Рис. 6. Переходные процессы сигналов при коротком замыкании : желтый —

Рис. 6. Переходные процессы сигналов при коротком замыкании : желтый —
управляющий сигнал, синий—напряжение затвора, красный—напряжение
коллектор-эмиттер, зеленый—сигнал обратной связи драйвера.
Важно учитывать, что у цепочки делителя напряжения высокое сопротивление и
имеется паразитная ѐмкость. Из-за этого измеряемый сигнал запаздывает
относительного реального напряжения коллекторе.
Обнаружение перегрузки по току
Во время включенного состояния транзистора может случится короткое замыкание
или превышение тока в его цепи, что приводит к неисправности модуля IGBT.
Для обнаружения данного аварийного режима используется цепь desat,
представленной на рис. 7 и рис.8. Из-за сопротивления перехода коллектор-
эмиттер при увеличении тока – увеличивается падение напряжение на транзисторе.
Это напряжение предлагается измерять двумя способами, либо через
соответствующую микросхему драйвера с функцией обнаружения desat, либо
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
30
проводить измерение средствами микроконтроллера.
C
G
E
10
к
+15V
+15 В
–9 В
Vee
Vcc
Vo
GND
DESAT
Vin
Vref
/FLT
Rdesat
Cdesat
Сигнал управленя
Сигнал аварии
Рис. 7. Схема обнаружения короткого замыкания с использованием миркосхемы
драйвера
C
G
E
10
к
+15V
Ug
АЦП3
Рис. 8. Схема обнаружения короткого замыкания с использованием
микроконтроллера
Важно учитывать, что это падение напряжения можно измерять только после
полного открытия транзистора. Поэтому для случая измерения с помощью
микросхемы с функцией desat нужно предусмотреть RC цепочку, рассчитав R
desat
и
C
desat
, а для случая с микроконтроллером – настроить время первого измерения.
При срабатывании защита выдаѐтся сигнал обратной связи согласно рис. 2 c.
Защита при пониженном напряжении
Пониженное напряжение на затворе может привести к увеличению времени на
открытие транзистора, что приводит к увеличению коммутационных потерь.
Отслеживание уровня напряжения на плате необходимо для правильной
коммутации силового транзистора.
На плате драйвера реализуется 2 проверки напряжения: напряжение питания платы
и напряжение на затворе транзистора.
При недопустимом напряжении на затворе подаѐтся напряжение -9 В и выдается
обратная связь согласно рис. 2 с.
При понижении напряжения питания платы драйвера меньше заданного значения
на затвор подаѐтся -9 В и выдается сигнал обратной связи согласно рис. 2 е. пример
работы рис. 9 и рис 10.
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
31
Рис. 9. Сигнал обратной связи при неисправности по напряжению питания
платы. Синий – напряжение питания. Зелѐный – сигнал обратной связи
Рис. 10. Сигнал обратной связи при восстановлении напряжения питания
платы. Синий – напряжение питания. Зелѐный – сигнал обратной связи
Защита от перенапряжения (active clamping )
Коммутация тока индуктивной нагрузки приводит к перенапряжению при закрытии
транзистора. В свою очередь превышение максимального напряжения коллектор-
эмиттер приводит к выход из строя транзистора.
C
G
E
Ug
Рис. 11. Схема защиты active clamping
На плате драйвера предусматривается цепочка active clamping (рис. 11), состоящая
из цепочки стабилитронов и диода, блокирующего обратное напряжение. Для
силового транзистора класса напряжения 1700 В цепочка active clamping
выбирается на менее 1500В. Желательно использовать быстродействующие TVS
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
32
диоды поверхностного монтажа для уменьшения индуктивности. При этом
предусматривается защита затвора от перенапряжения, вызванного работой
цепочки active clamping в виде двунаправленного защитного диода.
Заключение
В данной статье описаны основные особенности схемотехники цифрового драйвера
для силовых IGBT транзисторов. Особенностью рассмотренного драйвера является
взаимодействие по обратной связи с системой верхнего уровня с использованием
оптического канала, управление транзистором и определения режима работы ключа
с целью его защиты при аварийных ситуациях.
В
документе
представлена
функциональная
схема
подключения
к
микроконтроллеру и электрические схемы основных узлов цифрового драйвера.
Эффективность решений проверена на опытном образце в инверторе
высокомощного привода.
Список литературы
[1]
A. R. Hefner, D. L. Blackburn and K. F. Galloway, ―The Effect of Neutrons on the
Characteristics of the Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT),‖ in IEEE
Transactions on Nuclear Science, vol. 33, no. 6, pp. 1428-1434, Dec. 1986, doi:
10.1109/TNS.1986.4334618.
[2]
A. R. Hefner and D. L. Blackburn, ―Performance trade-off for the Insulated Gate
Bipolar Transistor: Buffer layer versus base lifetime reduction,‖ 1986 17th Annual
IEEE Power Electronics Specialists Conference, Vancouver, BC, Canada, 1986, pp.
27-38, doi: 10.1109/PESC.1986.7415543.
