Isolated gate control igbt
Andrey Kolpakov (Semikron Kft.), Markus Hermville (SEMIKRON Int. GmbH)
Az IGBT-ek zársebessége és dinamikai tulajdonságai
A MOSFET / IGBT elszigetelt zárszerkezet, mint a vezérlő és a teljesítményfokozat közötti kapcsolat, az átalakító eszköz egyik fő összetevője. A vezérlő áramkör jellemzői nagymértékben meghatározzák a konverter paramétereit - a statikus és dinamikus veszteségek mennyiségét, a kapcsolási sebességet és az elektromágneses interferencia szintjét. Ebből a szempontból a legfontosabb figyelmet kell fordítani az ellenőrzési módok és a járműválasztás kiszámítására.
Az IGBT-k dinamikus üzemmódban való viselkedése elsősorban a kapu kapacitásának, valamint a vezérlőkör belső és külső impedanciájának értékétől függ.
Az 1. ábrán az átmenet főbb parazita kapacitása látható, a technikai jellemzőkre normalizálva:
CGE - kapacitású "kapu-emitter";
CCE - kollektor-emitter kapacitás;
A CGC a "gate-collector" kapacitás (vagy Miller kapacitása).
A kapu kapacitása nem változik a hőmérséklet függvényében, és a kollektor-emitter feszültségtől való függése a csökkenő VCE-vel egyre hangsúlyosabbá válik. Charge Capture QG. amelyet a CGC és a CGE értékei határoztak meg. kulcsfontosságú paraméter a vezérlő áramkör által disszipált teljesítmény kiszámításakor.
Az IGBT viselkedését, amikor kinyílik, teljesen meghatározza a kapu töltési jellemzője. A kapu-emitter feszültség egyszerűsített feszültségdiagramjai VGE. gate current IG. a kollektoráram IC és a VCE kollektor-emitter feszültség a tranzisztor telített állapotú átmenete során a 2. ábrán látható.
Ábra. 2. Az IGBT aktiválási folyamat egyszerűsített diagramjai
Az IGBT bevitelének folyamata feltételesen három szakaszra bontható, amelyek a CGE bemeneti kapacitás elsődleges töltésével kapcsolatosak. a Miller CGS kapacitása és végül a CGE teljes díja. megy a tranzisztor telítettségéhez.
Nézzük részletesebben a tranzisztor bekapcsolásának folyamatát, amelynek diagramjait a 2. ábrán mutatjuk be. A t0 időintervallumban a kapu CGE bemeneti kapacitása kezdeti töltése megtörténik. Az egyszerűség kedvéért azt feltételezzük, hogy a töltést állandó áram jeleníti meg, ezért a VGE feszültség emelkedése első lineáris része megfelel ennek a szintnek. amely a t1 időpontig tart. Ezen a ponton a kapufeszültség eléri a küszöbértéket a VGE (th) tranzisztor felszabadításánál. A tranzisztor tulajdonságaitól és a vezérlőáramkör impedanciájától függően az ebben a szakaszban lévő kapu IG értéke több tíz amperes értéket érhet el. Mivel a t1 pontnál a kapufeszültség a kioldási küszöb alatt van, nincs kollektív áram IC. és a VCE kollektor-emitter feszültség egyenlő a VCC tápfeszültséggel.
Amint a vezérlőjel meghaladja a küszöbértéket, az IGBT elindul, azzal jellemezve, hogy a kollektoráram növeli a terhelés által korlátozott értéket (ICload). Ez akkor igaz, ha ideális ellenkező diódát használunk, a valós áramkörökben a befogadás pillanatában az aktuális amplitúdó valamivel magasabb, mint az ICload érték. Ennek oka a visszirányú dióda helyreállítási folyamat, amelynek eredményeképpen az Irr redukciós áramot hozzáadják az IC-hez a dióda átmenetnél a nem vezető állapotba. Ezért van az VCE időzónában lévõ VCE feszültség ugyanazon a szinten.
Továbbá a kapuvezérlő jel eléri a VGE (pl) értékét. az úgynevezett "Miller-fennsík", a t2 és t3 időintervallumok között tartják fenn. Ugyanabban a szakaszban, az ellenkező dióda teljes kikapcsolása után kezdődik a VCE kollektor feszültségcsökkenése. amelynek sebessége dVCE / dt a t2-ben elég magas. A t3 intervallumon csökken. amelynek során a tranzisztor telített állapotba kerül. Az 1b. Ábrán bemutatott grafikonnak megfelelően ez idő alatt a Miller kapacitása CCG növekszik, és a kapu jelenlegi IGC egy része feltölti. amely meghatározza a kapuvezérlő jel stabilizációját a VGE (pl) szintjén.
A t4 időintervallum elején a tranzisztor teljesen be van kapcsolva, és a kapacitás CCG töltődik. Az exponenciálisan csökkenő kapuáram folyamatosan áramlik a CGE bemeneti kapacitására. és a feszültséget a VGE (bekapcsolt) maximális értékére helyezi. amelyet az ellenőrzési rendszer határoz meg. E szakasz végén a VCE érték eléri a minimális értékét, amit a VCEsat telítési feszültségnek neveznek.
