Vítejte, dnes je
sobota 20.
duben
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky S obvody pro konverzi napájecího napětí se můžeme nejčastěji setkat v pohonných systémech či aplikacích obnovitelných zdrojů energie. Typicky se jedná o obvod měniče převádějící stejnosměrné vstupní napětí na střídavé. Takto získaným napětím se dále buď řídí motor, nebo může být připojeno k rozvodné síti.
Srdcem každého podobného střídače jsou výkonové, ovšem poměrně drahé obvody IGBT, které pracují na vysoké frekvenci a je nezbytně nutné, aby zvládaly vysoké stejnosměrné napětí sběrnice. Účinnost a spolehlivost těchto energetických zařízení mají často zásadní význam při maximalizaci výkonu celého systému.
Tabulka 1 Přehled poruchových stavů, vyžadujících použití ochranných obvodů
V takových systémech se používají obvykle optočleny, které zajišťují bezpečné galvanické oddělení mezi řídicími obvody a obvodem s vysokým napětím. Rovněž svým provozem pomáhají udržet vysoké CMR (Common Mode Rejection), které brání chybnému provozu IGBT, například v silně zarušeném prostředí.
Budiče Gate, stejně jako obvody optočlenů, jsou při řízení IGBT poměrně častou záležitostí, neboť jsou zdrojem vysokého výkonu, nutného pro přesné řízení proudu a zajištění vysoké převodní účinnosti. Mezi jedny z velmi výkonných budičů s optočleny patří obvody ACPL-332J od společnosti Avago Technologies. Jedná se o kompaktní a cenově efektivní řešení pro ochranu IGBT, neboť v jediném pouzdře integrují funkce, jako je: detekce desaturace VCE, UVLO, „měkké“ vypnutí IGBT, izolovaná zpětná vazba otevřeného kolektoru a aktivní komutační obvod – Miller Clamp.
Obr. 1 Pracovní oblast typického IGBT.
Izolované zesilovače pracují ve spojení se snímacími rezistory. Na svém výstupu poskytují informaci o aktuální hodnotě proudu výkonovým konvertorem, a to i za přítomnosti poměrně vysokého šumu. Integrovaná detekce zkratu a přetížení těchto zařízení poskytuje rychlou odezvu, cenově přijatelné a snadno implementovatelné řešení detekce poruchového stavu s rozšířením o měření proudu. V tabulce 1 jsou uvedeny různé podmínky, které mohou vést k poškození obvodů IGBT nebo celého konvertoru.
Izolovaný budič ACPL-332J ve svém pouzdře integruje podpůrný obvod detekce poklesu napětí, který brání provozu IGBT při nedostatečném napětí tím, že po zapnutí udržuje provoz obvodu pouze s omezeným výkonem. IGBT spínače pro dosažení jmenovitého napětí VCE(SAT) vyžadují budicí napětí typ. 15 V. Při napětí do gate nižším než 12 V může IGBT pracovat v lineární oblasti, čímž zde dochází k dramatickému nárůstu VCE(SAT) a při vyšších proudech také k nezanedbatelným tepelným ztrátám. V tomto okamžiku, kdy na gate není přítomné dostatečné napětí, brání optočlen s funkcí UVLO sepnutí výkonového spínače.
Bezpečnostní monitor napětí VCE(SAT) sleduje svorkové napětí IGBT a přechod tranzistoru do stavu desaturace a je schopen vyvolat poruchový stav. Desaturace může být zapříčiněna poruchou fáze nebo krátkým výpadkem napájecího napětí. Za těmito jevy může stát například vadná elektroinstalace, porucha řídicích signálů z důvodu programové chyby, přetížení z důvodu nadměrné zátěže nebo jiná závada v řídicím obvodu. Během desaturace dochází k drastickému nárůstu proudu, stejně jako ztrátového výkonu na IGBT, což způsobí přehřátí polovodičového prvku a může znamenat až poškození celého obvodu.
Saturační napětí IGBT přechodu kolektor/emitor – VCE(SAT) je zde monitorováno pinem DESAT (pin 14). Jakmile dojde ke zkratu a napětí VCE překročí prahové napětí interního desaturačního detektoru (7 V), přejde obvod do stavu řízeného (měkkého) vypnutí. Tím se zabraňuje indukci vysoké napěťové špičky di/dt. Zpětná vazba poruchového obvodu zároveň přepne pin FAULT (pin 3) na nízkou úroveň a tím připojený mikrokontrolér (nebo jiný obvod) informuje o vzniku poruchového stavu.
