Руководство по применению IGBT и IPM. Руководство по применению биполярных транзисторов с изолированным затвором
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
4.3. Область безопасной работы Встроенные в IPM схемы управления затвором и защиты защищают их от многих режимов работы, которые могли бы нарушать область безопасной работы (SOA) обычных модулей IGBT. Обычно SOA опреде- яют как все возможные комбинации напряжений, токов и времен, ко- торые могут вызвать отказ силового устройства Для определения об- асти безопасной работы IPM следует учитывать мощность силового устройства и работу схемы управления. Простые в использовании оп- ределения SOA при КЗ и переключениях для “разумных” силовых моду- ей приведены ниже. 4.3.1. Область безопасной работы при переключениях Область безопасной работы (SOA) при переключениях или выключении обычно определяется с точки зрения максимально допус- тимых и действующих одновременно напряжения и тока в течение пов- торяющихся операций выключения. В случае IPM встроенное управле- ние затвором устраняет многие опасные сочетания напряжения и то- ка, вызванные неправильным управлением затвором. Кроме того, мак- симальный рабочий ток ограничен схемой защиты от перегрузки по току. При этих ограничениях SOA может быть определена с использо- ванием осциллограммы, представленной на рисунке 4.11. Эта осцил- ограмма показывает, что IPM будет работать безопасно до тех пор, пока напряжение шины постоянного тока будет ниже напряжения VCC(prot), указанного в справочных данных, выключающее переход- ное напряжение через выводы С - Е при каждом переключении IPM бу- дет поддерживаться ниже указанного справочного напряжения VCES , температура Tj будет менее 125°С и напряжение питания цепей уп- равления будет в пределах от 13,5 В до 16,5 В. На этой осциллог- - 118 - рамме IOC - максимальный ток, допустимый для IPM, не вызывающий возникновения неисправности из-за перегрузки по току (ОС). Иными словами, он чуть ниже уровня срабатывания ОС. Данная осциллограм- ма определяет наихудший случай для операций выключения, потому что IPM будет начинать выполнять управляемое медленное выключение для токов, более высоких, чем уровень срабатывания ОС. 4.3.2. Область безопасной работы (SOA) при коротком замыкании Осциллограмма на рисунке 4.1.2 показывает типовую ситуацию при коротком замыкании. При стандартных условиях проверки исполь- зуется минимальный импеданс КЗ, который вызывает протекание в устройстве максимального тока короткого замыкания. При этой про- верке ток короткого замыкания (ISC) ограничивается только пара- метрами устройства. Гарантируется, что IPM выдерживает неповторя- ющееся короткое замыкание при условии, что: 1) напряжение шины постоянного тока будет меньше напряжения VCC(prot); 2) все переходные напряжения на выводах С-Е каждого ключа IPM не будут превышать напряжение VCES ; 3) температура Tj будет менее 125°С и 4) напряжение питания цепей управления находится в пределах от 13,5 В до 16,5 В. Приведенная осциллограмма показывает плавное управляемое выключение, применяемое в IPM с целью свести до минимума переход- ные напряжения. - 119 - Примечание. Условие VCE <= VCES должно тщательно контроли- роваться как при переключениях, так и при работе в условиях КЗ / перегрузки по току для каждого ключа IPM. Для облегчения проектирования в спра- вочных данных указывается другая регламентиро- ванная величина напряжение VCC(surge), т.е. мак- симальный допустимый всплеск переключающего нап- ряжения, прикладываемого между P и N выводами IPM. Эти регламентированные значения могут быть превышены, если вышеприведенное условие VCE <= VCES гарантируется для любого наихудшего случая условий работы каждого ключа IPM.  Рис. 4.11. Осциллограмма выключения  Рис. 4.12. Работа при коротком замыкании - 120 - 4.4. Встроенная защита IPM 4.4.1. Особенности встроенной защиты IPM имеют встроенные схемы защиты, предотвращающие поврежде- ние силовых модулей при неправильной работе системы или перегруз- ках. Способ обнаружения неисправностей и соответствующие схемы отключения позволяют максимально использовать возможности силовых устройств без риска уменьшения надежности. Функции встроенной защиты показаны в виде блок-схемы на ри- сунке 4.13. Если одна из схем защиты срабатывает, устройство управления затвором IGBT выключается и появляется сигнал неисправности на выходе (FO). Детально работа каждой особенности защиты описана в следую- щих разделах.  