Драйвер для IGBT-транзистора
IGBT TRANSISTOR DRIVER

Данное изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления IGBT-транзистором, в том числе мощным IGBT-транзистором.
Известен модуль драйвера МД2180П-Б (далее по тексту - драйвер) для управления мощными транзисторами с полевым управлением (MOSFET или IGBT) с предельно допустимым напряжением до 1700 В.
Модуль драйвера обеспечивает:
- выдачу сигнала управления на управляющий переход транзистора;
- контроль напряжения насыщения на коллекторе управляемого транзистора, его защитное отключение при выходе из состояния насыщения;
- обеспечение плавного перехода драйвера из активного состояния в неактивное при аварийной ситуации (выход управляемого транзистора из режима насыщения);
- контроль температуры нагрева управляемого транзистора;
- контроль напряжения питания драйвера;
- блокировку управления при аварии (перегреве, снижении напряжения питания драйвера, выходе транзистора из режима насыщения);
- выдачу оптического сигнала в систему управления о нормальном режиме работы драйвера и снятие сигнала при аварии.
Функциональная схема драйвера приведена на Фиг. 1.
DESAT
DESAT
DESAT
Одновременно с поступлением импульса управления на вход узла логики 2 в узле защиты по насыщению начинается заряд конденсатора C от встроенного источника тока 7B. При нормальной работе IGBT-транзистор открывается и через диод VD1 узла защиты по напряжению 3 шунтирует конденсатор C раньше, чем напряжение на конденсаторе C достигнет порогового значения (7 В).
DESAT
DESAT
В случае, если произойдет задержка открывания транзистора на время больше нормированного значения или короткое замыкание в цепи нагрузки IGBT-транзистора, приводящее к выходу транзистора из насыщения и повышению напряжения на коллекторе выше 7 В, продолжится заряд конденсатора C от источника тока 7 В. При повышении напряжения заряда на конденсаторе C до порогового значения срабатывает узел защиты по насыщению 3 и выдает сигнал на узел логики 2. При этом узел логики 2 через выходной усилитель 4 закрывает IGBT-транзистор в защитном режиме - с пониженной скоростью снижения напряжения на затворе IGBT-транзистора для уменьшения перенапряжения на транзисторе при разрыве тока перегрузки или короткого замыкания.
DESAT
IGBT-транзисторы выдерживают ток короткого замыкания в течение времени до 10 микросекунд (мкс). Исходя из этого условия и учета времени закрывания IGBT-транзистора время заряда конденсатора C выбирается не более 3 мкс.
При срабатывании узла защиты по насыщению 3 узел логики 2 блокирует подачу импульсов управления на IGBT-транзистор, одновременно прекращает подачу сигнала ГОТОВ в систему управления преобразователем.
Аналогично функционирует узел логики 2 при срабатывании узла защиты по недонапряжению 5 и узла защиты от перегрева 6.
Для переключения узла логики 2 в режим нормального функционирования предусмотрен вход для сигнала СБРОС ЗАЩИТЫ.
Питание всех узлов и выходного усилителя драйвера стабилизированными напряжениями Р1+, Р1-, Р2+ обеспечивает источник питания 1, подключенный к гальванически развязанному источнику переменного напряжения.
Драйверы подобного типа хорошо функционируют с IGBT-транзисторами малой и средней мощности, у которых время включения не превышает 1-2 мкс.
Недостатком данного драйвера является следующее:
- не обеспечивается защита мощных высоковольтных IGBT-транзисторов, имеющих более длительное время включения (происходит ложное срабатывание защиты при включении транзистора из-за более длительного включения по сравнению с транзисторами малой и средней мощности).
Для обеспечения защиты мощных IGBT-транзисторов при перегрузке и коротком замыкании нагрузки в драйвер дополнительно введены RC-цепь R2, С1, источник опорного напряжения Uge(th), по величине равный пороговому напряжению затвор-эмиттер управляемого IGBT-транзистора, компаратор напряжения DA1 с открытым коллекторным выходом, шунтирующий резистор R1, токоограничительный резистор R3, стабилитроны VD5, VD6, причем вход RC-цепи (резистор R2) подключен к управляющему выводу :G драйвера, а ее выход подключен к неинвертирующему входу компаратора DA1, а к инвертирующему входу компаратора DA1 подключен источник опорного напряжения Uge(th). Коллекторный выход компаратора DA1 через шунтирующий резистор R1 подключен к входу узла защиты по насыщению 3, к нему же подключен резистор R3, вторым выводом подключенный к аноду стабилитрона VD6, катод которого подключен к выводу :С драйвера, а параллельно входу узла защиты по насыщению 3 подключен стабилитрон VD5, причем анод VD5 подключен к общему проводу питания драйвера, а катод - к входу узла защиты по насыщению 3. Функциональная схема предлагаемого драйвера приведена на Фиг. 2.
Работа предлагаемого драйвера.
После подачи питающего напряжения и поступления на вход узла логики 2 оптического импульса СБРОС ЗАЩИТЫ драйвер переходит в рабочий режим: выдает оптический СИГНАЛ ГОТОВ в систему управления и преобразует поступающие на узел логики 2 оптические ИМПУЛЬСЫ УПРАВЛЕНИЯ в электрические импульсы напряжения, поступающие на переход затвор-эмиттер IGBT-транзистора.
