Технические материалы
.webp)
YZPST желает вам здорового Праздника драконьих лодок, пусть каждый год проходит гладко, а всё складывается удачно!🌿🌿🌿
YZPST желает вам здорового Праздника драконьих лодок, пусть каждый год проходит гладко, а всё складывается удачно!🌿🌿🌿
ЧИТАТЬ АНАЛИТИКУ ↗.jpg)
Global Sources Indonesia Show (Electronics and Lifestyle)
Спасибо за участие в Global Sources Indonesia Show (Electronics and Lifestyle). Выставка пройдет 19–21 сентября 2024 года в Jakarta Convention Center, Джакарта, Индонезия. Название компании: YZPST Group Yangzhou Positioning Tech. Co. Ltd Номер стенда: 2B23
ЧИТАТЬ АНАЛИТИКУ ↗
Операторы, которые держат слово и выполняют обещания
Yangzhou Positioning Tech Co., Ltd.Операторы, которые держат слово и выполняют обещанияБез ненормальной деятельностиБез нарушения обещанийБез серьезных негативных отзывов Выдано: членская организация Шанхайской ассоциации отрасли кредитных услуг
ЧИТАТЬ АНАЛИТИКУ ↗
Электромобили и ветроэнергетика
Комплексное решение Для устройств, используемых в электромобилях и на ветроэлектростанцияхYZPST делает основным направлением силовые полупроводниковые компоненты. В сочетании с глубокой интеграцией цепочки поставок в сфере силовых электронных компонентов, тщательно подобранными силовыми тиристорами, модулями, IGBT, пленочными/шунтирующими конденсаторами и другой продукцией мы предлагаем клиентам комплексное решение. Наша продукция экспортируется в Европу, Америку, Южную Америку, на Ближний Восток и в Азию. IGBT Тиристор Плёночный конденсатор Силовой модуль Шунтирующий конденсатор IGBT Тиристор Плёночный конденсатор Силовой модуль Шунтирующий конденсатор
ЧИТАТЬ АНАЛИТИКУ ↗
Электрохимическое накопление энергии
Комплексное решение Для инверторов в системе электрохимического накопления энергииYZPST делает основным направлением силовые полупроводниковые компоненты. В сочетании с полной цепочкой поставок для силовых инверторов, тщательно подобранными силовыми полупроводниковыми тиристорами, IGBT, модулями IGBT, трансформаторами, DC-link конденсаторами и другой продукцией мы предлагаем клиентам комплексное решение. Наша продукция экспортируется в Европу, Америку, Южную Америку, на Ближний Восток и в Азию. IGBT модули IGBT DC-Link конденсатор Диод Шоттки Трансформаторы IGBT модули IGBT DC-Link конденсатор Диод Шоттки Трансформаторы
ЧИТАТЬ АНАЛИТИКУ ↗
Комплектная система батареи силовых конденсаторов
Комплексное решение Для комплектной системы батареи силовых конденсаторовYZPST делает основным направлением силовые конденсаторные компоненты. Обладая многолетним опытом проектирования полных систем для базовых станций и электропередачи, мы предлагаем силовые полупроводниковые компоненты, предохранители, высокочастотные водоохлаждаемые баковые силовые конденсаторы, трансформаторы напряжения и тока и другую продукцию, обеспечивая клиентам комплексное решение. Наша продукция экспортируется в Европу, Америку, Южную Америку, на Ближний Восток и в Азию. Силовой конденсатор Предохранитель Трансформатор Конденсатор Предохранитель Трансформатор
ЧИТАТЬ АНАЛИТИКУ ↗
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. (3) M57959 / M57962 M57959 и M57962 от Mitsubishi — это также интегрированные драйверные блоки с защитой от короткого замыкания. В отличие от PC929 и 316J, Mitsubishi объединяет оптопару и периферийные компоненты в одном корпусе. Преимущества — высокая степень интеграции и простота установки, недостаток — невозможность изменить внутренние параметры устройства. Из данных по M57962 можно получить, что при включении IGBT Vcc заряжается и затем сравнивается с опорным напряжением Vtrip, чтобы определить, есть короткое замыкание или нет, аналогично PC929. Время задержки DELAY можно регулировать, изменяя внешний конденсатор Ctrip, чтобы настроить время защиты и избежать ложного срабатывания при включении. 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. Итоги Подводя итог, IGBT, как важный преобразовательный прибор силовой схемы, при аварии может выйти из строя, поэтому защита IGBT особенно важна. Вероятность короткого замыкания в IGBT невелика, но если не обеспечить своевременную защиту, последствия будут катастрофическими. Понимание принципа защиты IGBT от короткого замыкания и режима его работы поможет вам разработать правильную схему защиты, которая своевременно защитит IGBT и при этом не повлияет на нормальную работу системы.
