Руководство по применению IGBT и IPM. Руководство по применению биполярных транзисторов с изолированным затвором
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
4.6. Электропитание цепей управления 4.6.1. Мощность, потребляемая цепями управления IPM Ток потребления цепей управления ID зависит от частоты пе- реключений FC . На рисунке 4.20 показана типовая зависимость тока ID от частоты fC .  - 131 -Рис. 4.20. Зависимость тока потребления ID от частоты переключений fC . 1 - ток в цепи ID (мА) 2 - сторона Максимальные токи потребления IDmax для схемы силового электропитания цепей управления при fC = 20 кГц представлены в таблице 4.3.  Таблица 4.3а. Токи потребления цепей управления (мА) для модулей серии 600 В 1 - наименование типа 2 - N сторона - 132 - 3 - Р сторона  Таблица 4.3b. Токи потребления цепей управления (мА) для модулей серии 1200 В 1 - наименование типа 2 - N сторона 3 - Р сторона Внимание ! Ток сигнала неисправности на выходе не включен в эту табли- цу. 4.6.2. Указания по монтажу Количество гальванически развязанных источников питания це- пей управления указано в справочных данных на примерах схем при- менения: для IPM, включающих 6 или 7 IGBT, требуется один общий источ- ник электропитания для ключей нижнего плеча моста и отдельные гальванически развязанные источники электропитания для каждого ключа верхнего плеча. Для мощных 3-х фазных систем инверторов, в которых используются сдвоенные или одинарные IPM, требуется 6 изолированных источников электропитания. В таких высокотоковых применениях каждое устройство нижнего плеча должно иметь свой собственный гальванически изолированный источник электропитания цепей управления для устранения помех, вызванных замкнутыми кон- - 133 - турами в цепях заземления. Для избежания повреждений из-за превышения напряжения или ожного срабатывания защиты от превышения напряжения, источники электропитания цепей управления должны быть отрегулированы на напряжение 15 В +- 10 %. Источники должны выдерживать регламенти- рованное напряжение не менее двухкратного регламентированного напряжения VCES IPM (т.е. Viso = 2400 В для модуля на 1200 В). Емкостная связь между первичной и вторичной сторонами гальвани- чески развязанных источников электропитания цепей управления должна быть максимально уменьшена, т.к. паразитные емкости, пре- вышающие 100 пФ, могут вызвать помехи, которые могут несанкциони- рованно запустить цепи управления. К выводам источника электропи- тания цепей управления необходимо подключить развязывающий кон- денсатор емкостью не менее 10 мкФ непосредственно у корпуса IPM. Этот конденсатор помогает фильтровать несимметричные помехи на входе источника электропитания цепей управления и обеспечивает высокие импульсные токи, требуемые для внутренних цепей управле- ния затвором IPM. 4.6.3. Конфигурация схемы Гальванически развязанные источники электропитания цепей уп- равления могут быть созданы с использованием различных схемных решений. Можно применить либо ключевой источник электропитания с несколькими выходами, либо преобразователь напряжения с несколь- кими вторичными обмотками. Электропитание цепей управления также можно осуществить от силового выпрямителя, используя конверторы постоянного тока. - 134 -  Рис. 4.21. Ключевой ИВЭП для инвертора IPM. 1 - соединительный конденсатор, связывающий сети переменного тока 2 - ШИМ-контроллер 3 - источник электропитания цепей управления IPM 4 - Вх / Вых инвертора 5 - мкР-контроллер Использование компактного конвертора в качестве единичного гальванически изолированного источника может упростить монтаж электропитания схем управления. Децентрализованная схема электро- питания, в которой один задающий генератор используется для уп- равления несколькими маленькими изолирующими трансформаторами с выпрямителями, может обеспечить преимущества отдельных преобразо- вателей постоянного тока при меньших затратах. Еще одно экономически эффективное решение показано на рисун- ке 4.2.1. Этот обратноходовой преобразователь работает непосредственно от силовой шины постоянного тока. Требуемые источники электропи- тания для систем микроконтроллера и управления затворами ключей инвертора также могут быть получены от того же самого устройства. Проблемы наводок через паразитную емкость можно легко преодолеть, применяя экранированные обмотки в трансформаторах источников электропитания IPM верхнего плеча. - 135 - Внимание ! Использование схем “зашнуровки” не рекомендуется, т.к. пуль- сации напряжения на VD могут вызвать ложное срабатывание защиты от понижения напряжения в инверторах с ШИМ-режимами. 