[3]
A. Nakagawa, S. Nakamura and T. Shinohe, ―Rapid Convergence Bipolar-MOS
Composite Device Model - Tonadder- And Its Application To Bipolar-Mode
MOSFETs(IGBT),‖ [1987] NASECODE V: Proceedings of the Fifth International
Conference on the Numerical Analysis of Semiconductor Devices and Integrated
Circuits, Dublin, Ireland, 1987, pp. 295-300, doi: 10.1109/NASCOD.1987.721195.
[4]
K. Horii et al., "Large Current Output Digital Gate Driver for 6500 V, 1000 A IGBT
Module to Reduce Switching Loss and Collector Current Overshoot," in IEEE
Transactions on Power Electronics, doi: 10.1109/TPEL.2023.3259521.
[5]
M. Parker, I. Sahin, R. Mathieson, S. Finney and P. D. Judge, "Investigation Into
Active Gate-Driving Timing Resolution and Complexity Requirements for a 1200 V
400 A Silicon Carbide Half Bridge Module," in IEEE Open Journal of Power
Electronics, vol. 4, pp. 161-175, 2023, doi: 10.1109/OJPEL.2023.3250086.
[6]
Z. Lou, T. Mamee, K. Hata, M. Takamiya, S. -I. Nishizawa and W. Saito, "IGBT
Power Module Design for Suppressing Gate Voltage Spike at Digital Gate Control,"
in IEEE Access, vol. 11, pp. 6632-6640, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3237266.
[7]
V. Dmitrievskii, V. Prakht, A. Anuchin and V. Kazakbaev, "Traction Synchronous
Homopolar Motor: Simplified Computation Technique and Experimental Validation,"
in
IEEE
Access,
vol.
8,
pp.
185112-185120,
2020,
doi:
10.1109/ACCESS.2020.3029740.
[8]
V. Dmitrievskii, V. Prakht, V. Kazakbaev, and A. Anuchin, ―Comparison of Interior
Permanent Magnet and Synchronous Homopolar Motors for a Mining Dump Truck
Traction Drive Operated in Wide Constant Power Speed Range,‖ Mathematics, vol.
10, no. 9, p. 1581, May 2022, doi: 10.3390/math10091581. [Online]. Available:
http://dx.doi.org/10.3390/math10091581.
[9]
V. Prakht, V. Dmitrievskii, A. Anuchin, and V. Kazakbaev, ―Inverter Volt-Ampere
Capacity Reduction by Optimization of the Traction Synchronous Homopolar Motor,‖
Mathematics, vol. 9, no. 22, p. 2859, Nov. 2021, doi: 10.3390/math9222859.
[Online]. Available: http://dx.doi.org/10.3390/math9222859.
[10]
Online:TMS320F28002x Real-Time Microcontrollers datasheet (Rev. B) (qeeniu.net),
last access December 8, 2023.
[11]
Idir, Nadir. ―Turn-on Performance of Reverse Blocking IGBT (RB IGBT) and
Optimization Using Advanced Gate Driver.‖ IEEE Transactions on Power Electronics
(2010): n. pag. Print.
[12]
Chen Hao and Xie Guilin, ―80C31 single chip computer control of the switched
reluctance motor for locomotive in coal mines,‖ ICEMS'2001. Proceedings of the
Fifth International Conference on Electrical Machines and Systems (IEEE Cat.
No.01EX501),
Shenyang,
China,
2001,
pp.
604-607
vol.1,
doi:
10.1109/ICEMS.2001.970748.
[13]
Hao Chen, Dong Zhang and Xianjun Meng, ―Analysis of three-phase 12/8 structure
switched reluctance motor drive,‖ ISIE 2001. 2001 IEEE International Symposium on
Industrial Electronics Proceedings (Cat. No.01TH8570), Pusan, Korea (South), 2001,
pp. 781-785 vol.2, doi: 10.1109/ISIE.2001.931567.
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
33
[14]
X. Shaohui, C. Hao, C. He and Y. Shunyao, ―Research on parallel switching device
current sharing of Switched Reluctance Motor,‖ 2017 IEEE Conference of Russian
Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), St.
Petersburg
and
Moscow,
Russia,
2017,
pp.
1070-1074,
doi:
10.1109/EIConRus.2017.7910741.
[15]
H. C. Hill and J. B. S. Legue, ―Electrical equipment for oil-field operations,‖ in
Electrical Engineering, vol. 50, no. 9, pp. 753-754, Sept. 1931, doi:
10.1109/EE.1931.6429434.
[16]
R. Herzer, ―Integrated gate driver circuit solutions,‖ 2010 6th International
Conference on Integrated Power Electronics Systems, Nuremberg, Germany, 2010,
pp. 1-10.
[17]
E. Flores, A. Claudio, J. Aguayo and L. Hernandez, ―Fault Detection Circuit Based on
IGBT Gate Signal,‖ in IEEE Latin America Transactions, vol. 14, no. 2, pp. 541-548,
Feb. 2016, doi: 10.1109/TLA.2016.7437190.
[18]
A. Zhukov, A. Ledovskikh, N. Kuraev, A. Ionov, K. Fedorova and A. Anuchin,
"Development of an IGBT Driver Test Bench," 2023 XIX International Scientific
Technical Conference Alternating Current Electric Drives (ACED), Ekaterinburg,
Russian Federation, 2023, pp. 1-5, doi: 10.1109/ACED57798.2023.10143451.
|