ЧИТАТЬ АНАЛИТИКУ ↗
Особенности проектирования параллельного соединения модулей IGBT
Вопросы применения IGBT-модуля при параллельном включении Из-за высокой стоимости производства цена IGBT-модуля 1200 В свыше 400 А на рынке достаточно высока. Что касается стандартного модуля 1200 В 200–400 А в корпусе 62 мм, то благодаря относительно зрелой технологии, стабильному качеству продукции, хорошей взаимозаменяемости и простоте замены на данном этапе наиболее экономичным решением является параллельное включение нескольких стандартных IGBT-модулей для увеличения допустимого тока. Однако из-за разброса параметров самих IGBT и возможной асимметрии, вызванной компоновкой схемы, параллельное проектирование IGBT-модулей — задача непростая. Неправильный выбор компонентов при параллельном включении может легко привести к отказу устройства и повреждению цепей основной системы. Поэтому в данной статье, опираясь на успешный опыт применения у заказчика и испытательное оборудование на заводе, подчеркивается важность использования согласованных IGBT-модулей при параллельном проектировании. Модули, как правило, уже свыше 100 А, сами по себе состоят из нескольких кристаллов, соединенных параллельно. Хотя производители могут использовать кристаллы с одной пластины для параллельного соединения, чтобы уменьшить разброс параметров самого модуля, все же необходимо учитывать индивидуальные различия между параметрами получившихся модулей. В то же время симметрия схемы оказывает очень важное влияние на параллельную работу, что можно рассмотреть с двух сторон — статической и динамической — через различия в параметрах и различия в симметрии схемы. Факторы, влияющие на параллельную работу модулей и статическое распределение тока В реальных условиях работы IGBT-модуль в основном находится в состоянии проводимости и в переходных процессах переключения, при этом стадия проводимости длится относительно долго и ток велик. Именно эта часть оказывает большое влияние. Начнем со статического режима проводимости. 1.1. Основные причины, влияющие на равномерное распределение тока при параллельной работе модуля, следующие 4 пункта A) Влияние насыщенного падения напряжения Vce(sat) B) Влияние асимметрии импеданса параллельной силовой цепи C) Влияние напряжения управления затвора Vge D) Влияние порогового напряжения Vth E) Влияние прямого падения напряжения диода Vf 1) Проблемы, связанные с различием Vce(sat) при параллельном включении: Во многих случаях обычная точка зрения такова, что Vce(sat), возникающее при протекании тока через IGBT, — это фиксированная величина, и это заблуждение. Vce(sat) на самом деле относится к падению напряжения, возникающему при номинальном токе. Для IGBT падение напряжения в проводящем состоянии при одном и том же Vge является функцией тока. Для двух IGBT, соединенных параллельно, падение напряжения, возникающее при включении в установившемся режиме, одинаково. Таким образом, равномерность распределения тока зависит от различий в выходных характеристиках различных параллельно включенных IGBT. На рисунке 1 показано различие в распределении тока у двух параллельно включенных IGBT с разными выходными характеристиками (при одинаковом Vce двух IGBT в параллели). Рисунок 1. Состояние IGBT после выравнивания тока при параллельном включении с разными выходными характеристиками Рисунок 2. Схематическая диаграмма выравнивания тока при параллельном включении V, показанные на рисунке 1, обозначают T1 и VT2 — два одинаковых IGBT, соединенных параллельно. На рисунке 2 показано, что выходные характеристики двух IGBT немного различаются. iC1 и iC2 соответственно для VT1 и VT2 при одинаковом падении напряжения на приборе (UCE1=UCE2) — коллекторный ток ниже I, где I обозначает номинальный ток данного типа IGBT; Vcesat1 и Vcesat2 обозначают насыщенное падение напряжения двух IGBT при номинальном токе. Можно приблизительно считать, что: R1=（Vce sa t 1-Vo1)/I (1) R2=（Vce sa t 2-Vo2)/I (2) UCE1=Vo1+R1×iC1(3) UCE2=Vo2+R2×iC2(4) При параллельном включении UCE1=UCE2=Uce, тогда iC1=（ Uce-Vo1 ）/R1=（ Uce-Vo1 ）×I/（Vcesat1-Vo1) iC2=（Uce-Vo2）/R1=（Uce-Vo2） ×I/（Vcesat2-Vo2) Поскольку эти два IGBT относятся к одному и тому же типу, Vo1 = Vo2 = Vo, тогда Следовательно, если ток двух параллельно включенных IGBT-модулей равен I, ток каждого из двух IGBT-модулей с разным Vce можно рассчитать следующим образом: iC 1=（ Uce-V o1 ）/R 1=（ Uce-V o1 ）×I/（Vcesa t 1-V o1)=（Uce-V o ）×I/（Vcesa t 1-V o ) iC 2=（Uc e-V o2）/R 1=（Uc e-V o2）×I/（Vc e s a t 2-V o2)=（Uc e-V o ）×I/（Vc e s a t 2-V o ) Возьмем для примера наиболее распространенный GD200HFL120C2S: Предположим, что большее значение Vcesat1 составляет 2,5 В (125 ℃), а меньшее значение Vcesat2 — 2,1 В (125 ℃), Vo = 0,8 В Принимая большее значение Vcesat1Is 2,2 В, а меньшее значение Vcesat1For 2,1 В, см. проверку по техническому руководству. Типичное значение Vo to is = 0,8 В Если разница Vcesat составляет 0,1 В, даже при требуемом выходном токе параллельного модуля io = 200 А разница тока у нижнего модуля IGBT при другом Vce(sat) составляет 6 А. На практике потери будут выше, чем у другого модуля IGBT, хотя кристалл IGBT работает при большом токе. Он имеет положительный температурный коэффициент, поэтому при параллельном соединении двух модулей IGBT рекомендуется, чтобы разница Vce(sat) не превышала 0,2 В. Если этого избежать нельзя, рекомендуется оставить большой запас по установившейся температуре для компенсации. 2) Неравномерное распределение тока, вызванное асимметрией импеданса силовой цепи Рис. 2. Влияние импеданса основной цепи Обычно считается, что разница в параллельной разводке шин приведет к появлению импеданса цепи. Поэтому, если разница Vce(sat) в модуле IGBT меньше 0,2 В, необходимо учитывать симметрию шинопровода. На самом деле влияние этой части невелико: например, в эквивалентной схеме 2 RE1 и RE2 эквивалентны последовательному соединению двух резисторов и исходной двухветвевой схеме равномерного распределения тока; если импедансы не совпадают, распределение тока будет неравномерным. Например, если RE1 > RE2, то через ветвь над RE2 неизбежно будет протекать больший ток, что вызовет разбалансировку; и наоборот. Возьмем в качестве примера GD200HFL120C2S: Фактический ток, требуемый для параллельного модуля, i0 = 200 А; каждый модуль фактически работает на 100 А, а падение напряжения на реальном модуле Uce = 1,7 В. Предположим, что площадь поперечного сечения медной шины составляет 4×10^-5 м², длина шины модуля 1 — 0,8 м, длина шины модуля 2 — 0,6 м, а удельное сопротивление при 30 °C равно 1,8×10^-8 Ом·м. По сравнению с влиянием Vce(sat), влияние асимметрии силового контура при статическом анализе относительно невелико. Однако шина также вносит индуктивность выводов, что оказывает большое влияние на динамическое распределение тока; это будет подробнее рассмотрено далее. 