4.7. Схемы интерфейса 4.7.1. Требования к схемам интерфейса Входной сигнал низкого уровня включает IGBT. Активный конт- роль низкого уровня на входе удерживает IGBT выключенным, когда на входе действует высокий уровень напряжения. Обычно управляющий вход IPM подключен к высокому уровню через резистор, соединенный с положительным выводом источника электропитания цепей управле- ния. Установка управляемого входа в низкий уровень включает IGBT. Выходом сигнала неисправности служит открытый коллектор, макси- мальный ток которого ограничен внутренней схемой IPM. Если возникает неисправность, включается устройство с откры- тым коллектором, отбирая ток для сигнала неисправности от положи- тельного зажима источника электропитания цепей управления. Сигналы неисправности и управления включением / выключением обычно подаются к контроллеру системы и от него с использованием развязки по высокому напряжению. Развязка позволяет передавать управляющие сигналы обычного логического уровня на верхнее и ниж- нее плечи моста. Указанная развязка обычно обеспечивается оптопа- рами. Наиболее важным моментом при проектировании схем интерфейса является монтаж. Необходимы экранирование и тщательная трассиров- ка проводников печатных плат для защиты от наводимых помех в схе- мах управления, вызванных dv/dt. Паразитные емкости между схемами интерфейса верхнего и нижнего плечей или первичной и вторичной сторонами развязывающего интерфейса также могут вызвать появление помех. Необходимы тщательная компоновка схемы электропитания це- пей управления и монтаж развязывающих цепей. В разделе 4.7.2 дан перечень важнейших указаний, которым надо следовать при проекти- ровании схем интерфейса. На рисунке 4.22 показан пример компонов- ки схем интерфейса для IPM сдвоенного типа. Экранирование и спо- соб прокладки проводников печатных плат, использованные в этом примере, иллюстрируют типовое использование вышеприведенных ука- заний по компоновке. - 136 - 4.7.2. Указания по разводке схем Наиболее важным соображением при проектировании схем интер- фейса является защита от помех, наводимых быстрым изменением нап- ряжения dv/dt. Паразитные емкости между схемами интерфейса верх- него плеча, схемами интерфейса верхнего и нижнего плечей или пер- вичной и вторичной сторонами развязывающих устройств также могут вызвать проблемы помех. Необходима тщательная разводка цепей электропитания схем управления и развязывающих цепей. Основные требования, которые необходимо выполнять при проектировании схем интерфейса: 1. Не прокладывайте рядом проводники печатных плат, подвер- женные скачкам потенциала вследствие переключений IPM. Высокая скорость dv/dt может навести помехи через паразитные емкости. Ес- и пересечение или параллельная прокладка этих трасс неизбежны, следует применять экранированные проводники, как показано на ри- сунке 4.22. 2. Применяйте короткие проводники между выходом оптопары и штырями входа IPM (2-3 см. макс.). Более длинные проводники могут увеличить помехи от других частей схемы. При монтаже оптопары на печатной плате не должна увеличиваться емкость между первичной и вторичной цепями оптопары. 3. Применяйте развязывающие конденсаторы рекомендуемого типа для силовых источников. Эти конденсаторы должны располагаться в непосредственной близости к соответствующим штырям IPM. - 137 -  Рис. 4.22. Пример компоновки схемы интерфейса. 1 - экран 2 - оптопара 3 - земля - экран 4 - электропитание цепей управления 5 - экран для цифровых МС заземленным средним слоем 4. Быстродействующие оптопары с высоким подавлением несим- метричных помех (CMR) должны использоваться для входного сигнала: tPLH,tPHL < 0,8 ms CMR > 10 kV/ms Подходящие типы оптопар: HCPL 4503;HCPL 4504 (Hewlett Pac- kard); PS2041 (NEC). Обычно быстродействующие оптопары требуют подключения расположенного в непосредственной близости развязыва- ющего конденсатора емк. 0,1 мкФ. - 138 - 5. Выбирайте резистор в цепи затвора с достаточно низким сопротивлением с точки зрения повышения помех из-за высокого им- педанса входа IPM и с достаточно высоким сопротивлением, чтобы быстродействующий оптотранзистор мог обеспечивать на входе IPM напряжение не выше рекомендованного максимального значения VCIN(ON). 6. Оптопары с невысоким быстродействием могут применяться в цепи сигнала неисправности на выходе и в цепях электрического торможения на входе. “Медленные” оптопары имеют дополнительные преимущества - низкую стоимость и более высокие коэффициенты пе- редачи тока (СTR). Большинство “медленных” оптопар не имеют внут- реннего экранирования. Поэтому через такие оптопары могут наво- диться помехи при переключениях IPM. Для устранения этих помех к выходу оптопар можно подсоединить RC - фильтр с постоянной време- ни около 10 мкс. Такой фильтр практически не оказывает влияния на сигнал неисправности длительностью 1,8 мс на выходе IPM. 7. Если некоторые ключи IPM не используются в конкретном при- менении, электропитание их цепей управления все же должно быть подключено. Соответствующие выводы входного сигнала должны быть соединены через резисторы к электропитанию цепей управления (нап- ряжение VD или VSXR) для гарантированного удержания неиспользуе- мых ключей в выключенном состоянии. Рекомендуемые схемы интерфей- са указаны в справочных данных для каждого IPM. 4.7.3. Входные и выходные цепи IPM  Рис. 4.23. Схемы IPM вход/выход 1 - электропитание цепей управления 2 - вход схемы управления - 139 - 3 - неисправность на выходе 4 - выход 5 - схема управления затвором 6 - регулируемое 7 - сборка из 6/7 IPM 8 - сдвоенный/одинарный IPM 4.7.4. Подключение схемы интерфейса Входные штыри “разумных” выходных