Анализ технических характеристик и тенденций развития высокомощных IGBT-приводов.

1 Introduction

Из-за высокой частоты переключения, низких потерь мощности при проводимости и удобных характеристик управления затвором IGBT, они широко используются в системах преобразования высокой мощности. При применении IGBT, помимо их собственного технического уровня, еще одним важным фактором, который необходимо учитывать, является то, насколько разумным и надежным является проект их драйверов. В качестве интерфейсной цепи между силовой цепью и контроллером, драйвер IGBT имеет значительную корреляцию с потреблением энергии и надежностью системы. Оптимизированный драйвер незаменим в системах преобразования энергии, и выбор подходящей схемы драйвера тесно связан с надежностью общей схемы преобразователя.

Драйвер в основном выполняет следующие три функции: во-первых, функция управления, которая обеспечивает достаточный управляющий ток для переключателя IGBT, чтобы гарантировать, что IGBT может надежно включаться и выключаться под его контролем; во-вторых, драйвер должен иметь защитную функцию, которая может отключить IGBT в кратчайшие сроки при возникновении короткого замыкания или перегрузки по току, защищая силовое устройство. Кроме того, в приложениях с высоким напряжением и высокой мощностью драйвер должен иметь электрическую изоляцию, чтобы гарантировать, что управляющая цепь не будет затронута силовой цепью. При условии удовлетворения вышеуказанных трех функций драйвер также должен учитывать взаимосвязь между гибкостью, производительностью и ценой.

Из-за различий в токовой способности и уровнях напряжения IGBT также существуют различия в технических требованиях к их драйверам. В приложениях с низкой мощностью, из-за относительно небольшого управляющего тока, в основном используются интегрированные драйверы, в то время как в приложениях с высокой мощностью и высоким напряжением, таких как источники бесперебойного питания высокой мощности и высоковольтные инверторы, от драйвера требуется обеспечить большие управляющие токи, более высокие изоляционные напряжения и более полные защитные функции. В этой статье анализируются некоторые общие технические характеристики, проектные моменты и будущие тенденции развития модулей драйверов IGBT высокой мощности, широко используемых на рынке, таких как SKHI22 от Semikron и 2SD315A от Concept.

2 Анализ технических характеристик

2.1 Полные функции обработки сигналов

В приложениях с высоким напряжением и высокой мощностью, учитывая сильные помехи, возникающие при переключении, и высокую стоимость IGBT, обеспечение надежности управляющего сигнала IGBT очень важно. Поэтому модули драйверов IGBT высокой мощности обычно имеют полные функции предварительной обработки управляющего импульсного сигнала, направленные на обеспечение надежности импульсного сигнала на затворе IGBT. Общие функции обработки управляющего сигнала следующие:

(1) Функция двойной блокировки импульсов

Когда модуль драйвера выдает два импульсных сигнала для управления верхними и нижними IGBT на одной и той же мостовой руке, если управляющие сигналы одновременно управляют обоими IGBT, чтобы включиться, может произойти прямое короткое замыкание, что потенциально повредит IGBT или другие устройства. Чтобы предотвратить эту ситуацию, в драйвере внутренне разрабатывается схема блокировки сигнала, чтобы гарантировать, что когда оба входных импульсных сигнала находятся на высоком уровне, оба выхода находятся на низком уровне, предотвращая явление прямой проводимости. Когда требуется независимое управление двойными управляющими сигналами, функцию блокировки также можно отключить через внешние терминалы.

(2) Функция подавления узких импульсов

Узкие импульсные сигналы, вызванные управляющими цепями или помехами, при подаче на затвор IGBT через драйвер могут привести к тому, что IGBT завершит процесс переключения за короткое время. Если импульсный сигнал слишком короткий, IGBT может не полностью включиться перед выключением, что негативно скажется на выходе преобразователя и увеличит потери переключения IGBT, тем самым снижая эффективность системы. В драйвере разрабатывается фильтрующая цепь для удаления узких импульсных сигналов, что помогает улучшить надежность IGBT.