3) Влияние напряжения управления затвором Vge Ток IC, протекающий через модуль IGBT, управляемый напряжением затвора Vge, создает падение напряжения Vce, которое связано не только с протекающим током Ic и указанным выше Vce(sat), но и напрямую зависит от напряжения управления затвором Vge. И наоборот, при различном напряжении управления Vge, если Vce в параллельных плечах одинаково, ток Ic через них, естественно, будет различаться. Рисунок 3. Выходная характеристика модуля IGBT Из рисунка 3 хорошо видно, что Например, при Vge = 13 В, при Vce = 2,5 В ток Ic составляет 255 А. Например, при Vge = 15 В, при Vce = 2,5 В ток Ic составляет 285 А. Поэтому проектированию схемы управления необходимо уделять особое внимание и обязательно обеспечивать заданное напряжение управления параллельного модуля. Здесь следует подчеркнуть, что обсуждаемое выше напряжение затвора Vge относится к выводам затвора IGBT, а не к выходному напряжению платы драйвера; неопытные заказчики часто допускают эту ошибку. Как видно из рисунка 4, между драйверным чипом и затвором имеется резистор затвора, а также электрическое соединение от драйверного чипа к затвору IGBT — это вывод затвора, который обычно виден на оборудовании; при этом различие параметров драйверного компонента и вывода затвора будет особенно заметно в момент включения и выключения. Это приведет к несоответствию между приложенным напряжением на затворе IGBT и выходным напряжением. В установившемся режиме это не является проблемой, поскольку затвор находится в высокоомном состоянии. Рисунок 4. Схема драйвера модуля 4) Влияние напряжения включения Vth Поскольку напряжение, подаваемое драйверной схемой на затвор, изменяется от отрицательного к положительному значению (если предусмотрено отрицательное смещение при выключении), ток I не может протекать через модуль до достижения напряжения затвора Vth, поэтому IGBT с меньшим Vge(th) откроется раньше и закроется позже. Поскольку этот эффект проявляется главным образом в момент включения, а из передаточной характеристики на рис. 4 видно, что ток Ic при напряжении управления Vth очень мал, то разница Vth у модулей одного типа обычно находится в пределах 0,5 В, поэтому влияние напряжения включения Vth сравнительно слабое. 5. Передаточные характеристики модуля IGBT 5) Влияние диода Vf В инверторах и других приложениях обратнопараллельный диод модуля IGBT должен выдерживать большой ток. Влияние Vf диода на распределение тока точно такое же, как влияние Vce(sat) на распределение тока; отличие состоит лишь в том, что учитываются IGBT, на которые влияет Vce(sat), и Vf диода. R1=（Vf-Vo1）/I R2=（Vf-Vo2）/I Uf1=Vo1+R1×if1 Uf2=Vo2+R2×if2 (1) (2) (3) (4) Когда Uf1=Uf2=Uf соединены параллельно, то iC1=（Uf-Vo1）/R1=（Uf-Vo1）×I/（Vf1-Vo1） iC2=（ Uf-Vo2）/R1=（ Uf-Vo2） ×I/（Vf2-Vo2) Поскольку эти два диода одного типа, Vo1 Vo2 =Vo Таким образом, если ток двух параллельно соединённых модулей IGBT равен I, ток двух модулей IGBT с разным Vce можно рассчитать следующим образом: iC1=（ Uf-Vo1 ）/R1=（ Uf-Vo1 ）×I/（Vf1-Vo1)=（ Uf-Vo ） ×I/（Vf1-Vo) iC12=(Uf-Vo2) / R2= (Uf-Vo2) I / (Vf2-Vo2) = (Uf-Vo) I / (Vf2-Vo) Обычный модуль 150A — колонного типа, Если большее значение Vf равно 2,2 В, а меньшее Vf равно 2,1 В, то типичное значение Vo, указанное в техническом описании, равно 1,3 В Факторы, влияющие на параллельное динамическое распределение тока Основные причины, влияющие на параллельное динамическое среднее распределение тока в модулях, состоят из следующих 3 пунктов A) Динамические параметры самого IGBT b) паразитная индуктивность цепи управления c) паразитная индуктивность силовой цепи 1) Неравномерное распределение, вызванное собственными параметрами IGBT Основным фактором, влияющим на равномерность тока в момент переключения, являются переходные характеристики параллельно соединённого прибора. Рис. 3. Сравнение переходных характеристик параллельных модулей Схема сравнения свойств двух параллельно соединённых модулей с несовпадающими переходными характеристиками показана на рис. 3. На рис. 3 при подаче одинакового управляющего напряжения V на параллельный модуль IGBT с более крутой характеристикой будет протекать больший ток, а потери при переключении также возрастут. 2) Паразитные параметры цепи управления и неравномерное распределение тока, вызванное индуктивностью В сочетании с паразитной ёмкостью затвора IGBT паразитная индуктивность цепи управления может вызывать сильные колебания, приводящие к изменениям напряжения затвора. Паразитная индуктивность эмиттера может вызывать изменение скорости переключения. Цепь управления затвором IGBT RG, индуктивность выводов LGLE и входная ёмкость IGBT Cin. Процесс включения и переключения представляет собой типичную реакцию последовательной цепи RLC. На рис. 4 резистор R соответствует RG, индуктивность L — катушке LG+LE, конденсатор C — входной ёмкости Cin. Для процесса включения и выключения возьмём только uC(0) И USРазность значений в 1920-х годах: при включении uC(0)=-10V，US=15V (обычно напряжение управления часто составляет +15V при включении и -10V при выключении), а при выключении uC(0)=15V，US=-10V Из-за паразитной индуктивности выводов LGLE возрастает вероятность бросков на затворе, поэтому необходимо избегать возникновения этой индуктивности в выводах. В реальной схеме можно уменьшить длину провода затвора и площадь контура провода затвора (например, используя витую пару). При этом сопротивление затвора RG следует добавлять отдельно, чтобы получить лучший результат при запуске. Рис. 4. Паразитная индуктивность цепи управления со стороны передатчика 3) Неравномерное распределение, вызванное паразитной индуктивностью силовой цепи Паразитная индуктивность силовой цепи в основном состоит из двух частей, а именно паразитной индуктивности коллектора Lc И паразитной индуктивности эмиттера Le, как показано на рис. 5. Когда переключается форма управляющего напряжения затвора, силовой контур быстро изменяется, и скорость оказывается на тонком уровне. Индуктивности Lc и Le силового контура препятствуют изменению тока, что приводит к снижению скорости переключения. При параллельном соединении из-за различий в компоновке и разводке паразитная индуктивность силовой цепи сильно различается, что неизбежно приводит к неравномерности динамического распределения тока. Здесь особенно следует подчеркнуть паразитную индуктивность коллектора Lc: из-за очень большого параллельного тока при выключении, когда скорость выключения высока, Lc паразитной индуктивности коллектора обычно создаёт большой обратный импульс в направлении напряжения шины, а напряжение шины накладывается на IGBT сверху IGBT, вызывая удар; если оно превышает номинальное напряжение IGBT, это неизбежно приведёт к повреждению IGBT. Рис. 5. Паразитная индуктивность силовой цепи Поэтому конструкторам необходимо оптимизировать схему основной цепи в соответствии с реальными условиями. Например, если это допустимо по затратам, следует использовать медную шину, а не медный провод, и применять схему основной петли. 