Рис. 4.13. Блок-схема IPM. 1 - управляющие выводы 2 - датчик температуры 3 - силовые выводы 4 - SC: защита от короткого замыкания (RTC - схема управления в реальном масштабе времени); ОС: защита от перегрузки по току UV: защита от понижения напряжения питания схемы управления ОТ: защита от превышения температуры Drive: схема управления затвором IGBT. - 121 - 4.4.2. Защита от понижения напряжения электропитания схемы управления (UV) Внутренние цепи управления модулем работают от питающего напряжения 15 В постоянного тока. Если по какой-либо причине это напряжение питания падает ниже установленного уровня срабатывания защиты от пониженного напряжения (UV), силовые устройства выклю- чаются и генерируется сигнал неисправности. Кратковременные про- валы указанного напряжения, меньшие по длительности установленно- го интервала tdUV, не влияют на работу схем управления и игнори- руются схемой защиты от понижения напряжения.  Рис. 4.14. Работа схемы защиты от пониженного напряжения 1 - входной сигнал 2 - напряжение электропитания цепей управления 3 - выходной ток сигнала неисправности (FO) 4 - внутреннее напряжение затвора VGE 5 - электропитание цепей управления включено 6 - короткие провалы напряжения игнорируются 7 - неисправность силового питания и восстановления 8 - электропитание цепей управления выключено В IPM третьего поколения типовое время tdUV равно 10 мкс. - 122 - Для возобновления нормальной работы напряжение питания долж- но превысить уровень возврата в исходное состояние после пониже- ния напряжения (UVr). Схема защиты от понижения напряжения также срабатывает в течение повышения и понижения напряжения электропи- тания цепей управления. Это срабатывание нормально, и программа контроллера системы должна учитывать длительность генерируемого импульса неисправности на выходе (tFO). На рисунке 4.14 показана длительная работа схемы защиты от пониженного напряжения. Предостережения 1. Нарастание напряжения сетевой шины со скоростью большей, чем 20 В/мкс до того, как будет включено и стабилизируется напря- жение схемы управления, может вызвать выход из строя силовых уст- ройств. 2. Пульсации напряжения в схеме управления со скоростью, превышающей 5 В/мкс могут вызвать срабатывание защиты от пониже- ния напряжения. 4.4.3. Защита от превышения температуры Датчик температуры смонтирован на изолирующем основании вблизи чипа IGBT. Если температура основания превышает уровень срабатывания защиты от превышения температуры (ОТ), внутренняя схема управления IPM будет защищать силовые устройства, отключая управление затвором и не воспринимая входные управляющие сигналы до тех пор, пока температура не упадет ниже уровня срабатывания схемы. В сборках из шести и семи модулей все три устройства нижнего плеча будут выключены и будет вырабатываться сигнал неисправности на нижнем плече. На ключах верхнего плеча это не сказывается, и они могут включаться и выключаться контроллером системы. Анало- гично, в модулях сдвоенного типа отключается только устройство нижнего плеча. Когда температура падает ниже уровня возврата защиты в ис- ходное состояние после превышения температуры (ОТr), и на управ- яющий вход подан высокий уровень сигнала выключения, силовое устройство возобновит нормальную работу при следующем низком (включающем) входном сигнале. - 123 -  Рис. 4.15. Работа защиты от превышения температуры 1 - входной сигнал 2 - температура основания 3 - неисправность выходного тока (IFO) 4 - внутренне напряжение затвора VGE. Внимание ! Срабатывание защиты от превышения температуры указывает на жесткий режим работы силового модуля. Следует избегать повторяю- щихся превышений температуры. 4.4.4. Защита от перегрузки по току Если ток в IGBT превышает уровень срабатывания защиты от пе- регрузки по току (ОС) в течение промежутка времени большего, чем время toff(OC), IGBT выключится. В IPM третьего поколения это время устанавливается равным toff(OC) = 10 мкс (тип.). Короткие импульсы тока с амплитудой выше уровня ОС длитель- ностью менее toff(OC) не опасны и будут игнорироваться схемой за- щиты от перегрузки по току. При обнаружении перегрузки по току происходит управляемое мягкое отключение и будет генерироваться сигнал неисправности на выходе. Управляемое мягкое выключение уменьшает всплеск напряжения, который возникает во время отключения силового тока. - 124 - Осциллограммы на рисунке 4.16 иллюстрируют эффект мягкого выключения (для получения осциллограммы “а” внутренняя схема мягкого отключения была отключена).  Рис. 4.16. Работа при перегрузке по току РМ 200DSA-060 (IC : 100 A/дел.; VCE : 100 V/дел. t = 1 мкс/дел.) а) Защита от перегрузки по току без мягкого отключения б) Защита от перегрузки по току с мягким отключением 1 - всплеск Временные диаграммы работы защиты от перегрузки по току по- казаны на рисунке 4.17. В отличие от обычных систем, использующих датчики без насыщения и датчики тока шины, в IPM применены специ- альные датчики тока IGBT для измерения реального тока устройства. Эта технология слежения за током позволяет обнаруживать все виды неисправностей, связанных с перегрузкой по току, включая резис- тивное и индуктивное замыкание на землю. При использовании IPM в промышленных инверторах для элект- ропривода перегрузка последнего в пределах, указанных в специфи- кациях допустимых перегрузок инвертора, не