時(shí)間:2015-10-15 14:23:01來(lái)源:Power Integrations
GBT用于開(kāi)關(guān)許多產(chǎn)品中的電源,這些產(chǎn)品包括變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)、伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)汽車(chē)、巴士和卡車(chē)、火車(chē)、醫(yī)療設(shè)備(X光和MRI)、空調(diào)甚至一些專(zhuān)業(yè)音頻系統(tǒng)等。這些產(chǎn)品都屬于“大功率”應(yīng)用,它們很容易被視為電氣產(chǎn)品而非電子產(chǎn)品,因此人們會(huì)認(rèn)為它們并不容易受損。然而,有很多不同的失效機(jī)制會(huì)導(dǎo)致IGBT損壞,除非在設(shè)計(jì)過(guò)程中格外用心,確保器件的正確操作。
與所有器件一樣,運(yùn)行環(huán)境(溫度、熱沖擊、熱和功率循環(huán)以及振動(dòng))可造成IGBT失效。ESD(靜電放電)也是一個(gè)失效因素。由于IGBT和門(mén)極驅(qū)動(dòng)器往往由機(jī)柜安裝人員而非電子專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行安裝,所以毫不出奇非常多的失效是由人為操作不當(dāng)引起。要防止IGBT出現(xiàn)此類(lèi)失效,主要在于嚴(yán)格遵循安裝指南,并確保器件在規(guī)定的操作條件下工作。
過(guò)流是另一個(gè)潛在的失效原因。針對(duì)此問(wèn)題有集成的解決方案可供使用,但也有簡(jiǎn)單、低成本的解決方案,即在交流輸出端使用電流傳感器進(jìn)行測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn),而大多數(shù)客戶(hù)更愿意選擇低成本的方案。
其他的主要失效機(jī)制有短路、di/dt過(guò)高、dv/dt過(guò)高以及門(mén)極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極過(guò)壓。行業(yè)所需要的就是針對(duì)這些失效機(jī)制的保護(hù)功能,當(dāng)功率水平達(dá)到100 kW且系統(tǒng)成本較為昂貴時(shí)尤為需要,因此Power Integrations等IGBT驅(qū)動(dòng)器廠商已在其產(chǎn)品中集成了創(chuàng)新的可靠保護(hù)機(jī)制,能夠解決這些問(wèn)題,從而為IGBT模塊提供強(qiáng)有力的保護(hù)。
短路
圖1所示為IGBT在兩種不同短路情況下的表現(xiàn) - 小電感(情況1)和大電感(情況2)。一種常用的檢測(cè)短路從而在IGBT損壞之前將其關(guān)斷的方法是,使用一個(gè)集成了退飽和保護(hù)功能的光耦I(lǐng)C。遺憾的是,這種方法有兩個(gè)劣勢(shì)。第一,具有退飽和保護(hù)功能的光耦I(lǐng)C還要求采用高壓二極管,而這種二極管不僅成本昂貴,而且損耗也高。第二,也許更重要的是,所需的退飽和監(jiān)控電子元件通常對(duì)EMI或Vce電壓尖峰很敏感。這可以導(dǎo)致短路保護(hù)誤動(dòng)作,導(dǎo)致IGBT意外關(guān)斷。
圖1
而Power Integrations的IGBT驅(qū)動(dòng)器則采用了不同的方法。他們選用ASIC芯片組以減少元件數(shù)量并縮小尺寸,同時(shí)提高性能、效率和可擴(kuò)展性。該芯片組還具備先進(jìn)的監(jiān)控和控制功能。為解決短路測(cè)量問(wèn)題,使用SCALE™-2芯片組和電阻串來(lái)動(dòng)態(tài)測(cè)量IGBT的VCE,請(qǐng)參見(jiàn)圖2。這不僅意味著小的電壓尖峰不會(huì)導(dǎo)致短路保護(hù)誤觸發(fā),而且還擁有其他優(yōu)勢(shì)。電阻串方法比標(biāo)準(zhǔn)二極管測(cè)量方法的成本低,并且沒(méi)有耦合電容,因此沒(méi)有影響效率的多余電容,也不受dv/dt影響。更進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)是,可以使用一個(gè)參考管腳輕松調(diào)整短路保護(hù)的靈敏度,從而適應(yīng)特定的應(yīng)用。
圖2
高級(jí)/動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位
SCALE™-2芯片組還用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的有源鉗位技術(shù),以應(yīng)對(duì)前面提到的其他IGBT失效模式——di/dt過(guò)高、dv/dt過(guò)高以及門(mén)極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極過(guò)壓。
圖3:帶dv/dt反饋的動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位
基本有源鉗位(圖3中的方框AC)在關(guān)斷時(shí)可限制IGBT的VCE。IGBT會(huì)在其VCE超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值時(shí)立即部分導(dǎo)通,然后維持在線性區(qū)內(nèi)工作,因此可降低集電極電流的下降速率,進(jìn)而限制集電極-發(fā)射極過(guò)壓。在SCALE™-2技術(shù)中,高級(jí)有源鉗位(AAC)反饋(圖3中的方框AC和AAC)是由驅(qū)動(dòng)器的副方ASIC實(shí)現(xiàn)的。只要電阻R2右側(cè)的電位因有源鉗位動(dòng)作而升高,與GL相連的驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)級(jí)的關(guān)斷MOSFET就會(huì)被逐步關(guān)斷。這樣會(huì)減少?gòu)腎GBT門(mén)極流出并流入COM的電荷,該電荷流經(jīng)關(guān)斷門(mén)極電阻Rg,off。這不僅能減小IGBT關(guān)斷時(shí)集電極-發(fā)射極過(guò)壓,還可降低 TVS損耗,從而提高效率。