При отсутствии оптического импульса на входе узла логики 2 напряжение на базах транзисторов выходного усилителя отрицательное, нижний по схеме р-n-р транзистор открыт. Напряжение от источника отрицательного напряжения Р1- через открытый p-n-р транзистор и резистор Roff поступает на затвор IGBT-транзистора (контакт :G).
d(on)
GE
При появлении оптического ИМПУЛЬСА УПРАВЛЕНИЯ на входе узла логики 4 напряжение на базах транзисторов выходного усилителя 4 скачком становится положительным, p-n-р транзистор закрывается, а n-р-n транзистор открывается и подает положительное напряжение от источника Р1+ через резистор Ron на контакт :G. При этом напряжение Uge на затворе транзистора увеличивается от отрицательного значения до положительного и достигает значения Uge(th). Время изменения напряжения на затворе IGBT-транзистора от исходного (отрицательного) значения до Uge(th) (время задержки включения t) определяется значениями напряжения источников Р1- и Р1+, а также сопротивлением резистора Ron выходного усилителя 4 и входной емкостью C IGBT-транзистора. Для мощных IGBT-транзисторов время задержки включения составляет более 1 мкс.
CE
CEsat
При увеличении напряжения на затворе выше Uge(th) в нормальном режиме начинается процесс открывания транзистора и появляется ток коллектора. Однако напряжение U остается равным напряжению силового питания на время закрывания оппозитного диода, которое может достигать 0,5 мкс. Затем начинается снижение напряжения на коллекторе до напряжения насыщения U. Время снижения напряжения на коллекторе мощного IGBT-транзистора из-за эффекта Миллера и входной емкости может достигать 2 мкс и более.
DESAT
DESAT
Таким образом, время с момента поступления импульса управления на драйвер до полного открывания мощного IGBT-транзистора может составлять 3,5 мкс и более, что превышает время заряда конденсатора C и приводит к ложному срабатыванию защиты от короткого замыкания и перегрузки мощного IGBT-транзистора. Увеличение времени заряда конденсатора C для исключения ложного срабатывания приводит к превышению допустимой длительности протекания тока короткого замыкания и, как следствие, к выходу из строя IGBT-транзистора.
GE
DESAT
DESAT
DESAT
DESAT
CE
DESAT
Для обеспечения защиты мощного IGBT-транзистора от токов перегрузки и короткого замыкания в схему драйвера введен компаратор DA1, на неинвертирующий вход которого подается равное Uge(th) напряжение, а на инвертирующий вход - напряжение U через RC-фильтр R2,C1. При напряжении на затворе IGBT-транзистора меньше Uge(th) выходной транзистор компаратора DA1 открыт и через низкоомный резистор R1 шунтирует конденсатор C. После превышения напряжением затвора значения Uge(st) через время задержки, определяемое параметрами RC-цепи R2-C1, срабатывает компаратор DA1 (закрывается выходной транзистор компаратора) и прекращается шунтирование конденсатора C. Начинается заряд конденсатора C от внутреннего источника тока узла защиты по насыщению 3. Параметры R2 и С1 выбраны такими, чтобы шунтирование C прекратилось при спаде напряжения U в нормальном режиме работы ниже опорного напряжения (7 В) узла защиты по насыщению 3. Это время обычно не превышает 1-3 мкс. После срабатывания компаратора DA1 напряжение заряда на конденсаторе C ограничивается силовым IGBT-транзистором через последовательно соединенные резистор R3 и стабилитрон VD6.
CE
При возникновении перегрузки по току IGBT-транзистор выходит из режима насыщения и напряжение U становится больше опорного напряжения (7 В). Срабатывает узел защиты по насыщению и происходит аварийное отключение IGBT-транзистора.
CE
DESAT
В случае возникновения короткого замыкания в нагрузке напряжение U становится равным напряжению питания нагрузки, что значительно превышает напряжение стабилизации стабилитрона VD6. При этом конденсатор C с большой скоростью заряжается через стабилитрон VD6 и резистор R3 до порога срабатывания узла защиты по напряжению 3. Далее происходит аварийное отключение IGBT-транзистора.
DESAT
DESAT
В случае короткого замыкания (например: пробоя оппозитного диода) при включении IGBT-транзистора конденсатор C начнет заряжаться с большой скоростью после срабатывания компаратора DA1. Задержка срабатывания компаратора DA1 от момента начала протекания тока через IGBT-транзистор не превышает 1-3 мкс, а заряд конденсатора C при этом не превышает 1 мкс, т.е. процесс аварийного отключения IGBT-транзистора начнется не позднее 4 мкс после начала протекания тока через IGBT-транзистор.
DESAT
Стабилитрон VD5 обеспечивает ограничение напряжения заряда конденсатора C на уровне ниже допустимого значения.
Список литературы:
1. Модуль драйвера IGBT и MOSFET транзисторов МД2180П-Б, МД2180П-Б1 Паспорт АЛЕИ.431162.200 ПС