должна вызывать сраба- тывание защиты IPM от перегрузки по току. - 125 - 4.4.5. Защита от короткого замыкания (SC) Если возникает короткое замыкание в нагрузке или контроллер системы плохо работает и допускает протекание сквозного тока в мосте, встроенная защита от короткого замыкания IPM выключает IGBT. Если ток через IGBT превышает уровень срабатывания защиты от короткого замыкания (SC), немедленно начинается управляемое мягкое отключение и генерируется сигнал неисправности на выходе. Примечание. Для нижнего диапазона токов IPM, как серии 600 В, так и се- рии 1200 В, не является необходимым выполнение управляемого мяг- кого выключения или применение RTC технологии для обеспечения бе- зопасной работы при перегрузке по току и КЗ. Для уменьшения времени отключения при КЗ в IPM третьего по- коления установлены схемы управления током в реальном масштабе времени (RТC). RТC обходит все переключения IGBT кроме последней стадии управления IGBT при работе в условиях КЗ, уменьшая таким образом время срабатывания до величины, меньшей 100 нс. Осциллог- раммы на рисунке 4.18 иллюстрируют эффективность действия RTC при наличии КЗ у IPM 2-го поколения (без RTC) и IPM 3-го поколения (с RTC): величина тока КЗ заметно снижается. Временные диаграммы срабатывания защиты от КЗ показаны на рисунке 4.17. - 126 -  Рис. 4.17. Временные диаграммы при перегрузке по току и ко- ротком замыкании 1 - входной сигнал 2 - внутреннее напряжение на затворе (VGE) 3 - уровень срабатывания защиты от КЗ 4 - уровень срабатывания защиты от перегрузки по току 5 - ток коллектора 6 - неисправность выходного тока IFO 7 - нормальная работа 8 - неисправность при перегрузке по току и восстановление 9 - неисправность при КЗ и восстановление - 127 -  Рис. 4.18. Осциллограммы, показывающие эффективность действия RTC 1 - работа при КЗ без RTC 2 - работа при КЗ с RTC Сравнение работы при КЗ IPM на 1200 В (с управляемым мягким отключением и RTC) и обычных модулей IGBT представлено на рисунке 4.19. Можно видеть значительное улучшение: нагрузка на модуль зна- чительно ниже, тогда как время КЗ и величина всплеска напряжения уменьшены.  Рис. 4.19. Преимущества IPM при возникновении КЗ (2 мкс/дел.) Внимание ! Срабатывание защит от перегрузки по току и короткого замыка- ния указывает на работу IGBT в условиях перегрузки. Следует избегать повторяющихся срабатываний упомянутых защит. - 128 - 4.5. Выбор IPM Существуют два ключевых момента, которые должны быть выпол- нены для надлежащего выбора IPM. Это соответствие максимального значения силового тока IPM и соответствующее проектирование теп- оотвода, подтверждающее, что максимальная температура p-n пере- хода всегда будет меньше максимальной регламентированной темпера- туры (150°С), и что температура основания силового модуля остает- ся ниже уровня срабатывания защиты от превышения температуры. Максимальное значение тока определяется регламентированной мощностью электродвигателя. В таблицах 4.1 и 4.2 даны рекомендуе- мые типы IPM, исходя из уровня срабатывания защиты от перегрузки по току и амплитудного значения тока двигателя на основании неко- торых типовых режимов работы инвертора и двигателя, определяемых КПД по мощности, максимальной перегрузкой и пульсациями тока. Максимальное мгновенное значение тока двигателя рассчитывается по формуле: P·OL·2·R I = ——————————————————— C(peak) ·PF·3·VAC где Р - регламентированная мощность двигателя в Ваттах; OL - максимальный коэффициент перегрузки инвертора; R - коэффициент пульсаций тока; n - КПД инвертора; PF - коэффициент мощности; VAC - номинальное напряжение сети переменного тока (3-х фазной). - 129 - Например, для электродвигателя мощностью 3,7 кВт и сети пе- ременного тока напряжением 220 В: Р = 3,7 кВт OL = 150 % R = 120 % n = 0,9 PF = 0,76 VAC = 220 тогда: 3700 · 1,5 · 2 · 1,2 IC(peak) = ————————————————————— = 36,1 A 0,9 · 0,76 · 3 · 220 Для рекомендованного в табл. 4.1 РМ типа 50 RSA 060 указан- ный в справочных данных минимальный уровень срабатывания защиты от перегрузки по току составляет 65 А. Поэтому данный тип модуля согласуется с первым критерием выбора. Остается подтвердить соот- ветствие теплоотвода. Требования к этому указаны в разделе 2.4.  Таблица 4.1. Зависимость регламентированной мощности двига- теля от условия срабатывания защиты от перегрузки по току для се- ти переменного тока напряжением 220 В. - 130 - 1 - регламентированная мощность двигателя (кВт) 2 - IC (амплитудное значение), А 3 - тип используемого IPM 4 - минимальный уровень срабатывания защиты от перегрузки по току (А)  Таблица 4.2. Зависимость регламентированной мощности двига- теля от условия срабатывания защиты от перегрузки по току для се- ти переменного тока напряжением 400 В. 1 - регламентированная мощность двигателя (кВт) 2 - IC (амплитудное значение), А 3 - тип используемого IPM 4 - минимальный уровень срабатывания защиты от перегрузки по току (А) |