1) Выбор модулей С точки зрения статического тока, модуль N PT IGBT имеет положительный температурный коэффициент, что делает его подходящим для параллельного включения. Кроме того, для параллельных модулей, особенно в одной мостовой стойке, по возможности следует использовать одну и ту же партию модулей, чтобы максимально обеспечить согласованность параметров. 2) Проектирование цепи управления При параллельном соединении модулей IGBT, под влиянием индуктивности проводки цепи затвора и входной ёмкости IGBT, напряжение затвора иногда возрастает. Чтобы предотвратить это колебание, на затворе IGBT следует установить резистор затвора. Когда вывод эмиттера цепи управления подключён не в той же точке, что и основная цепь, переходное распределение тока в параллельно соединённых IGBT становится несбалансированным. У модуля IGBT есть вспомогательный вывод эмиттера, используемый цепью управления, обязательно используйте этот вывод, Проводку цепи управления можно выровнять, и переходный дисбаланс тока, вызванный способом разводки цепи управления, можно подавить. Проводка цепи затвора также имеет решающее значение: A) Линия управления должна быть короткой, а эффект витой пары будет лучше; b) Шина управления должна быть как можно дальше от основной цепи; постарайтесь обеспечить ортогональную компоновку; c) Каждая шина управления должна идти отдельно и не быть связана с другими. 3) Компоновка шин Если резистивная и индуктивная составляющие проводки основной цепи неравномерны, распределение тока в параллельно соединённых элементах будет неравномерным. Кроме того, при большой паразитной индуктивности основной цепи бросок напряжения при выключении IGBT увеличивается. Поэтому, чтобы уменьшить индуктивность цепи, параллельно соединённые модули IGBT следует располагать как можно ближе друг к другу, а проводка должна сохранять хорошую симметрию. Чтобы уменьшить индуктивность и сопротивление шин, в звене постоянного тока следует избегать кабельного провода: у него очень плохие собственная и взаимная индуктивность, а также очень низкая теплопроводность. Медная шина позволяет эффективно решить проблему собственной индуктивности и отвода тепла, но взаимная индуктивность по-прежнему остаётся довольно высокой. Ламинированная шина — это многослойная медная плата, уложенная в несколько слоёв; между слоями непосредственно используется изоляция с теплопроводностью, что эффективно устраняет собственную и взаимную индуктивность, улучшает теплоотвод, а также снижает импеданс и EMI. Это относительно идеальный тип шины, как показано на рисунке ниже: Рисунок: многослойная шина из 6 слоёв Кроме того, модули следует устанавливать на одном и том же радиаторе как можно ближе друг к другу, чтобы обеспечить оптимальную тепловую связь, равномерную температуру и минимизировать влияние Tj и Vth. Заключение: В этой статье проанализированы факторы, влияющие на среднее распределение тока в параллельно соединённых модулях; на примере оборудования Star, помимо предложения более подходящих для параллельной работы изделий, также с точки зрения применения были сформулированы рекомендации по использованию модулей IGBT в параллельных схемах, чтобы разработчики могли глубже понять параллельное соединение IGBT и соблюдать требования к проектированию. Список литературы: 1. International Rectifier. Application Notes. AN 990. Application Characterization of IGBTs [Z], 2002. 2. Dynex Semiconductor. AN 5505. Parallel Operation of Dynex IGBT Modules [Z], 2001. 3. Сун Цян, Ван Сюэру, Цао Юэлун. Исследование проблемы среднего распределения тока при параллельной работе мощных модулей IGBT [J]. Технология силовой электроники, 2004. 4. Тун Ши Бай Хуа Чэнъин. Основы моделирования в электронной технике [M]. Издательство высшего образования, 2001.
ЧИТАТЬ АНАЛИТИКУ ↗
Преимущества использования конструкции IPM и на что обратить внимание при выборе
Преимущества применения конструкции IPM и особенности выбора Норман Дэй Краткое введение Поскольку силовая схема, управляющая одно- или трехфазным двигателем, уже стала достаточно зрелой и стабильной, силовой модуль, объединяющий силовой ключ и управляющую схему этой части, после своего появления оказал революционное влияние на концепцию проектирования систем частотных преобразователей. С развитием технологии корпусирования модулей и стремительным снижением стоимости он постепенно вытесняет традиционные компоненты и становится основным направлением проектирования систем. У этого интегрированного силового модуля есть широко употребимое название — интегрированный / интеллектуальный силовой модуль, сокращенно IPM [1]. К сожалению, большинство разработчиков по-прежнему воспринимают такие компоненты как «черный ящик». Они либо отказываются от них, опасаясь не справиться с возможными проблемами, либо могут лишь принимать на веру взгляды некоторых ведущих производителей и формировать расплывчатые представления. Однако ни первые, ни вторые не считают, что разработчик должен занимать выжидательную позицию по отношению к тенденции интеграции силовой электроники в корпусе. Только выбрав конкурентоспособную концепцию проектирования и полностью понимая характеристики и ограничения используемых компонентов, можно обеспечить, чтобы они не были вытеснены быстро меняющимся рынком. Преимущества применения конструкции IPM С точки зрения стоимости отдельного компонента IPM действительно трудно конкурировать с уже стандартизированными и массово выпускаемыми дискретными элементами в корпусах. Однако рассматривать разработку продукта только через призму материальных затрат — это не тот подход, который должен быть у инженера-проектировщика, поэтому уровень обсуждения необходимо расширить. Здесь автор делит его на три аспекта: производительность, надежность и цену, чтобы рассмотреть различия, возникающие при использовании IPM в качестве основы системного проектирования. Производительность: (1) Значительно уменьшить количество компонентов и требуемую площадь печатной платы (2) Предоставить решения с высокой изоляцией и хорошим теплоотводом (3) Существенно снизить сложность трассировки (4) Снизить паразитную индуктивность соединения силового кристалла и цепи управления Внутренне интегрированные кристаллы обладают сходными электрическими характеристиками (6) Может в реальном времени реагировать на различные виды аварийной защиты Преимущества первого пункта