Amikor a tranzisztort kikapcsolják, a leírt folyamatok fordított sorrendben fordulnak elő.
A redőny jellemzőinek mérése
A 3a. Ábra egy áramkört mutat be, amely a kapu töltésének mérésére szolgál. Az IGBT be van kapcsolva és ki van kapcsolva a stabilizált áramforrásról + IG / -IG.
Ábra. 3. a) kapu töltés mérő áramkör, b) tipikus kapu jellemző VGE = f (t), VGE = f (QG), c) a jellemző extrapolálása
A tápfeszültség VCC a tranzisztorra kerül. a kollektor aktuális impulzus ICpulse amplitúdóját az RL terhelési érték korlátozza. Mivel a kapu aktuális stabil, VGE feszültség lineárisan változik, minden egyes alkalommal, részben, az azonos lineárisan összhangban az arány QG = IG × t töltés felhalmozódását. Következésképpen, a feszültség változását a kapu egyenértékű az exponáló jellemzők: VGE = f (t) «VGE = f (QG), amint azt a 3b ábrán látható. Ez a módszer a jellemzők meghatározására QG dokumentumban ismertetett IEC 60747-9, Ed.2: «félvezető eszközök - diszkrét eszközök - 9. rész: Szigetelt-kapu bipoláris tranzisztorok (IGBT).
Ha a tranzisztor specifikációjában csak a pozitív karakterisztikát adjuk meg, akkor a QG összértéke extrapolációval határozható meg, amint azt a 3c. Ábra mutatja. A világos zöld négyszög a technikai specifikációkban normalizált értékek kvadránsa. E zóna párhuzamos átadásával a QG gráf mentén a VG értékre (kikapcsolva) az 1-es és a 3-as kvadránsban található jellemzőt lehet elérni.
A kapunyújtó QG a Ciss bemeneti kapacitás értékén alapuló számítási módszerrel is meghatározható:
A kC kapcitenzitás konverziós tényezőjét a kC = QG (ds) / (Cies × (VG (on) - VG (off)) kifejezéssel határozzuk meg.
ahol a QG (ds) a töltés névleges értéke, amelyet az adott vezérlőfeszültség VG (on) / VG (kikapcsolva) specifikációi normalizáltak.
A záridő és a meghajtó kimeneti teljesítménye
A vezető által az IGBT átkapcsolásához szükséges teljesítmény a fsw kapcsolási frekvencia és a kapu kapacitásának feltöltéséhez és kisütéséhez szükséges energia EE függvénye. Így a PGD (ki) vezérlő áramkör kimeneti teljesítményét a következő képlet határozza meg: PGD (out) = E × fsw.
Az E érték viszont a QG kapumennyiség és a vezérlőfeszültség csepp dVG értékétől függ. E = QG × (VGon-VGoff). Ebből következik a vezetõ teljesítmény meghatározásának eredménye: PGD (out) = QG × (VGon - VGoff) × fsw.
Egy másik fontos paraméter a gate current IG nagysága. amelyeknek elegendőnek kell lenniük a fent említett kapacitások váltásához, és ezért az IGBT átkapcsolásához. A 4. ábra bemutatja, hogy a kapuvezérlő áram IGBT IG hogyan oszlik meg a CGE és a CGC bemeneti kapacitása között.
Az IG minimális értéke a következőképpen számítható ki: IG = IGE + IGC = QG × fsw.
Viszont a csúcs kapu aktuális IGpeak. amely meghatározza a QG töltési sebességet. közvetlenül befolyásolja az IGBT kapcsolási sebességét. Ahogy az IGpeak értéke nő, a be- és kikapcsolási idők rövidülnek, és a kapcsolási veszteség ennek megfelelően csökken. Ez elkerülhetetlenül befolyásolja a dinamikus tulajdonságait más fontos IGBT, például a nagysága a kapcsolási feszültség tüske a kikapcsolás, attól függően, hogy a csillapítás mértéke a jelenlegi di / dt. Ebből a szempontból a kapcsolási sebesség növelése negatív tényező, ami csökkenti a készülék megbízhatóságát.
Elméleti csúcs gate áram határozza meg képlet IGpeak = (VG (a) - VG (off)) / (RG + RG (int)), ahol RG (int) - belső ellenállás vezérlő áramkör, amely tartalmaz egy ellenállást szerelt belül az IGBT modul. A gyakorlatban a jelenlegi amplitúdó valamivel alacsonyabb, mint a tervezési szint a vezérlő áramkör elosztott induktivitása miatt.
A kimeneti áram maximális megengedett értéke, valamint az RG minimális értéke. mint általában a járművezetői specifikáció. Meg kell jegyezni, hogy az IGpeak határértékének korlátozására vonatkozó követelmények be nem tartása a vezérlő áramkör meghibásodásához vezethet.