SCALE™-2驅(qū)動(dòng)器中還實(shí)現(xiàn)了dv/dt反饋功能(圖3中的 dv/dt feedback)。其作用是,在正常開(kāi)關(guān)工作中實(shí)現(xiàn)非常有效的關(guān)斷過(guò)壓限制,而不會(huì)造成TVS熱過(guò)載。在集電極-發(fā)射極電壓升高時(shí),由產(chǎn)生的電流會(huì)流入與TVS并聯(lián)的dv/dt反饋電容。該電流將進(jìn)一步為高級(jí)有源鉗位提供支持,因?yàn)樗魅胪粋€(gè)驅(qū)動(dòng)器端子,但會(huì)早于高級(jí)有源鉗位的TVS動(dòng)作。通過(guò)采用這種額外的驅(qū)動(dòng)方法,VCE電壓的鉗位變得更有效,TVS損耗更低。如果設(shè)置正確,IGBT可以在此操作模式下連續(xù)工作。因此,可以在更大的直流母線雜散電感下開(kāi)關(guān)IGBT模塊,而不會(huì)超出IGBT的反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)。并且,不需要使用吸收電容。
Power Integrations已將鉗位技術(shù)提升到了新的水平:動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位(DA2C)增加了額外的TVS二極管(圖3中的方框DA2C),與高級(jí)有源鉗位中使用的TVS串聯(lián)。從IGBT導(dǎo)通開(kāi)始,到IGBT發(fā)出關(guān)斷指令后的大約15-20us內(nèi),輔助IGBT Q0都處于打開(kāi)狀態(tài),將這個(gè)額外的TVS短接,以降低有源鉗位的門(mén)檻值,確保獲得高效的有源鉗位(在IGBT關(guān)斷過(guò)程中額外的TVS不工作)。在經(jīng)過(guò)該15-20us的延遲時(shí)間后,輔助IGBT Q0關(guān)斷,這個(gè)加裝的TVS被激活,驅(qū)動(dòng)器的有源鉗位的門(mén)檻值被提高,這樣可以允許直流母線電壓在IGBT關(guān)斷期間上升到更高的值。這意味著,緊急停機(jī)后變換器系統(tǒng)的輸出電感會(huì)消磁,但無(wú)需擔(dān)心不可避免的直流母線電壓短時(shí)升高所造成的影響。
軟關(guān)斷
AAC和DA2C都適合具有高換流雜散電感的應(yīng)用,這些應(yīng)用要求控制IGBT關(guān)斷時(shí)的di/dt,確保IGBT能夠在反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)內(nèi)工作。但對(duì)于有些應(yīng)用,例如具有低換流雜散電感和IGBT關(guān)斷過(guò)沖處于RBSOA內(nèi)的應(yīng)用,更為簡(jiǎn)單的選項(xiàng)是軟關(guān)斷(SSD),因?yàn)樗哂胁恍枰猅VS二極管執(zhí)行有源鉗位的優(yōu)勢(shì)。軟關(guān)斷(SSD)會(huì)在檢測(cè)到短路后激活。它保護(hù)半導(dǎo)體免遭損壞的實(shí)現(xiàn)方式是,通過(guò)限制短路持續(xù)時(shí)間和電流斜率,從而使瞬時(shí)VCE始終低于VCES(半導(dǎo)體的阻斷電壓能力)。圖4所示為SSD功能的工作原理。
圖4
VCE退飽和在P1時(shí)間(綠線)內(nèi)可見(jiàn),由于采用軌到軌輸出技術(shù),VGE(門(mén)極-發(fā)射極電壓,粉色線)始終非常穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)P1(約5 µs)后,VGE在特定時(shí)間(tFSSD)內(nèi)被限定到較低值。在tFSSD期間,IC(短路電流)被限制,最初會(huì)出現(xiàn)較小的VCE過(guò)壓。在P3期間,半導(dǎo)體的門(mén)極進(jìn)一步放電。在放電過(guò)程即將完成時(shí),門(mén)極會(huì)連接到COM,VGE迅速下降到關(guān)斷負(fù)電壓,剩余的門(mén)極電荷被移除,短路電流被切斷,然后再次出現(xiàn)較小的VCE過(guò)壓。整個(gè)短路檢測(cè)和安全關(guān)斷時(shí)間不到10 µs。Power Integrations通過(guò)新版SCALE™-2技術(shù)SCALE™-2+做到了這一點(diǎn),該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)AAC/DA2C或SSD功能。
集成
Power Integrations的SCALE™-2芯片組是本文所述的所有IGBT保護(hù)機(jī)制的核心所在,該芯片組可在驅(qū)動(dòng)和控制IGBT模塊以及監(jiān)控其性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些功能。該芯片組可省去大量的其他解決方案需要用來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能的無(wú)源和有源元件。采用這種芯片組,驅(qū)動(dòng)器不僅能提供更多的功能,而且還能提高可靠性并減小尺寸。
作者:Michael Hornkamp,Power Integrations大功率產(chǎn)品區(qū)域營(yíng)銷(xiāo)與系統(tǒng)工程高級(jí)總監(jiān)
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