очевидны. На рис. (1) приведены количественные данные для справки. Второе преимущество обусловлено различиями в технологиях. При использовании традиционного дискретного элемента в проекте, поскольку исток или коллектор внутреннего силового кристалла напрямую соединен с открытым металлическим корпусом, для обеспечения высокой изоляции и удобного отвода тепла, помимо выбора изолирующей прокладки с высокой удельной стоимостью, усложняется и производственный процесс, затрудняется контроль дефектов собранного готового изделия, а это очень дорого затрачиваемое на сборку время. IPM ломает представление о том, что традиционная конструкция может лишь обходить перечисленные выше проблемы, и предлагает действительно эффективное решение с высокой изоляцией и хорошим теплоотводом. Диаграмма на рис. (2) более наглядно подтверждает этот вывод. На рис. (3) показана схема на традиционных компонентах, а на рис. (4) — схема с использованием IPM. Оба варианта выполняют одну и ту же функцию, но схема, построенная на IPM, значительно проще. По сути, схема на рис. (IV) выше в основном демонстрирует упрощение по сравнению между силовой цепью и цепью управления. Если также показать дальнейшее упрощение схемы за счет вспомогательного источника питания и измерения тока, соответствующих IPM, на рис. (IV), разница в степени упрощения схемы будет еще более заметной. В традиционных требованиях к проектированию компонентов всегда стремятся как можно сильнее снизить индуктивность утечки соединений между проводниками и максимально укоротить петлю между IGBT и управляющей микросхемой, чтобы получить меньшие коммутационные перенапряжения и помехи в линии. Однако, если взять в качестве примера схему на рис. (5), соединение коллектора и эмиттера IGBT имеет паразитную индуктивность различной величины. Чтобы уменьшить эти эффекты, путь между традиционными корпусами должен быть коротким и широким. Поэтому приходится использовать многослойную печатную плату или увеличивать ее площадь, чтобы удовлетворить таким требованиям. IPM хорошо решает эти паразитные эффекты на уровне корпуса. Причина в том, что как бы близко управляющая микросхема ни располагалась к силовому ключу (IGBT или силовому MOSFET) при компоновке на печатной плате, она все равно не будет ближе, чем если разместить ее непосредственно рядом с силовым ключом в виде голого кристалла. Аналогично, если каждый силовой ключ напрямую соединен на выводной рамке методом проволочного бондинга, это будет намного меньше, чем соединение через вывод самого традиционного компонента и затем через медную фольгу на печатной плате. Особенность, упомянутая в пятом пункте, заключается в том, что IPM позволяет напрямую решить проблему контроля дефектов сборки на уровне кристалла, которая беспокоит разработчика системы. Японские производители обычно занимают строгую позицию в отношении сборки систем. На практике характеристики каждого силового кристалла измеряют до монтажа на линию. В процессе производства и сборки компоненты со схожими характеристиками необходимо устанавливать на одну и ту же печатную плату, чтобы снизить потенциальные проблемы, вызванные отклонением параметров компонентов в системе при массовом производстве. Например, если задержка выключения и время выключения верхнего плеча соответствуют спецификации, но находятся близко к ее верхнему пределу, а характеристики включения верхнего плеча, наоборот, на другом конце диапазона, то при добавлении нелинейного эффекта, вызванного ростом рабочей температуры, вероятность одновременного включения верхнего и нижнего плеча при переключении значительно возрастает, что приводит к дополнительному энергопотреблению. Более того, исходный расчет радиатора основывался на предположении, что тепловыделение каждого кристалла одинаково, но если то же предположение справедливо и для параметра V(CE), неравномерное распределение тепла может дополнительно вызвать тепловой разгон и привести к отказу системы. Однако в данном случае из-за исключения по согласованию Потенциальные проблемы, вызванные этим, либо игнорируются разработчиками, либо отвергаются руководством из-за влияния на прибыль и затраты. Даже если такая концепция признается, разработчик может лишь увеличить запас по проектированию, чтобы компенсировать ее, например увеличить мертвое время и площадь радиатора, чтобы получить более низкую рабочую температуру и т. д.; однако за это приходится платить снижением производительности системы и ростом материальных затрат. На самом деле после тестирования каждой пластины уже существует диаграмма распределения характеристик каждого кристалла, но информация об этом распределении исчезает, когда каждый кристалл на пластине упаковывается в корпус типа TO-220 или TO-247; то же самое относится и к высоковольтной ИС, используемой для управления силовым кристаллом. Производственный процесс IPM начинается с целой пластины, поэтому на этапе монтажа кристаллов он позволяет обеспечить симметрию и согласование характеристик трех фаз в одном модуле, используя метод, при котором характеристики соседних кристаллов максимально близки. Иная логика проектирования позволяет легко решить эту сложную задачу традиционного подхода. Результат шестого пункта является следствием улучшения четвертого пункта. Своевременность срабатывания защиты зависит от разницы на уровне мкс и даже нс. Избежать сбоев системы и повысить оперативность защиты — для разработчиков систем это часто дилемма. Поэтому снижение паразитной индуктивности позволяет не только уменьшить задержку передачи самого аномального сигнала, но и сократить постоянную времени фильтрующей цепи, тем самым повышая скорость отклика ИС на аномальный сигнал. Таким образом также можно снизить вероятность отказа, вызванного несвоевременным срабатыванием аварийной защиты. Надежность (1) Значительно снизить потенциальные риски, возникающие у производственного персонала из-за сложного процесса сборки (2) Обеспечить более прочную конструкцию, чем у традиционных корпусов (3) Вся система будет иметь более низкий уровень отказов Повышение по первому пункту очень существенно. Монтаж традиционных компонентов не только сложен, но и многократно повторяется, поэтому трудно предотвратить такие проблемы, как нарушения соосности, незатянутая стопорная гайка изолятора, скрытые трещины во внутреннем кристалле, повреждение изоляционной прокладки. Кроме того, эти потенциальные проблемы могут быть выявлены неэффективно. Поэтому, если из-за требований по номиналу полупроводниковые компоненты приходится соединять параллельно, число кристаллов может увеличиться с шести до двенадцати и более, а вероятность потенциального отказа, вызванного сборкой, возрастает. На рис. (6) приведенное выше объяснение наглядно показано в иллюстрации. Как