Jedním ze společných problémů provozu IGBT je nežádoucí zapnutí vlivem parazitární kapacity Millerova kondenzátoru. V okamžiku vypnutí vyvolá změna napětí dVCE/dt proud S2, který je na IGBT ovlivněn parazitní kapacitou Millerova kondenzátoru CCE. Tento proud teče přes rezistor gate RG a vnitřní odpor RDRIVER, což mezi emitorem a gate IGBT vyvolá úbytek napětí. Pokud úroveň tohoto napětí překročí prahovou hodnotu gate IGBT, může dojít snadno k nežádoucímu sepnutí na S2, což by vedlo ke zkratu.
Obr. 2 Obvod ACPL-332J s detekcí desaturace a Active Miller Clamp
Aby se zabránilo nežádoucímu sepnutí IGBT, je přímo v obvodu budiče ACPL-332J integrován blok aktivní kompenzace Millerova kondenzátoru. Při vypínání je hlídáno řídicí napětí, a pokud dojde k poklesu pod 2 V (vzhledem k VEE), je ovlivněn stav výstupu. V případě menších budičů může být Millerova kapacita použita rovněž jako náhrada za záporný zdroj řídicího napětí pro rychlé vybití potenciálu a vypnutí IGBT.
Obr. 3 (a) Parazitní sepnutí IGBT vlivem Millerovy kapacity. (b) Active Miller Clamp vybočí parazitní Millerův proud.
Podle konkrétních požadavků na bezpečnost může být součástí obvodu rovněž detekce nadproudu. V kombinaci s několika detekčními body, včetně emitoru IGBT, tří výstupních fází a DC svorek HV+ a HV-, tento obvod tvoří nadproudovou ochranu. Uvedeného způsobu detekce se používá v integrovaných obvodech iso-amps, jako jsou například obvody HCPL-788J/ACPL-785J od Avago Technologies. Aby přes izolaci byl zajištěn rychlý přenos chybového stavu, využívají k tomu obvody HCPL-788J/ACPL-785J unikátních digitálních kódovaných sekvencí. V případě zjištění poruchy je standardní přenos dat po optickém izolačním kanálu přerušen a nahrazen sekvencí chybových kódů. Vzhledem k tomu, že se tyto kódy od standardního schématu značně odlišují, rozpozná integrovaný dekodér poruchový stav prakticky okamžitě.
Obr. 4 Vnitřní blokové zapojení pro HCPL-788J/ACPL-785J
Bohužel však i běžné rušení způsobené provozem spínaných obvodů může vést až ke vzniku falešných poruchových stavů, aniž by zde byl skutečný poruchový stav přítomen. Aby nedocházelo ke vzniku falešných poruch, může zde být s výhodou použit obvod pulzního diskriminátoru, který vliv di/dt a dv/dt pomáhá účinně eliminovat. Výhodou této metody je lhostejnost vůči reálné amplitudě signálu, což znamená, že chybový obvod může být i bez rizika vzniku falešných stavů nastaven na nižší úroveň detekce. Toho lze snadno dosáhnout jednoduchým propojením výstupů komparátorů s 2 ms filtračním obvodem.
Přetížení znamená stav, kdy například proud motorem překročí jmenovitý proud měniče, ovšem ne na tolik, aby došlo k bezprostřednímu ohrožení provozu motoru či budiče. Okamžité vypnutí motoru by v dané aplikaci mohlo vést k nežádoucím následkům. Z tohoto důvodu jsou kromě jmenovité hodnoty střídače obvykle opatřeny hodnotou krátkodobého přetížení. Doba tohoto stavu je obvykle závislá na čase od vzniku stavu po přehřátí obvodu na nebezpečnou mez. Typickým příkladem je přetížení na hodnotu 150 procent nominálního výkonu po dobu až jedné minuty. V obvodech HCPL-788J/ACPL-785J izolovaných zesilovačů jsou integrovány rozšiřující funkce, jako je výstup ABSVAL, který může být použit pro zjednodušení obvodu a identifikaci stavu přetížení. Obvod ABSVAL poskytuje výstupní signál, který je úměrný absolutní hodnotě vstupního napětí podle vzorce: ABSVAL = | VIN | * VREF,EXT / 252 mV.
IGBT tranzistory jsou dnes používány především v obvodech střídačů, budičů motorů nebo v systémech obnovitelných zdrojů energie. Pro řízení IGBT tranzistorů mohou být použity různé technologie, kdy právě výše uvedený princip s optočleny představuje jedno z cenově přijatelných řešení s galvanickým oddělením, integrovanou detekcí a řízením poruchových stavů, zvyšujících spolehlivost a bezpečnost celé aplikace.
