Короткое замыкание IGBT в системе и его защита

Короткое замыкание IGBT в системе и его защита

краткое содержание

В этой статье кратко рассматриваются несколько часто используемых способов защиты IGBT от короткого замыкания в низковольтных системах малой и средней мощности, а также в основном описывается метод обнаружения по Vce. Кратко объясняются принцип работы защиты от короткого замыкания и обоснованность схемы защиты.

Введение в схему защиты от короткого замыкания

В распространенной схеме защиты от короткого замыкания измерение тока в основном выполняется тремя способами: соответственно N-BUS (нулевая

линия) — шунтирующий резистор, измерение на выходе с помощью датчика Холла, измерение напряжения Vce.

рисунок 1

Сигнал напряжения используется путем подключения небольшого резистора для определения короткого замыкания в шине. Этот способ отличается высокой точностью и чувствительностью и может защитить от короткого замыкания на землю; его недостаток в том, что он подходит только для маломощных машин, поскольку для резистора требуется слишком высокая мощность при большом токе.

По мере того как время отклика датчика Холла продолжает улучшаться, он не только выполняет функцию преобразования величины тока, но и защищает от тока короткого замыкания с помощью аппаратной схемы. Из-за проблем со временем отклика обнаружения Холла надежность была относительно ниже, чем у двух других методов. Датчик Холла не может быть установлен на выходном конце.

Метод защищает верхний и нижний транзисторы.

Фотосвязанная защита IGBT реализуется путем контроля напряжения C-E и, в соответствии соотношением между Vce и Ic, при быстром росте Ic Vce также возрастает. Когда значение Vce достигает порогового напряжения защиты, оптопара отключается и отправляет сигнал ошибки в DSP; весь процесс обычно занимает от 5 до 10 мкс. Поскольку такая защита очень чувствительна, но обладает низкой точностью, она подходит только для защиты от короткого замыкания. На рисунке 2 показана диаграмма Vce и Ic для GD200HFL120C2S. С ростом Vce увеличение Ic также возрастает. Ic при +7 В фактически намного превышает ток короткого замыкания модуля. При проведении испытания на динамическое короткое замыкание параметры L, Vg, tr, tf и другие должны строго и стабильно контролироваться, а ток обычно ограничивают на уровне 8–10 Ic, как показано на рисунке 3. Однако при испытании короткого замыкания в системе ток нередко возрастает выше из-за характеристик переключения, нагрузки цепи и помех.

Распространенная оптопара для защиты драйвера при коротком замыкании

(I) PC929

PC929 — распространенная оптопара для драйвера в инверторной промышленности с функцией защиты от короткого замыкания (у PC923 защиты нет). Поскольку его выходной пиковый ток составляет всего 0,4 А, для управления мощным IGBT на выходе требуется усиление, чтобы затем уже управлять IGBT. Какой ток модуля может обеспечить PC929, зависит от выбора транзистора. Пока PC929 может «продавить» транзистор, а транзистор — IGBT, это решение работает.

На рисунке 3 показана внутренняя схема защиты PC929:

1. Когда IGBT выключен, напряжение на выводе 9 опускается до нуля.

2. Когда IGBT включен, Vcc заряжает Cp через Rc, и при зарядном напряжении выше +7 В передается O2.

При мягком выключении FS одновременно отправляет сигнал ошибки в CPU; FS активен по низкому уровню, а скорость зарядки Cp определяется Rc и Cp.

3. Когда IGBT выключен, C быстро подтягивается вниз, и скорость снижения намного выше, чем скорость выключения IGBT.

Многие отмечают, что PC929 склонен к ложному срабатыванию, но механизм этого ложного срабатывания не совсем ясен. Одни считают, что время защиты слишком короткое, другие — что падение напряжения на IGBT слишком велико. Тогда давайте обсудим причины ложного срабатывания PC929, что очень важно для проектирования схемы защиты IGBT.

Теоретически, чем больше Vce(sat), тем быстрее IGBT достигает защитного напряжения +7 В в линейной области — это верно, но это не причина ложного срабатывания. Значение Ic, соответствующее насыщенному падению напряжения при +7 В, намного превышает насыщенное падение напряжения при максимальном токе перегрузки, тогда как падение напряжения обычной микросхемы составляет лишь менее 1 В, и этот зазор не вызовет ложного срабатывания в режиме без короткого замыкания.