правило, вибрационные нагрузки у дискретных компонентов легко передаются через вывод к внутреннему кристаллу — будь то при затяжке винта, при подгибке выводов или даже при транспортировке готового изделия. Механические напряжения, воздействующие на кристаллы, в основном возникают из-за деформации, вызванной изменением температуры внутри микросхемы или в рабочей среде корпуса. Поэтому как при прямом воздействии на этапе сборки, так и косвенно — из-за деформации, вызванной термошоком, — IPM предлагает более прочное конструктивное решение, чем исходные раздельные компоненты. Третий аргумент основан на том, что если уровень отказов IPM сопоставим с уровнем отказов традиционных компонентов, то для достижения эквивалентного функционального режима требуется использовать 20 или 30 компонентов. Следовательно, вероятность отказа всей системы естественным образом намного выше, чем при использовании всего одного компонента. Однако обоснованность этого преимущества затрагивает широкий круг вопросов. Возможно, в будущем можно будет посвятить этому отдельную тему для обсуждения. Общая стоимость (1) Снижение затрат на качество благодаря повышению надежности (2) Значительно сократить время разработки продукта для инженеров (3) Снизить затраты на сверление радиатора и изготовление печатной платы (4) Сократить трудозатраты производственного персонала на сборку и контроль Нетрудно предсказать указанные выше преимущества, однако количественные результаты необходимо дополнительно оценивать на основе процедур разработки и затрат на качество каждой компании. Автор считает, что хотя результаты, возможно, и не побудят вас отказаться от традиционной зрелой схемы и выбрать IPM, такой шаг однозначно полезен для мышления при выборе схемы и проектировании системы. Меры предосторожности при выборе IPM Хотя применение IPM в качестве основы проекта имеет множество преимуществ, с точки зрения зрелости рыночной проверки и сложности самих компонентов IPM все еще не так прост в освоении, как традиционные раздельные компоненты, поэтому при выборе модуля IPM к проектированию блоков следует подходить особенно внимательно. Следующее обсуждение может послужить разработчикам некоторыми ориентирами. Соображения, ориентированные на цепочку поставок (1) Способность поставщиков и производителей контролировать отклонения процесса (2) Есть ли альтернативное решение, если у поставщика нет товара на складе (3) Техническая поддержка поставщика и механизм комплексного обеспечения качества в цепочке поставок для клиентов (4) Улучшение и контроль управления отзывами о применении на рынке Соображения по проектированию модуля (1) Конструкция корпуса (2) Является ли компоновка внутренних компонентов рациональной (3) Насколько легко освоить проектирование периферийной согласующей цепи (4) Мощность драйверной ИС и силового полупроводникового кристалла Из-за ограничений по объему ниже рассматриваются только ключевые моменты, относящиеся к проектированию модуля. Конструкция корпуса Характеристики качественной конструкции силового корпуса Хорошая конструкция силового корпуса должна отличаться высокой прочностью конструкции, простотой технологического процесса, высокой изоляцией, хорошей теплопроводностью и низким тепловым сопротивлением. Насколько высока прочность конструкции, определяет, подвержены ли стыковые поверхности внутри модуля и сама материальная система дефектам и отказам при быстрых температурных изменениях и длительной механической вибрации. Простой процесс показывает, что процесс хорошо контролирует отклонения, а потенциальные дефекты в процессе можно легко выявить. Требование хорошей теплопроводности заключается в том, чтобы при мгновенном возникновении у полупроводникового элемента высокой рассеиваемой мощности (например, при коротком замыкании или аномальном переключении) тепло могло быть мгновенно отведено, и полупроводниковый элемент не вызвал эффект локального перегрева, приводящий к мгновенному выгоранию. Цель низкого теплового сопротивления — отводить тепло после того, как нагревающийся элемент достигнет установившегося теплового равновесия, чтобы не вызывать накопление тепла и преждевременный отказ компонентов. Различия различных конструкций силовых корпусов Рисунок 7 Рисунок 8 Рисунок 9 Рисунки (7), (8) и (9) представляют собой типичные на рынке структуры корпусирования IPM. Далее на основе приведённых выше выводов мы проанализируем преимущества и недостатки этих трёх структур. Структура на рисунке (7) такова: драйверный ИС и силовой полупроводник размещены на выводной рамке в одной плоскости, керамическая подложка напрямую используется как материал для изоляции и отвода тепла к радиатору, а затем вся конструкция покрывается компаундом, аналогичным корпусированию дискретных элементов. Такую конструкцию можно назвать простой и высокопрочной, однако ниже описаны несколько моментов, требующих особого внимания. Во-первых, хотя керамическая подложка и является высокоизоляционным материалом, она не относится к материалам с хорошей теплопроводностью, поэтому с рассеянием кратковременных локальных горячих точек она справляется сравнительно плохо. Поэтому необходимо особенно внимательно проверить, может ли несущая силовая полупроводниковая рамка обеспечить кратковременный отвод тепла без образования горячих точек. В то же время тепловое сопротивление керамической подложки той же толщины значительно выше, чем у алюминия, не говоря уже о меди. Следовательно, при одинаковой температуре радиатора температура силового кристалла внутри модуля будет выше, чем у модуля с алюминиевой или медной основой. Иными словами, диапазон безопасной работы модуля будет сравнительно уже. Единственный способ для разработчика быть полностью уверенным — это не полагаться только на расчётные оценки, а проводить собственные измерения по спецификации. Во-вторых, это материалы и технология, используемые для поверхности соединения керамической подложки, поскольку от них зависит, не приведёт ли длительная эксплуатация к расслоению, из-за которого температура полупроводника не сможет нормально отводиться и он выйдет из строя. Разработчик может запросить у поставщика условия испытаний по этому вопросу и затем сопоставить их с реальной системой. Сравнить с реальной системой. Если невозможно подтвердить эквивалентность между испытаниями поставщика и фактической работой системы, рекомендуется провести испытание и убедиться в этом самостоятельно. В-третьих, это проблема растрескивания керамической подложки и аномальной толщины. Как правило, чем толще керамическая подложка, тем меньше вероятность её растрескивания. Даже если она повреждена, трещина редко образует сквозной разрыв, из-за которого высокое напряжение силовой или сигнальной клеммы может напрямую