(3) Функция установки мертвого времени

В режиме работы полумоста два IGBT должны включаться поочередно. Чтобы предотвратить одновременное включение обоих IGBT в процессе переключения, необходимо добавить определенное мертвое время во время чередования двух IGBT. Мертвое время варьируется в зависимости от характеристик различных IGBT. В модулях драйверов с двумя высокомощными драйверами внутренне разрабатывается схема управления мертвым временем, и мертвое время можно регулировать через различные соединения внешних терминалов, например, подключая внешние конденсаторы различной емкости (2SD106) или высокие и низкие уровни (SKHI22A/B).

Рисунок 1 показывает блок-схему обработки сигналов драйвера IGBT высокой мощности от Semikron, которая включает различные модули функций обработки сигналов, направленные на обеспечение надежности управляющего сигнала IGBT.

2.2 Метод изоляционной передачи управляющих сигналов

Учитывая, что драйверы IGBT высокой мощности работают в высоковольтных условиях, чтобы гарантировать, что контроллер не будет затронут со стороны высокого напряжения, управляющий импульсный сигнал должен быть изолирован перед передачей на затвор IGBT. Общие методы изоляции включают оптическую изоляцию и магнитную изоляцию. Оптическая изоляция включает изоляцию с помощью оптронов и оптоволоконную изоляцию. Метод изоляции с помощью оптронов имеет относительно низкое изоляционное напряжение и такие проблемы, как задержка передачи, старение и надежность, что делает его редко используемым в высоковольтных приложениях, где напряжение постоянного тока превышает 800 В. В отличие от этого, использование изоляции с помощью импульсного трансформатора (магнитная изоляция) может достичь относительно высокого изоляционного напряжения, и трансформатор имеет высокую надежность и низкую задержку передачи, что позволяет использовать более высокие частоты переключения без проблем старения. Поэтому импульсные трансформаторы в основном используются в качестве изоляционных компонентов в высоковольтных драйверах IGBT для завершения изоляционной передачи управляющих сигналов.

Традиционные импульсные трансформаторы для драйвера непосредственно управляют IGBT или силовым MOSFET после изоляции усиленного импульсного сигнала. Основной принцип схемы показан на рисунке 2. Роль последовательного конденсатора на первичной стороне заключается в удалении постоянной составляющей управляющего импульса. Параллельный регулятор напряжения на вторичной стороне используется для предотвращения превышения выходного напряжения определенного уровня и повреждения силового переключателя. Этот метод работы не требует отдельного источника питания для управления, а схема проста и экономически эффективна. Однако, когда коэффициент заполнения управляющего импульса сильно варьируется, особенно когда коэффициент заполнения велик, выходная форма волны трансформатора должна поддерживать равную площадь вольт-секунд за один цикл, что может уменьшить амплитуду положительного импульса на выходе, что делает невозможным нормальное управление IGBT. Обычно требуется, чтобы коэффициент заполнения управляющего импульса был менее 50%. Кроме того, проблема насыщения сердечника импульсного трансформатора также ограничивает время проводимости управляющего импульса. Другим недостатком является то, что форма волны управления может быть искажена, особенно при управлении IGBT высокой мощности, так как входная емкость IGBT относительно велика, что затрудняет выполнение вторичного выхода импульсного трансформатора для удовлетворения требований управления. Поэтому этот метод управления в основном применяется в источниках питания с низкой мощностью.

Для высоковольтных IGBT высокой мощности вышеупомянутый метод управления явно не применим. Обычно метод заключается в модуляции управляющего импульсного сигнала, преобразуя его восходящие и нисходящие фронты в два инвертированных узких импульсных сигнала. Импульсный трансформатор только связывает эти два импульсных сигнала со вторичной стороной, а затем управляющий импульсный сигнал восстанавливается через вторичное восстановление. Его рабочий принцип показан на рисунке 3.

