Андрій Колпаков (ТОВ Семікрон), Маркус Хермвіль (SEMIKRON Int. GmbH)
Характеристика затвора і динамічні властивості IGBT
Драйвер ізольованого затвора MOSFET / IGBT, як сполучна ланка між контролером і силовим каскадом, є одним з ключових компонентів преобразовательного пристрою. Характеристики схеми управління багато в чому визначають параметри самого перетворювача - величину статичних і динамічних втрат, швидкість перемикання, рівень електромагнітних завад. З цієї точки зору розрахунку режимів управління і вибору драйвера слід приділяти найпильнішу увагу.
Поведінка IGBT в динамічних режимах в першу чергу залежить від значення ємностей затвора, а також внутрішнього і зовнішнього імпедансу ланцюга управління.
На малюнку 1 показані основні паразитні ємності переходів, нормовані в технічних характеристиках:
CGE - ємність «затвор - емітер»;
CCE - ємність «колектор - емітер»;
CGC - ємність «затвор - колектор» (або ємність Міллера).
Ємності затвора не змінюються з температурою, а їх залежність від напруги «колектор-емітер» стає більш вираженою при зниженні значення VCE. Заряд затвора QG. визначається значеннями CGC і CGE. є ключовим параметром при розрахунку потужності, що розсіюється схемою управління.
Поведінка IGBT при його відкриванні повністю визначається характеристикою заряду затвора. Спрощені епюри напруги «затвор-емітер» VGE. струму затвора IG. струму колектора IC і напруги «колектор-емітер» VCE в процесі переходу транзистора в насичене стан представлені на малюнку 2.
Мал. 2. Спрощені епюри процесу включення IGBT
Процес включення IGBT умовно можна розділити на три етапи, які пов'язані з первинним зарядом вхідний ємності CGE. зарядом ємності Міллера CGС і, нарешті, повним зарядом CGE. що йде до насичення транзистора.
Розглянемо більш докладно процес включення транзистора, епюри якого представлені на малюнку 2. На відрізку часу t0 відбувається початковий заряд вхідний ємності затвора CGE. Для спрощення будемо вважати, що заряд проводиться постійним струмом, тому даному етапу відповідає перший лінійний ділянку наростання напруги VGE. який триває до моменту часу t1. У цій точці напруга затвора досягає порогового значення відмикання транзистора VGE (th). Залежно від властивостей транзистора і імпедансу ланцюга управління, ток затвора IG на даній ділянці може досягати значення в кілька десятків Ампер. Оскільки до точки t1 напруга затвора знаходиться нижче порога відмикання, відсутній струм колектора IC. а напруга «колектор-емітер» VCЕ залишається рівним напрузі харчування VCC.
Як тільки сигнал управління стає вище порогового значення, починається включення IGBT, що характеризується зростанням струму колектора до значення, ограничиваемого навантаженням (ICload). Сказане справедливо при використанні ідеального оппозитного діода, в реальних схемах амплітуда струму в момент включення кілька перевищує величину ICload. Причиною цього є процес зворотного відновлення діода, в результаті чого струм відновлення Irr додається до IC на час переходу діода в непроводящее стан. Саме тому напруга VCE на відрізку часу t1 залишається на колишньому рівні.
Далі сигнал управління затвором досягає величини VGE (pl). носить назву «плато Міллера», вона підтримується протягом проміжків часу t2 і t3. На цьому ж етапі після повного виключення оппозитного діода починається спад напруги колектора VCE. швидкість якого dVCE / dt під час t2 досить висока. Вона знижується на проміжку t3. протягом якого транзистор переходить в насичене стан. Весь цей час відповідно до графіка, наведеними на малюнку 1b, ємність Міллера CCG зростає і заряджається частиною струму затвора IGС. що і зумовлює стабілізацію сигналу управління затвором на рівні VGE (pl).
На початку часового відрізку t4 транзистор вже повністю включений, а ємність CCG - заряджена. Експоненціально спадає ток затвора продовжує надходити до вхідної ємність CGE. доводячи напругу на ній до максимального значення VGE (on). що визначається схемою управління. В кінці цього етапу величина VCE досягає свого мінімуму, званого напругою насичення VCEsat.
При виключенні транзистора описані процеси відбуваються в зворотному порядку.