пробить на радиатор, закреплённый на поверхности модуля. Поэтому такая конструкция обычно не вызывает серьёзных проблем при испытаниях на соответствие требованиям безопасности. Кроме того, хотя теплопроводность керамической подложки и уступает меди или алюминиевому блоку, она всё же намного лучше, чем у эпоксидного материала, используемого в конструкции на рисунке (8). Поэтому отклонение толщины отдельных модулей слабо влияет на теплоотвод. В то же время зазор между модулем и плоскостью радиатора из-за температурных деформаций выражен незначительно, и проблема плохой теплопроводности не возникает. В конструкции на рисунке (8) алюминиевый блок используется вместо керамической подложки в качестве основного пути отвода тепла. Теоретически он должен обладать лучшей теплопроводностью, чем конструкция на рисунке (7). Однако следует отметить, что в конструкции на рисунке (8) применяется процесс двойного литья компаунда, чтобы обеспечить высокое напряжение внутри IPM и изолировать его от алюминиевого блока, используемого для теплопередачи. Иными словами, выводная рамка после установки кристаллов заливается один раз, затем на полузаготовку после первой заливки укладывается алюминиевый блок и выполняется вторая заливка. Поэтому здесь тоже есть несколько важных моментов, на которые необходимо обратить внимание. Первый — контроль толщины изолирующего клеевого слоя. Хотя изолирующий компаунд, используемый при формовании, обладает высокими изоляционными свойствами, его теплопроводность также очень низкая. Если погрешность контроля толщины слишком велика, теплопроводность и тепловое сопротивление каждого модуля будут существенно ухудшены. Второй — аномальная кривизна плоскости алюминиевого блока и деформация, вызванная температурой, приводят к проблеме зазора в плоскости прилегания к радиатору, и это также важный момент, на который необходимо обращать внимание. По опыту автора, разработчики, использующие такие модули, могут снизить влияние этого фактора, нанеся теплопроводящую пасту. Однако коэффициент теплового расширения алюминиевого блока намного выше, чем у клея, используемого для корпусирования, а напряжения, возникающие при деформации алюминиевого блока того же объёма, значительно больше, чем у керамической подложки. Модифицированный вариант конструкции на рисунке (8) заключается в замене алюминиевого блока медным, но с разделением его на несколько частей и непосредственным соединением с выводной рамкой. В итоге формованный компаунд обеспечивает изоляцию между высоким напряжением внутри IPM и внешней средой. Такое изменение позволяет сохранить тепловое сопротивление, близкое к конструкции на рисунке (8), но обеспечить лучшую мгновенную теплопроводность и снизить напряжения, вызванные деформацией цельного медного блока на весь модуль. Поскольку медный блок не выступает наружу, поверхность прилегания между модулем и радиатором будет более ровной, а проблема деформации, вызванной нагревом, значительно улучшится. Структура на рисунке (9) заключается в том, что часть выводной рамки непосредственно опускается на силовой кристалл, чтобы нести драйверный ИС и силовой кристалл. Выводная рамка образует две разные плоскости. Цель понижения выводной рамки состоит в том, чтобы плоскость силового кристалла была максимально близка к поверхности компаунда IPM, контактирующей с радиатором. Такая конструкция позволяет после установки кристаллов непосредственно выполнять литьё и герметизацию без дополнительных согласующих материалов и последующих технологических операций. Помимо толщины изоляции, это также наиболее экономичная структура. Рекомендуется сопоставить радиатор системы, максимально возможную рабочую температуру и рабочее напряжение реальной системы, чтобы определить предельный диапазон модуля. Является ли компоновка внутренних компонентов рациональной Проверьте, рационально ли расположены внутренние компоненты, включая то, размещён ли источник тепла (в основном это силовые кристаллы) на выводной рамке для обеспечения равномерного распределения тепла, совпадает ли задержка управления трёхфазных силовых кристаллов и симметрична ли токовая цепь силовых кристаллов верхнего и нижнего плеч. Стоит отметить, что разработчики часто видят в спецификации рекомендации для IPM (как показано в таблице 1), согласно которым напряжение звена постоянного тока системы не должно превышать 450 В, а коммутируемое напряжение — 500 В. Это связано с тем, что в IPM из-за проводников и выводной рамки образуется эквивалентная паразитная индуктивность, И скачок напряжения может быть значительно выше, чем напряжение, измеренное на выводе IPM. Чтобы гарантировать, что падение напряжения на внутреннем силовом кристалле не превысит номинальные 600 В, и установлен такой ограниченный диапазон. Но на самом деле это связано с тем, что паразитная индуктивность выводной рамки и проводников составляет около 10–20 нГн, а скорость изменения тока при переключении IPM редко превышает 400 А/мкс (обычно находится в диапазоне 200–300 А/мкс). Таким образом, разница между напряжением на выводе и внутреннем IGBT из-за скачка напряжения должна быть менее 10 В, и результаты практических измерений это подтверждают. Кроме того, почти все IGBT на 600 В имеют запас более 100 В. Иными словами, маловероятно, что напряжение на выводе IGBT внутри IPM превысит предельный диапазон и приведёт к пробою при переключении. Следует отметить, что для дополнительного запаса по области, в которой потребляемая мощность IPM при переключении не должна выходить за пределы безопасной работы, вероятность превышения допустимой мощности значительно выше, чем вероятность превышения допустимого напряжения. Однако можно ожидать, что чем больше проектный запас, тем ниже будет уровень отказов в реальном применении. Когда сложно оценить мгновенный ток, снижение напряжения на p-n-переходе является необходимым критерием проектирования. На самом деле связь между определением и измерением области безопасной работы силового кристалла, его полевым применением и уровнем отказов — это не только специфическая тема IPM, но и глубокая и широкая тема в зрелом корпусировании дискретных компонентов. Возможно, в следующий раз ей можно будет посвятить отдельную статью. Легко ли освоить проектирование внешних согласующих цепей В большинстве схем внешних согласующих цепей для IPM различий немного. В общих чертах всё сводится к тому, что достаточно правильно разместить три плавающих источника питания и резисторы защиты от короткого замыкания верхнего плеча в соответствии с эталонной схемой, как показано на рисунке (11), а затем подключить управляющие сигналы шести плеч. Однако не факт, что каждый модуль действительно так же прост в проектировании, как утверждает руководство. На самом деле