Этот метод можно назвать методом передачи импульсного сопряжения. Преимущество этого метода заключается в том, что импульсный трансформатор передает только узкие импульсные сигналы с фиксированной шириной импульса, что позволяет адаптироваться к широкому диапазону изменений коэффициента заполнения в управляющем импульсном сигнале. Поскольку трансформатор передает узкие импульсные сигналы, магнитное ядро и обмотка трансформатора могут быть относительно небольшими, а соответствующее утечка индуктивности и распределенная емкость также относительно малы, что полезно для проектирования импульсных трансформаторов и передачи сигналов. Недостатком является то, что это увеличивает схемы преобразования и восстановления, делая схему относительно более сложной. Рисунок 4 показывает первичную экспериментальную форму волны импульсного трансформатора после преобразования.

2.3 Встроенный изолированный DC/DC преобразователь

Модули драйверов IGBT высокой мощности обычно оснащены встроенным DC/DC преобразователем, что упрощает проектирование источника питания для пользователей. DC/DC преобразователь с высоким уровнем изоляции не требует отдельного проектирования изолированного источника питания. Интегрированный изоляционный преобразователь обычно использует полумостовую или вытягивающую структуру. Для повышения изоляционного напряжения и упрощения схемы управления преобразователя, как правило, не применяется замкнутая схема управления. Некоторые драйверы добавляют линейный регулятор напряжения на выходе для стабилизации управляющего напряжения. Чтобы уменьшить размер трансформатора, рабочая частота часто превышает 100 кГц. В приложениях с высоким напряжением и высокой мощностью, в зависимости от различных напряжений шины, драйвер должен иметь очень высокую изоляционную напряженность между первичной и вторичной сторонами, при напряжении шины 900 В постоянного тока требуется как минимум 4 кВ переменного тока изоляционного напряжения. Другим важным фактором является допустимое значение dv/dt. Когда IGBT переключается на высокой скорости, он может генерировать очень высокое dv/dt. Этот сигнал может наводиться на первичную управляющую цепь через изоляционный трансформатор или импульсный трансформатор, вызывая помехи в управляющей цепи. Поэтому проектирование изоляционного трансформатора также требует очень малой емкости связи между первичной и вторичной сторонами, при этом емкость трансформатора обычно составляет менее 20 пФ, в зависимости от конкретных требований к допустимому значению dv/dt.

Процесс производства трансформатора является ключевым для достижения высокого изоляционного напряжения. Для увеличения допустимого значения изоляционного напряжения и уменьшения емкости связи между первичной, вторичной или между вторичными обмотками, обмотки обычно наматываются отдельно и разделяются изоляционными прокладками. Иногда также необходимо покрыть поверхность магнитного сердечника толстым изоляционным материалом или использовать тройную изоляцию для обмотки. Рисунок 5 показывает схематическую диаграмму структуры трансформатора модуля драйвера IGBT 2ED300C17 от Eupec.

 

2.4 Защита от короткого замыкания и регулировка порога

Общепринятый метод защиты IGBT от короткого замыкания или перегрузки по току достигается путем обнаружения значения напряжения Vce. Когда происходит короткое замыкание или перегрузка по току в IGBT, его рабочая область выходит из области насыщения, что приводит к повышению напряжения Vce. Конкретный принцип защитной схемы показан на рисунке 6. Обнаружение недонасыщения IGBT достигается путем подключения диода D к коллектору IGBT. Повышение напряжения Vce соответственно повысит анодный потенциал последовательного диода. Когда он превышает установленный порог короткого замыкания, защитная схема активируется и отключает IGBT. Поскольку коллекторное напряжение IGBT относительно высоко на начальной стадии включения, если защитная схема сработает в это время, это может вызвать ложное срабатывание. Поэтому необходимо установить время мертвой зоны, в течение которого схема защиты от короткого замыкания не работает. Эта функция достигается через переключатель S и внешний параллельный резистор Rce и конденсатор Cce. Когда IGBT отключен, S включен, и конденсатор Cce заряжается до 15 В. Когда IGBT включен, S выключен, и конденсатор Cce разряжается через Rce, при этом напряжение окончания разряда составляет:

Это позволяет опорному напряжению быть выше, чем напряжение обнаружения на начальной стадии включения IGBT, предотвращая ложные срабатывания защитной схемы. Формы волн в нормальном режиме работы показаны на рисунке 7(a), а формы волн при коротком замыкании или перегрузке по току показаны на рисунке 7(b).