Вимірювання характеристик затвора
На малюнку 3а показана схема, яка може бути використана для вимірювання заряду затвора. Включення і вимикання IGBT проводиться від джерела стабілізованого струму + IG / -IG.
Мал. 3. а) схема вимірювання заряду затвора, b) типова характеристика затвора VGE = f (t) «VGE = f (QG), c) екстраполяція характеристики
До транзистору прикладається напруга живлення VCC. амплітуда імпульсу струму колектора ICpulse обмежена величиною навантаження RL. Оскільки струм затвора стабільний, напруга VGE змінюється лінійно на кожному часовому ділянці, так само лінійно, відповідно до співвідношення QG = IG × t йде накопичення заряду. Внаслідок цього, зміна напруги на затворі виявляється еквівалентно характеристиці затвора: VGE = f (t) «VGE = f (QG), як показано на малюнку 3b. Даний метод визначення характеристики QG описаний в документі IEC 60747-9, Ed.2: «Semiconductor Devices - discrete Devices - Part 9: Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBT).
Якщо в специфікації транзистора наводиться тільки позитивна область характеристики, то сумарне значення QG може бути визначено за допомогою екстраполяції, як показано на малюнку 3с. Світло-зелений прямокутник є квадрант величин, нормованих в технічних характеристиках. За допомогою паралельного перенесення цієї зони вздовж графіка QG до значення VG (off) можна отримати характеристику, розташовану в 1 і 3 квадрантах.
Заряд затвора QG можна також визначити розрахунковим способом на підставі величини вхідної ємності Ciss:
Коефіцієнт перерахунку ємності затвора kC визначається відповідно до виразу kC = QG (ds) / (Cies × (VG (on) - VG (off))),
де QG (ds) - номінальне значення заряду, нормоване в специфікаціях при заданих напругах управління VG (on) / VG (off).
Струм затвора і вихідна потужність драйвера
Потужність, необхідна драйверу для комутації IGBT, є функцією частоти комутації fsw і енергії E, необхідної для заряду і розряду ємностей затвора. Таким чином, вихідна потужність схеми управління ізольованим затвором PGD (out) визначається за такою формулою: PGD (out) = E × fsw.
У свою чергу величина Е залежить від значення заряду затвора QG і перепаду напруги, що управляє dVG. E = QG × (VGon - VGoff). Звідси результуюче вираз для визначення потужності драйвера: PGD (out) = QG × (VGon - VGoff) × fsw.
Ще одним важливим параметром є величина струму затвора IG. якого має бути достатньо для комутації згаданих вище ємностей і, отже, для перемикання IGBT. На малюнку 4 показано, як розподіляється струм управління затвором IGBT IG між його вхідними ємностями CGE і CGC.
Мінімальна величина IG може бути розрахована наступним чином: IG = IGE + IGC = QG × fsw.
У свою чергу пікове значення струму затвора IGpeak. визначаєшвидкість перезаряда QG. безпосередньо впливає і на швидкість перемикання IGBT. При збільшенні значення IGpeak скорочується час включення ton і виключення toff і відповідно зменшуються комутаційне втрати. Це неминуче впливає і на інші важливі динамічні властивості IGBT, наприклад, на величину комутаційного сплеску напруги при виключенні, залежить від швидкості спаду струму di / dt. З цієї точки зору підвищення швидкості комутації є більшою мірою негативним чинником, що знижує надійність роботи пристрою.
Теоретичне пікове значення струму затвора визначається за формулою IGpeak = (VG (on) - VG (off)) / (RG + RG (int)), де RG (int) - внутрішній імпеданс ланцюга управління, що включає резистор, що встановлюється всередині модуля IGBT. На практиці амплітуда струму виявляється трохи менше розрахункового рівня через наявність розподіленої індуктивності ланцюга управління.
Максимально допустиме значення вихідного струму, як і мінімальна величина RG. як правило, вказується в специфікації драйвера. Необхідно врахувати, що недотримання вимог щодо обмеження граничної величини IGpeak може привести до виходу схеми управління з ладу.