критерии оценки этой части должны определяться выбранными в модуле полупроводниковыми компонентами и условиями применения системы. В частности, следует учитывать проблемы, которые могут быть обусловлены специальным драйверным ИС, выбранным IPM. Подробно это обсуждается в ссылке [2]. Кроме того, стоит отметить вопрос, какой способ управления драйвом более надёжен — с положительной или отрицательной логикой. Автор столкнулся с весьма опытным директором по проектированию, который доверял заявлениям ведущих японских производителей и считал, что управление с положительной логикой намного надёжнее, чем с отрицательной. На самом деле отрицательная логика обладает высокой помехоустойчивостью Когда питание IPM выходит за норму, переключатель можно безопасно отключить. У обоих способов управления есть свои преимущества и недостатки. Нельзя однозначно сказать, какой из них надёжнее. Ссылаясь на рисунок (XII), когда уровень помех превышает уровень управления, распознаваемый IPM, при отрицательной логике механизм заключается в выключении IGBT, а при положительной логике — во включении IGBT. Как правило, состояния переключения верхнего и нижнего плеч в основном комплементарны. Поэтому для IPM, управляемого отрицательной логикой, отключение IGBT, который должен был быть включён, максимум на несколько мкс лишь снижает использование напряжения, тогда как для IPM, управляемого положительной логикой, существует опасность одновременного открытия верхнего и нижнего плеча и возникновения сквозного тока в плече. Кроме того, при непосредственном управлении, хотя для отрицательной логики требуется подтягивающий резистор, способность общего MCU отдавать ток обычно слабее, чем способность его стока, примерно в 1/5–1/10 раза. Поэтому риск при положительной логике возникает, когда выходной порт MCU требует высокого выходного тока, и уровень управления может быть сработан Однако при отрицательной логике, когда на выходе высокий уровень, управляющий порт имеет высокое сопротивление, а ток управления обеспечивается источником питания через подтягивающий резистор, поэтому проблемы, характерной для управления с положительной логикой, не возникает. Высокая надёжность драйверного ИС и силового полупроводника Хотя IPM предоставляет множество преимуществ, недоступных традиционным компонентам, за счёт изменения типа корпусирования, следует помнить, что это не меняет функций и характеристик самой полупроводниковой основы. Поэтому если выбранные драйверный ИС и силовой полупроводниковый кристалл имеют ограничения и дефекты применения, IPM Эти ограничения и дефекты неизбежно будут существовать. Например: если выбран IPM производителя A Силовой ключ выполнен на IGBT с NPT-технологией, тогда как у IGBT с PT-технологией, выбранного производителем B, характеристики двух IPM будут различаться. Ставшая недавно популярной trench-технология также является производной PT-технологии. Хотя она значительно улучшает недостаток медленной коммутации традиционного PT-IGBT, ей также присущи слабая способность выдерживать ток короткого замыкания и высокая чувствительность параметров к изменению температуры. Используемый драйверный ИС тот же самый. Поэтому если удаётся полностью понимать предельный диапазон выбранного для IPM полупроводника по изменению температуры, di/dt, dv/dt и мгновенному отрицательному напряжению и тем самым подобрать IPM, подходящий для требований системы, то проект уже более чем наполовину успешен. По собственному опыту автора, ускоренные климатические испытания позволяют легко выявить недостатки конструкции системы благодаря сочетанию температурных, вибрационных, напряженческих и токовых нагрузок, но при этом сильно затрудняют анализ причин отказа. Если разработчику уже ясно, как характеристики различных компонентов влияют на систему в схеме с дискретными компонентами, рекомендуется запросить у поставщика спецификационные характеристики, данные по надёжности и опыт рыночного применения полупроводников, выбранных в IPM, в традиционных корпусированных компонентах; это, как считается, очень поможет при проверке надёжности IPM и причин отказов в дискретном решении. Вывод Хотя IPM предлагает решения для трёхфазных приводов двигателей или трёхплечих топологий систем бесперебойного питания, позволяющие упростить проектирование системы и повысить удельную мощность, из-за своих уникальных требований к корпусированию и производственных методов он по-прежнему, похоже, с трудом может конкурировать со стандартизированными и массово выпускаемыми дискретными компонентами по стоимости одного элемента. Однако по непреложному закону, согласно которому затраты на любую новую технологию со временем неизбежно снижаются, тенденцию замещения традиционного корпусирования силовым интегральным корпусированием не удастся избежать. Помимо чёткого объяснения различий в характеристиках, надёжности и общей стоимости, возникающих при использовании IPM в проектировании системы, также в сочетании Мышление разработчиков модуля и разработчиков системы даёт читателю разные уровни подходов к пониманию и выбору IPM. В то же время в статье дополнительно проясняются некоторые кажущиеся правдоподобными, но ошибочные представления. Надеемся, что читатели, которым интересны IPM или которые уже использовали их, смогут лучше разобраться в таких компонентах Список литературы: 1. Дай Чжичжань, «Введение в корпусирование и применение интеллектуального силового модуля», Motor Technology E-learning Network, № 94, сентябрь 2004 г. 2. Дай Чжичжань, «Проектирование специального драйверного ИС для полумостовых/мостовых схем», Motor Technology E-learning Network, выпуск 184, июнь 2006 г. 3. «Силовая электроника: преобразователи, применение и проектирование», Mohan, Undeland и Robbins, Wiley, 1989 4. «Силовые полупроводниковые приборы для частотно-регулируемого привода», B. Jayant Baliga, 1994 5. T. Fukami, H. Senda, T. Onishi, T. Kushida, T. Shoji, M. Ishiko, «Предложение технологии отбраковки отказов по области безопасной работы при обратном смещении методом коммутации индуктивной нагрузки без ограничения тока», Proceedings of IEEE, стр. 2053–2059, 2005. 6. Fairchild application note 9016, K. S. Oh, февраль 2001 г. 7. «Силовой модуль для управления бытовой техникой», журнал IEEE Application Magazine, стр. 26–34, июль 2002 г. 8. Qiankun Technology, «Технический семинар по интеллектуальному модулю питания для привода высокомощных двигателей», март 2005 г. 9. Daizhizhan, «Новый импульсный усилитель мощности для высокоэффективной магнитолевитационной системы», магистерская диссертация, Институт электротехники Университета Цинхуа, июнь 1995 г.
ЧИТАТЬ АНАЛИТИКУ ↗
Силовые полупроводниковые приборы, защитные компоненты и промышленные решения в области электропитания.