2.5 Метод пользовательского интерфейса

Чтобы учесть модули IGBT, упакованные различными производителями, драйверы IGBT должны иметь удобный интерфейс. Они также должны обладать широкой гибкостью и экономичными затратами. В настоящее время общие модули драйверов на рынке в основном используют пайку на печатных платах для подключения к IGBT, такие как SKHI22, 2SD315A и 2ED300C17. Для удобства установки также существуют методы прямого подключения. Рисунок 8 показывает внешний вид модуля драйвера Skyper, разработанного компанией Semikron. Он подключается к интерфейсной плате драйвера через метод прямого подключения.

Поскольку модуль драйвера (драйверный чип) предоставляет только самые важные общие функции в драйвере, его подключение к различным модулям в различных приложениях зависит от интерфейсной платы. Весь модуль-драйверный блок включает в себя силовой модуль с пружинным интерфейсом, стандартный или улучшенный драйверный чип и интерфейсную плату, соединяющую драйверный чип с указанным модулем. Настраиваемая интерфейсная плата имеет значительное преимущество: пользователи могут самостоятельно настраивать и определять характеристики переключения IGBT, такие как изменение скорости включения или выключения, регулируя Rgon или Rgoff; регулировка времени мертвой зоны или отключение функции блокировки; регулировка точки защиты Vce и времени окна и т.д. По сравнению с текущими интеллектуальными силовыми модулями (IPM) на рынке, интерфейсная плата делает всю систему более гибкой и легче адаптируемой к различным приложениям. Как только параметры системы установлены, вся система может использоваться так же удобно, как IPM. Электрическое соединение между модулем Semix и интерфейсной платой осуществляется через встроенную пружину в модуле Semix и контакты на нижней стороне интерфейсной платы. После сборки контакты интерфейсной платы прижимаются к пружинным контактам модуля, завершая электрическое соединение через контактное давление. По сравнению с технологией пайки, контактное давление улучшает надежность силового модуля. Аналогично, подключение между драйверным чипом и интерфейсной платой также осуществляется для избежания пайки.

2.6 Высокая интеграция

Тенденция в развитии драйверов - высокая интеграция, что может уменьшить размер драйвера и позволить более тесную интеграцию с IGBT, делая установку более удобной, уменьшая длину соединительных проводов между драйвером и модулями IGBT и снижая индуктивность выводов. Для достижения этой цели некоторые компании за границей разработали модули драйверов IGBT, которые используют самостоятельно разработанные специализированные интегральные схемы (ASIC), такие как SKIC2001A от Semikron и LDI001 и LGD001 от Concept. Благодаря применению ASIC большинство функций управления и защиты могут быть реализованы с помощью ИС, что значительно уменьшает размер драйвера и увеличивает надежность драйвера IGBT.

3 Тенденции развития модулей драйверов IGBT высокой мощности и высокого напряжения

В качестве композитного силового полупроводника IGBT все шире используется в высокомощных преобразователях благодаря низкому потреблению энергии, высокой частоте переключения и большой токовой способности. Требования к его управляющим цепям также будут расти, при этом основные направления технического развития отражены в следующих аспектах.

(1) Более высокая интеграция

В настоящее время размер модулей драйверов IGBT высокой мощности все еще относительно велик. Для увеличения допустимого значения изоляционного напряжения обычно используются трансформаторы для изоляции. Размер и вес трансформаторов относительно велики, и интеграция довольно сложна. Поэтому в будущем драйверы будут использовать более мелкие и легко интегрируемые изоляционные устройства, такие как пьезоэлектрические трансформаторы или передовые технологии магнитной интеграции для уменьшения размера и веса изоляционных компонентов и увеличения интеграции. Можно предсказать, что в будущем IGBT высокой мощности обязательно будут интегрированы в тот же модуль, что и их управляющие цепи, позволяя пользователям напрямую вводить управляющие сигналы в силовой модуль для управления IGBT.

