Драйвер IGBT в свете защиты транзистора

Практически любой разработчик в области силовой электроники знает, что такое драйвер IGBT-транзистора, что он собой представляет и как выглядит. Имеется понимание и о том, что драйвер выполняет защитные функции. Однако, зачем нужна какая-то функция, как выглядит её работа и каковы её типовые характеристики – это не всегда понятно. Для устранения возможных пробелов в понимании защиты силового транзистора, и как эту защиту реализует драйвер, и предназначена данная статья.

Встроенные защиты драйвера

На сегодняшний день драйвер IGBT-транзисторов – это законченный узел со сложившимся перечнем функций. Помимо основной функции – гальванически развязанной передачи логического сигнала управления в сигнал управления затвором транзистора, драйвер выполняет и защитные функции. При этом практически все драйверы всех производителей содержат в себе одни и те же защиты, перечень которых представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Встроенные защиты драйвера

Указанный в таблице 1 перечень функций достаточен для практически гарантированной защиты транзистора от выхода из строя при аварийных ситуациях. Реже встречаются и другие защиты, например по температуре, по входному напряжению питания, по максимальной частоте управления и т.п. Однако, эти защиты понятны, универсальны и говорить о них именно в контексте драйвера нецелесообразно. Плюс к этому, разумеется, не все драйверы содержат все указанные в таблице 1 функции, но для относительно мощных драйверов этот перечень фактически неизменен. Примером драйвера со всеми представленными защитами является ДР2180П-Б3 (функциональный аналог 2SP0320T от «Power Integration»), структурная схема которого приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема драйвера

Ниже будут рассмотрены все эти функции по отдельности, причём безотносительно конкретно указанного драйвера, а именно как отдельные функционально законченные структуры.

Блокировка одновременного включения

Блокировка одновременного включения необходима для предотвращения сквозного тока короткого замыкания при одновременном открытии транзисторов полумоста. Пример работы защиты приведён на рисунке 2. Как видно, фактически логика работы этой защиты представляет собой «2И-НЕ». Встречаются и другие алгоритмы, например, в последнем поколении драйверов «Power Integration» при наличии «лог.1» на обоих входах управления открывается только один ключ, второй закрыт. Таким образом, один из входов является разрешающим, что удобно для формирования двух противофазных сигналов из одного управляющего меандра, но собственно полная блокировка полумоста при этом отсутствует. Так же блокировка одновременного включения не используется в отдельных схемах, например при управлении косым мостом от одного двухканального драйвера.

Рисунок 2 – Блокировка одновременного включения

Формирование «мёртвого времени» на переключение

«Мёртвое время» на переключение необходимо для исключения наложения открытых состояний ключей при их переключении, а так же для формирования задержки на обратные токи диодов. При малом «мёртвом времени», а тем более при его отсутствии, неизбежны кратковременные импульсы сквозного тока на каждом переключении, что, как минимум, приводит к необязательным тепловым потерям, а как максимум – к выходу из строя. Как правило, мёртвое время формируется путём введения задержки по переднему фронту управляющего сигнала и отсутствия задержки на заднем фронте. В результате выходной сигнал отстаёт на включении, что продемонстрировано на рисунке 3. Т.к. такое отставание формируется для обоих каналов, то в итоге на выходах (рисунок 4) формируются импульсы с паузами, что и является «мёртвым временем».

Рисунок 3 – Принцип формирования «мёртвого времени»

Рисунок 4 – «Мёртвое время» на выходах драйвера

Защита от недонапряжения затвор-эмиттер

Защита от недонапряжения в затворе обязательно вводится даже для маломощных драйверов, в т.ч. для всех драйверных микросхем. Причина тому – неизбежность низкого напряжения управления даже при штатной работе драйвера при его включении и при выключении, т.е. в режимах пониженного напряжения питания. И хотя эти переходные процессы относительно не длительны (не более десятков миллисекунд), при наличии силового напряжения питания даже такое время работы транзистора в «линейном» режиме практически наверняка приведёт к его тепловому пробою по причине выхода транзистора из ключевого режима из-за смещения рабочей точки вниз по его ВАХ. Пример работы защиты приведён на рисунке 5.

Рисунок 5 – Срабатывание защита от недонапряжения

Существуют схемы в которых специально используется режим работы при пониженном напряжении управления, например с целью снижения тока КЗ. В драйверах таких схем защита от недонапряжения либо отсутствует, либо смещена по порогу. Но это редкость. В обычном драйвере пороги включения/выключения защиты всегда составляют 9…11 В / 10…12 В. Такой диапазон напряжения объясняется всё той же ВАХ практически любого IGBT- или MOSFET-транзистора. Гистерезис же необходим во избежание относительно высокочастотной модуляции сигнала управления защитой при перегрузке выхода DC/DC-преобразователя драйвера.

Защита от перенапряжения коллектор-эмиттер

Назначение этой защиты объяснять излишне, а вот принцип работы «active clamping» не всегда понятен. На самом деле, принцип работы защиты довольно прост: в простейшем случае между коллектором и затвором силового транзистора устанавливается цепочка ограничителей на необходимое напряжение ограничения (см. рисунок 1). При выключении транзистора выброс напряжения приводит к отпиранию ограничителей и напряжение с коллектора поступает в затвор, в результате транзистор снова «приоткрывается», как следствие сопротивление коллектор-эмиттер уменьшается, выброс напряжения «нагружается» и его амплитуда падает. Далее напряжение в затворе снова уменьшается, снова амплитуда выброса увеличивается, снова напряжение с коллектора отпирает затвор и т.д. Таким образом и осуществляется активное ограничение напряжения на коллекторе, т.е. защита от перенапряжения коллектор-эмиттер. Примеры выключения с транзистора с отключенной и подключенной защитой приведены на рисунка 6 и 7.