При виборі пристрою управління затвором IGBT необхідно брати до уваги такі вимоги:
- довідкове значення середнього струму драйвера IGav має бути вище розрахункового значення, а максимально допустима величина його пікового струму IGpeak повинна бути рівною або перевищувати реальне значення, обмежене опором ланцюга управління;
- вихідна ємність схеми управління (ємність, встановлена по харчуванню вихідного каскаду) повинна бути здатною запасати заряд (QC = C × U), необхідний для комутації IGBT;
За допомогою наведених вище формул і виразів розробник може визначити всі необхідні параметри плану затвором. Для автоматизації цього процесу фахівці компанії SEMIKRON розробили просту програму DriverSEL, що дозволяє визначити всі необхідні параметри і зробити вибір відповідного драйвера.
Мал. 5. Робоче вікно програми DriverSel
Для розрахунку DriverSel необхідна наступна інформація:
1. тип модуля (в даному випадку SEMiX 653GD176HDc), при цьому програма отримує з бази даних інформацію про заряд затвора QG, робочій напрузі і конфігурації модуля;
2. кількість паралельно з'єднаних модулів - це число дозволяє визначити сумарний заряд затвора, на підставі чого проводиться розрахунок потужності, що розсіюється драйвером;
3. робоча частота fsw - інформація, також необхідна для визначення потужності, що розсіюється;
4. номінал резистора затвора.
Якщо вибрати режим «User Defined Module Parameters» (параметри модуля, визначені користувачем), то з'явиться додаткове меню, що складається з трьох вікон:
- Gate charge per module (заряд затвора модуля в мкКл);
- Collector - Emitter Voltage (напруга «колектор - емітер»);
- Number of switch per module (кількість ключів в модулі: 1 одиночний ключ, 2 напівміст, 6 3-фазний міст, 7 3-фазний міст з гальмівним чоппером).
Для коректної роботи DriverSel, потрібно вказати два значення заряду затвора: для напруги відкривання транзистора +15 В і напруги замикання -8 В.
Ввівши необхідні дані, Ви отримаєте в результаті рекомендації «Suggestion for SEMIKRON IGBT driver» у вигляді, представленому в нижній частині малюнка 2:
- Number of Drivers- необхідне для даного модуля кількість схем управління (наприклад, три полумостового драйвера для 3-фазного модуля);
- IoutPEAK - пікове значення вихідного струму драйвера, що визначається за формулою IoutPEAK = VGE / RG;
- IoutAVmax. RGmin. VS - довідкові значення середнього струму, мінімального резистора затвора і напруги живлення для драйвера даного типу.
Програма видає зауваження «A suitable driver could not be found», якщо для заданих умов коректно вибрати пристрій управління неможливо. Це може бути у випадку, якщо сумарний заряд затвора виявляється неприпустимо великим (велика кількість паралельно з'єднаних модулів), занадто велика частота комутації або вказаний резистор затвора менше мінімально можливого значення.
2. Application Manual Power Modules, SEMIKRON International
4. M. Hermwille, «Gate Resistor - Principle and Application», Application Note AN-7003, SEMIKRON
5. P. Bhosale, M. Hermwille, «Connection of Gate Drivers to IGBT and Controller», Application Note AN-7002, SEMIKRON
6. IEC 60747-9, Ed.2: Semiconductor Devices - Discrete Devices - Part 9: Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs)
7. M. Hermwille, IGBT Driver Calculation, Application Note AN-7004, SEMIKRON
Новий цифровий драйвер IGBT
Компанія Semikron представила нове покоління пристроїв управління затвором IGBT. Драйвер SKYPER® 52, створений на основі цифрового сигнального процесора, дозволяє здійснювати передачу ізольованих сигналів управління і сенсорних сигналів, а також індивідуальну настройку схеми захисту. Застосування драйвера SKYPER® 52 дає можливість спростити та здешевити процес розробки потужних перетворювальних пристроїв і підвищити надійність роботи всієї системи.
Цифровий драйвер SKYPER® 52 призначений для управління IGBT з робочим з напругою 1200 і 1700 В. При потужності 9 Вт на канал і вихідному піковому струмі до 50 А він здатний працювати з паралельним з'єднанням модулів, загальний струм колектора яких становить 9000 А. Крім того SKYPER® 52 придатний для високочастотних застосувань, де потрібна потужна схема управління, здатна працювати на частотах до 100 кГц. Напруга ізоляції драйвера становить 4 кВ, а напруга вимикання затвора -15 В. Рівень вхідних сигналів 3,3 і 5 В (LVDS стандарт) дає можливість підключати SKYPER® 52 безпосередньо до виходу мікроконтролера.