(2) Более высокое изоляционное напряжение

Текущие драйверы используют опторазъединители и трансформаторы для изоляции. Преимущество опторазъединителей заключается в их небольшом размере, но у них есть недостатки, такие как низкое изоляционное напряжение, подверженность старению и значительная задержка. Изоляция трансформатора имеет более высокое изоляционное напряжение и меньшую задержку, но больше по размеру. Поэтому в ситуациях, требующих высокой изоляции по напряжению, трансформаторы по-прежнему в основном используются для изоляции. В настоящее время максимальное изоляционное напряжение модулей драйверов с трансформаторной изоляцией составляет около 3300 В. Максимальный уровень напряжения IGBT достиг 6500 В, поэтому для адаптации к приложениям с более высоким напряжением необходимо использовать драйверы с более высоким изоляционным напряжением.

(3) Большая мощность управления

Мощность модулей IGBT постоянно увеличивается, при этом токовая способность одного модуля достигает 3600 А. Иногда для увеличения мощности обычно используется параллельная работа, что повышает требования к мощности управления драйвера. Максимальный выходной ток драйвера должен соответственно увеличиваться, особенно когда несколько модулей используются параллельно. Среднее требование к выходной мощности драйвера должно составлять от 5 Вт до 10 Вт, а требование к мгновенному максимальному выходному току должно превышать 30 А.

(4) Более высокая частота переключения

Чтобы адаптироваться к приложениям в индукционных нагревательных источниках питания и других областях, частота переключения IGBT постоянно увеличивается. С развитием технологий производства максимальная частота переключения IGBT достигла более 100 кГц, что может частично заменить силовые MOSFET. Для драйверов это означает, что они должны обеспечивать большую мощность управления, а также иметь более короткие задержки импульсов управления и времена нарастания и спада, обеспечивая больший мгновенный максимальный ток управления и т.д.

(5) Более полные функции

Технология управления затвором, широко используемая сегодня, не может контролировать di/dt и dv/dt, вызванные процессом переключения IGBT, тем самым контролируя EMI преобразовательного устройства. Активная технология управления затвором может эффективно контролировать высокие di/dt и dv/dt, вызванные переключением IGBT, позволяя IGBT работать в более безопасной рабочей области, уменьшая EMI, возникающий в процессе переключения, и соответственно уменьшая цепь поглощения IGBT. Среди них трехсегментная активная технология управления затвором является широко применимой активной технологией управления затвором. Кроме того, чтобы удовлетворить потребности в серийных и параллельных приложениях IGBT, драйвер также должен иметь функции динамического распределения напряжения и тока.

4 Conclusion

Как ключевое силовое полупроводниковое устройство в системах силовой электроники, IGBT непрерывно развиваются на протяжении нескольких лет. Они позволяют силовым электронным устройствам и оборудованию достигать более высокой эффективности, более высоких частот переключения и миниатюрных конструкций силовых преобразовательных устройств. С постоянным улучшением характеристик области применения устройств IGBT расширились на более широкий спектр, не только в промышленности, но и во многих других системах преобразования энергии. Они заменили мощные биполярные транзисторы (GTR), силовые MOSFET и даже показывают тенденцию к замене тиристоров с выключением затвора (GTO). Технология модулей драйвера IGBT высокой мощности будет продолжать улучшаться, и степень интеграции также увеличится, тем самым снижая потребление энергии IGBT и EMI, а также повышая надежность системы. С развитием технологии производства IGBT области применения будут еще больше увеличиваться, и требования к производительности их драйверов также постоянно растут. Различные производители драйверов разрабатывают продукты драйвера IGBT с более тонкими характеристиками, чтобы адаптироваться к производительности нового поколения IGBT.

 

Отказ от ответственности: Эта статья является сетевой перепечаткой, и авторские права принадлежат оригинальному автору. Если видео, изображения или тексты, использованные в этой статье, связаны с вопросами авторского права, пожалуйста, немедленно сообщите нам, и мы удалим содержимое на основе предоставленных вами доказательств.