При нормальном включении IGBT основная причина ложного срабатывания защиты — это время падения Vce при открытии IGBT и время зарядки Cp. См. рисунок 4.

Источник питания Vcc заряжает Cp через Rc, при этом зарядное напряжение равно Ucp.

Если Vce снижается по траектории a, то Vce опускается ниже +7 В до того, как Ucp достигнет +7 В, и напряжение на выводе 9 не поднимется выше +7 В.

Если Vce снижается по траектории c, то Vce все еще выше +7 В, когда Ucp достигает +7 В, и тогда сработает защита по короткому замыканию, поскольку напряжение на выводе 9 окажется выше +7 В.

Вывод: чтобы избежать ложного срабатывания при включении, можно немного увеличить время зарядки или чуть ускорить процесс включения.

(2) 316J

316J также широко используется для драйвера IGBT и оптопары с детектированием Vce. Его главное отличие от PC929 в том, что 316J способен напрямую управлять модулем 150 А без необходимости в транзисторах. По механизму защиты он очень похож на PC929. См. рисунок 5: когда IGBT выключен, DESAT (14) через высокоскоростной MOSFET подтягивается к земле; после включения IGBT MOSFET выключается, а вывод 14 заряжается через внутренний источник тока и конденсатор, и при росте напряжения выше +7 В 316J срабатывает. В PC929 конденсатор заряжается от Vcc через резистор; в 316J конденсатор заряжается напрямую через внутренний источник тока. Поскольку конденсатор заряжается источником постоянного тока, время зарядки также можно рассчитать точнее:

t = CV / I, выбрать C = 100 пФ

t = 100 пФ × 7 В / 250 мкА = 2,8 мкс

Это означает, что Vce должен опуститься ниже +7 В в течение 2,8 мкс, иначе будет задержка.

Рисунок 6

Введение в эксперимент по защите от короткого замыкания

Защиту от короткого замыкания можно разделить на альтернативное короткое замыкание и относительное короткое замыкание в зависимости от формы короткого замыкания. Но независимо от типа короткого замыкания, для протекания тока должна быть замкнутая цепь, поэтому при проектировании защиты от короткого замыкания обнаружение можно выполнять в любой точке схемы, хотя эффект будет разным. Обычно мы выбираем контроль напряжения Vce,

поскольку это относительно эффективно и надежно.

В испытаниях защиты от фазного короткого замыкания в инверторной промышленности различают два случая: сначала короткое замыкание, затем запуск, и сначала запуск, затем короткое замыкание. В первом случае условия относительно простые: выход уже закорочен, и когда приходит сигнал включения, ток начинает расти; во втором случае условия сложнее: когда система уже работает, место короткого замыкания может оказаться в любой точке рабочего цикла, поэтому форма сигнала при каждом коротком замыкании также сильно отличается. Так какой же защитный ток больше? После испытаний на системе мы обнаружили, что при коротком замыкании во время работы ток может подниматься выше, потому что при отключении IGBT напряжение Vg возрастает сильнее, а Ic в линейной области в основном зависит от Vg.

Ires = Cres * dv / dt

△Vg = Ires * (Rg + Rint)

I c =K (V g -V t h )2

На рисунке 7 показана осциллограмма короткого замыкания, измеренная на динамическом тестере. Мы видим, что после того как I sc начинает устойчиво расти, его ограничивает сам кристалл. Напряжение на затворе Vg в течение всего процесса почти не возмущалось.

На рисунке 8 показана осциллограмма короткого замыкания модуля 1200 В / 50 А на частотном преобразователе.

- -t 1: dv / d t непрерывно влияет на V g; I sc находится в фазе роста, а наклон определяется паразитной индуктивностью нагрузки L, Isc=K (Vg-Vth) 2

- -t2: dv / dt перестаёт влиять на Vg, Vg уменьшается, и Isc уменьшается вместе с Vg.

- -t3: Vg стабилен, и Isc стабилен.

- -t4: IGBT выключается, Isc уменьшается, Vce=Vdc + di / dt * Lbus, поэтому возникает перенапряжение.