)動(dòng)器安全可靠地關(guān)斷模塊。
圖3IntelliOff,積極主動(dòng)的過壓保護(hù)
只要關(guān)斷信號(hào)到來,驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生負(fù)的柵極電荷。柵極集電極和發(fā)射極電容的放電過程開始,柵極電流達(dá)到其負(fù)峰值(period0)。由于米勒效應(yīng),其描述了電容容抗在關(guān)斷時(shí)的反饋過程,柵極發(fā)射極電壓在特定的時(shí)間(period1)內(nèi)保持較高的電平。得益于小阻值的關(guān)斷電阻,IntelliOff縮短了放電時(shí)間,并允許該過程加速。在period2,大阻值電阻減慢關(guān)斷過程,這樣做避免了電路引起的電壓尖峰(period2)。如果沒有IntelliOff,在有源箝位的情況下,這一階段可能會(huì)出現(xiàn)過壓,產(chǎn)生額外的損耗。如果不采取合適的保護(hù)措施,最終可能會(huì)導(dǎo)致模塊的損壞。一旦危險(xiǎn)的電壓尖峰時(shí)間過去了,驅(qū)動(dòng)器通過IntelliOff功能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷電阻的并聯(lián),確保IGBT被安全有效地關(guān)斷。得益于大小關(guān)斷電阻間的可調(diào)時(shí)間常數(shù),簡單的調(diào)整是可能的。
特別是新一代IGBT,具有非??旌陀驳拈_關(guān)特性。IntelliOff功能可確保無危險(xiǎn)電壓尖峰風(fēng)險(xiǎn)的快速關(guān)斷,并由此幫助確保新IGBT模塊的最佳性能。相比之下,替代的防護(hù)概念以限制IGBT模塊性能換取保護(hù),這樣做會(huì)產(chǎn)生額外的損耗。
4結(jié)論
柵極驅(qū)動(dòng)器的理想保護(hù)取決于特定的應(yīng)用。然而,一般來說,在系統(tǒng)標(biāo)注尺寸階段調(diào)查和分析錯(cuò)誤機(jī)制是明智的。采用柵極驅(qū)動(dòng)器去永久性地補(bǔ)償非允許條件,不是一個(gè)有效的解決方案,再者也會(huì)降低可靠性。一個(gè)更加有效的過電壓保護(hù)方法是使用IntelliOff功能,可在第一時(shí)間防止出現(xiàn)電壓尖峰。VCE監(jiān)測是一種可靠的短路檢測方法,相比di/dt檢測具有許多優(yōu)勢,因其可適應(yīng)和適用于任何的標(biāo)準(zhǔn)模塊。
當(dāng)今市場上有許多不同的驅(qū)動(dòng)器保護(hù)解決方案,從標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能到高度復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器解決方案。然而,采用簡單的驅(qū)動(dòng)器解決方案,用戶必須自己集成保護(hù)功能,并為整個(gè)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)器保護(hù)。這會(huì)是相當(dāng)昂貴的并且驅(qū)動(dòng)器保護(hù)往往被低估。相比之下,高度復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器解決方案往往存在不利之處,系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜且使用壽命常常是受限的。一個(gè)最佳的驅(qū)動(dòng)解決方案必須滿足系統(tǒng)的可靠性要求,但也應(yīng)把大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的價(jià)格作為重要因素來考慮。
作者簡介
JohannesKrapp,賽米控驅(qū)動(dòng)電子產(chǎn)品經(jīng)理?!?/p>
評(píng)論