Рисунок 6 – Сигнал при отсутствующей защите от перенапряжения

Рисунок 7 – Сигнал при срабатывании защиты от перенапряжения

Следует отметить, что данная защита используется далеко не во всех драйверах и больше характерна для «Plug-n-play» драйверов в частности всё того же «Power Integration». Причина тому – нет принципиальных преимуществ такой защиты относительно простого Z-снаббера в цепи коллектор-эмиттер, но зато есть целый перечень возможных проблем: слишком долгая работа транзистора в активном режиме; возбуждение схемы при наличии КЗ в нагрузке; сквозной ток из-за того, что транзистор не успел выключиться до включения второго транзистора полумоста; перегрузка выхода драйвера (т.к., по определению, в выход поступает положительное напряжение при установлении отрицательного напряжения) и т.п. Но тем не менее, при корректном использовании данной защиты она может оказаться наиболее эффективным решением проблемы перенапряжения.

Защита по ненасыщению

Защита по ненасыщению предназначена для аварийного выключения силового транзистора при его выходе из режима насыщения в результате недопустимого тока в нагрузке (обычно из-за КЗ). Принцип работы защиты основан на том, что драйвер контролирует падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер в периоды отпирающего сигнала на затворе. Если падение напряжения превышает установленный порог, драйвер снимает отпирающий сигнал управления и переходит в аварийный режим работы (выдача статусного сигнала аварии, формирование блокировки управления, перезапуск и т.п.). Таким образом, драйвер не допускает работу транзистора при токе КЗ больше допустимого времени (как правило, задержка срабатывания защиты составляет 1…10 мкс) и его выход из строя. Пример срабатывания защиты по ненасыщению приведён на рисунке 8.

Рисунок 8 – Срабатывание защиты по ненасыщению

Не редко разработчик преобразователя категорически неправильно понимает назначение данной защиты. Защита по ненасыщению не предотвратит выход из строя транзистора по причине токовой перегрузки, а срабатывание защиты при штатной работы преобразователя недопустимо. Первое объясняется тем, что падение напряжения на транзисторе в зависимости от тока очень не линейно. Например, транзистор на ток 100 А: при 10 А у него будет падение порядка 2 В, при 100 А порядка 2,5 В, при 200 А (уже недопустимая, двукратная перегрузка) порядка 3 В, а защита сработает только при 10 В (типовое напряжение срабатывания), а это уже ток порядка 500 А. Потому это только, фактически, защита от КЗ, от превышения максимального тока преобразователя она не защищает и в принципе защитить не может. Исходя из этого объясняется второе: ни в каких штатных режимах работы преобразователя защита по ненасыщению срабатывать не должна; это именно аварийная защита.

Плавное выключение

Плавное выключение, как правило, сопутствует защите по ненасыщению и предназначено для уменьшения индуктивного выброса на выключении при разрывании тока КЗ в момент аварийного отключения транзистора при срабатывании защиты по ненасыщению. Принцип защиты основан на имитации увеличения сопротивления затворного резистора путём уменьшения импульсного тока драйвера и, тем самым, увеличении выходного сопротивления драйвера. Как следствие транзистор выключается значительно медленнее, что позволяет избежать индуктивного выброса на выключении. И т.к. индуктивный выброс особенно опасен при больших токах (тем более ток КЗ), то и плавное выключение формируется именно при срабатывании защиты по ненасыщению. Примеры выключения транзистора при наличии плавного выключения и при его отсутствии (на одном и том же коммутируемом токе) приведены на рисунках 9 и 10.

Рисунок 9 – Сигнал при отсутствующем плавном выключении

Рисунок 10 – Сигнал при наличии плавного выключения

Не редко, если говорить о маломощных драйверах, плавное выключение при срабатывании защиты по ненасыщению не используется, что объясняется относительно малыми токами КЗ и, тем самым, относительно неопасным обратным выбросом при КЗ. Но тем не менее, лучше всё же предусмотреть плавное выключение и на малых мощностях, лишним оно точно не будет.

Заключение

Зачастую разработчик использует в преобразователе не готовый драйвер стороннего производителя, а драйвер собственной разработки. Хорошо, если этот драйвер собран на основе специализированных микросхем типа HCPL-316J или серии аналогичных драйверов от «Infineon». Хуже, если это драйвер собран на полностью самостоятельных, универсальных элементах, что является нормой, например, при разработке преобразователя с «приемкой 5». В этом случае зачастую защиты не предусматриваются, или алгоритм их работы выбран некорректно, или неверны настройки… Действительно, всё это не оказывает на работу драйвера и преобразователя никакого влияния, пока не происходит аварийной, а ещё чаще – просто сбойной, ситуации. Здесь уже, как правило, безобидный режим приводит к выходу из строя. Индуктивный выброс и выход из строя ключа при нештатном выключении транзистора (если сработала защита), которого вполне можно было избежать введением плавного выключения. Кратковременная, некритичная, просадка питания, приведшая к срабатыванию защиты по недонапряжению, низкочастотной модуляции выходного сигнала, итог которой – «разнос» по току преобразователя. Игнорирование блокировки одновременного включения, а в итоге помеха по питанию при включении оборудования в соседнем цеху, нештатное отпирание ключа и выход из строя по сквозному току. И многое другое. Все эти защиты не просто так были созданы, их функционирование оттачивалось многими именитыми производителями и они, в драйвере, должны быть. Но даже для тех, кто не занимается собственной разработкой драйверов, приведённой выше информацией нужно владеть хотя бы для общего развития, как специалисту силовой электроники.