модулей подсоединяются не- посредственно к печатной плате. Увеличение помех может быть све- дено до минимума размещением схем интерфейса на печатной плате около входных штырей модуля. Низкомощные модули имеют луженые штыри управления и луженые силовые штыри; те и другие должны быть припаяны непосредственно к печатной плате. Модули более высокой мощности имеют позолоченные штыри, которые должны подсоединяться к печатной плате с использованием обратно смонтированного держа- теля гнезда (соединителя Хироуза). Пример такого соединения для IPM сдвоенного типа показан на рисунке 4.25. Данная технология соединения может быть применена также для больших сборок из шести и семи модулей. В таблице 4.4. указаны рекомендуемые методы сое- динения и соединители для каждого IPM третьего поколения. Паяемость выводов IPM была подтверждена специальным “тестом на пайку” при следующих условиях: температура пайки: 260°С ± 5°С время пайки: 10 с ± 1 с флюс: типа канифоли Для пайки волной рекомендуется следующая процедура: первый этап: предварительный нагрев поверхности печатной платы до 80°С - 105°С второй этап: глубокая пайка при 245°С в течение 3 - 4 с, применяемый флюс: типа канифоли - 140 -  Рис. 4.25. Подсоединение схемы интерфейса 1 - управляющие штыри IPM 2 - гнездо держателя 3 - печатная плата 4 - вид сзади 5 - вид сбоку 6 - пример компоновки печатной платы 7 - А отверстие для штыря гнезда B отверстие с зазором для штырей IPM С отверстие с зазором для управляющего штыря D расстояние между штырями IPM Е расстояние между штырями держателей гнезда на каждый соединитель mfg - 141 -  Таблица 4.4. Примеры соединителей, применяемых для управле- ния IPM третьего поколения 1 - наименование типа соединителя 2 - шаг штырей 3 - количество элементов 4 - соответствующее напряжение 5 - серии 600 В 6 - серии 1200 В 7 - для получения более детальной информации - рисунков и пр. обращайтесь к производителю. 4.7.5. “Мертвое” время (tdead) Для предотвращения сквозных токов при переключении ключей моста требуется предусмотреть в системе управления “мертвое” вре- мя между высоким и низким входными включающими сигналами верхнего и нижнего плеча. В справочных данных указываются две различные величины. а. Время tdead, измеряемое непосредственно на входных зажи- мах IGBT - 142 - b. Время tdead, относящееся к входным сигналам оптопар, ис- пользуемым в рекомендуемых схемах применения. Указанное в справочных данных “мертвое” время типа b. отно- сится к стандартным быстродействующим оптопарам (см. раздел 4.7.2.). При использовании специально отобранных оптопар с малым разбросом времени переключения, требуемое “мертвое” время типа b. может быть уменьшено. При высоких частотах переключения (около 20 кГц) “мертвое” время может снизить максимальное получаемое выходное напряжение ШИМ инвертора. Одним из способов компенсации этого нежелательного эффекта является использование переменной несущей частоты fC ШИМ, т.е. уменьшение частоты fC при высоких мгновенных значениях вы- ходного напряжения инвертора, и наоборот, при низких мгновенных значениях выходного напряжения частота fC увеличивается. Данный подход также помогает снизить общие потери IPM при переключениях. 4.7.6. Использование сигнала неисправности на выходе FO При срабатывании одной из защит на специальный выход подает- ся сигнал неисправности длительностью tFO = 1,8 мс (тип.), ключи IPM приводятся в выключенное состояние и модуль IPM перестает ре- агировать на входные сигналы управления. После окончания проме- жутка времени tFO происходит автоматический возврат модуля в ис- ходное состояние, и входы управления IPM снова готовы к работе. При генерировании сигнала неисправности управляющие ШИМ сигналы должны быть отключены контроллером системы на время t . FO(min) Входные сигналы можно снова подавать на вход IPM после устранения неисправности. Эту предосторожность следует соблюдать особенно в случае не- исправностей из-за перегрузки по току или короткого замыкания, чтобы избежать выхода из строя IPM вследствие повторяющегося сра- батывания защиты от перегрузки по току/КЗ, что вызывает перегрев р-п перехода. Контроллер системы может легко определить, был ли сигнал не- исправности вызван превышением температуры или перегрузкой по то- ку/КЗ, определяя его длительность. Сигналы неисправности из-за перегрузки по току и КЗ будут равны по длительности tFO (номи- нальное - 1,8 мс). Сигнал неисправности из-за превышения темпера- - 143 - туры будет намного длиннее. Сигнал неисправности из-за превышения температуры возникает тогда, когда температура основания превысит уровень ОТ и продолжает действовать до тех пор, пока основание модуля не остынет до температуры ниже уровня ОТR . Обычно это про- исходит за десятки секунд. Мы надеемся, что данное руководство по применению IGBT третьего поколения и IPM содержит ответы на большинство ваших вопросов. В любом случае, пожалуйста, свободно обращайтесь в наши отделы по применению и продаже, которые охотно помогут вам. На следующей странице вы найдете различные адреса отделений Mitsu- bishi Electric Power Semiconductors в Европе. |