Az IGBT redőnyvezérlő eszköz kiválasztásánál a következő követelményeket kell figyelembe venni:
- az IGav meghajtó átlagos áramának referenciaértékének nagyobbnak kell lennie, mint a kiszámolt érték, és a csúcsáram IGpeak maximális megengedett értéke azonos vagy nagyobb, mint a vezérlőáram impedanciája által korlátozott tényleges érték;
- kimeneti vezérlő áramkör kapacitív (kapacitív telepített Táplálkozás a végfokozat) képesnek kell lennie arra, hogy tárolja töltés (QC = C × U), szükséges az IGBT kapcsolási;
A fenti képletekkel és kifejezésekkel a fejlesztő meghatározhatja a kapunyújtó áramkör összes szükséges paraméterét. A folyamat automatizálása érdekében a SEMIKRON szakemberei egy egyszerű DriverSEL programot fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi az összes szükséges paraméter meghatározását és a megfelelő illesztőprogram kiválasztását.
Ábra. 5. A DriverSel program munkaablaka
A következő információk szükségesek a DriverSel kiszámításához:
1. A modul típusa (ebben az esetben SEMiX 653GD176HDc), miközben a program információt kap a kapu töltéséről QG, az üzemi feszültség és a modul konfiguráció az adatbázisból;
2. A párhuzamos modulok száma - ez a szám lehetővé teszi, hogy meghatározza a zár teljes töltését, amely alapján a vezető által eloszlatott teljesítmény számítása;
3. működési frekvencia fsw - információ, amely szintén szükséges a teljesítményeloszlás meghatározásához;
4. a kapuellenállás minősítése.
Ha a "Felhasználó által definiált modul paraméterek" üzemmódot választja (felhasználói által definiált modul paraméterek), egy további menü jelenik meg, amely három ablakból áll:
- Kapu töltés modulonként (a modul kapu feltöltése μC-ben);
- Kollektor - Emitter feszültség (kollektor-emitter feszültség);
- A modulonkénti kapcsolók száma (modulok száma: 1- egy gomb, 2 félhíd, 6-3 fázisú híd, 7-3 fázisú híd fékszaggatóval).
A DriverSel helyes működéséhez a kapu töltésének két értékét kell megadni: a +15 V tranzisztor nyitási feszültsége és a zárófeszültség -8 V.
A szükséges adatok bevitelével a 2. ábra alján feltüntetett formában a "Javaslat a SEMIKRON IGBT illesztőprogramra" vonatkozó ajánlást kapja:
- A meghajtók száma - az ehhez a modulhoz szükséges vezérlési rendszerek száma (például három félhíd meghajtó a 3 fázisú modulhoz);
- IoutPEAK - a vezető kimeneti áram csúcsértéke, amelyet az IoutPEAK = VGE / RG képlet határoz meg;
- IoutAVmax. RGmin. VS - az átlagos áramerősség, a minimális ellenállás és a tápfeszültség referencia értékei egy ilyen típusú vezető számára.
A program "Megfelelő illesztőprogram nem található" megjegyzést kap, ha lehetetlen kiválasztani a megfelelő eszközt a megadott feltételeknek megfelelően. Ez lehet a helyzet, ha a teljes kapu díj elfogadhatatlanul magas (nagy számú párhuzamosan kapcsolt modulok) túl nagy kapcsolási frekvenciával vagy az említett kapu ellenállás kisebb, mint a legkisebb lehetséges értéke.
2. Alkalmazás kézi teljesítmény modulok, SEMIKRON International
4. M. Hermwille, "Gate-ellenállás - elv és alkalmazás", Application Note AN-7003, SEMIKRON
5. P. Bhosale, M. Hermwille, "Kapuvezetők csatlakoztatása az IGBT-hez és a vezérlőhöz", Application Note AN-7002, SEMIKRON
6. IEC 60747-9, Ed.2: Félvezető eszközök - Diszkrét készülékek - 9. rész: Szigetelt kapu bipoláris tranzisztorok (IGBT)
7. M. Hermwille, IGBT Driver számítás, Application Note AN-7004, SEMIKRON
Új digitális IGBT illesztőprogram
A Semikron új generációs IGBT kapuvezérlő berendezéseket vezetett be. A digitális jelfeldolgozó processzoron alapuló SKYPER® 52 meghajtó lehetővé teszi az elkülönített vezérlőjelek és érzékelőjelek továbbítását, valamint a védelmi áramkör egyedi konfigurálását. A SKYPER® 52 meghajtó használatával egyszerűsítheti és csökkentheti a hatékony átalakító eszközök fejlesztését, és növelheti a teljes rendszer megbízhatóságát.
SKYPER® digitális vezető 52 célja, hogy ellenőrizzék az üzemi feszültség IGBT 1200, és 1700 V Ha a tápfeszültség 9 W csatornánként és kimeneti csúcs áram 50 A, hogy képes együttműködni a párhuzamos kapcsolása a modulok, a teljes kollektor árama, amely 9000 A. Ezen kívül SKYPER® 52 nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz alkalmas, ahol nagy teljesítményű vezérlő áramkörre van szükség, amely akár 100 kHz-es frekvencián is képes működni. Szigetelési feszültség vezető 4 kV, és a kapu le feszültség -15 V A szint a bemeneti jelek 3,3 és 5 (LVDS standard) lehetővé teszi SKYPER® 52 közvetlenül csatlakoztatható a kimenet a mikrovezérlő.