Защита силового транзистора. Часть 2
Защита силового транзистора. Часть 2: перегрев.
Статья является продолжением темы защиты транзисторов с полевым управлением начатой в предыдущей части. Речь пойдёт в том же ключе, но уже о токовой и температурной защите транзистора.
О перенапряжении было сказано, теперь черёд перегрева, а более никаких причин выхода из строя IGBT и MOSFET не бывает. При этом перегрев является общим понятием; перегрев можно разделить на три вида, исходя из причин, приводящих к нему: перегрев, вызванный внешними факторами (например, перегрев в отсеке, ослабление винтов крепящих модуль к радиатору и т.д.), перегрев из-за длительной перегрузки по среднему току и перегрев из-за кратковременной сильной токовой перегрузки (КЗ в нагрузке). Безусловно, последние два вида можно разделить только несколько абстрактно, т.к. нет чёткой границы между кратковременной перегрузкой и длительной; между током КЗ и, к примеру, средним токов в пять (всего лишь) раз превышающим предельно допустимый средний ток для данного транзистора, но, тем не менее, это причины разные и защищаться от них следует также по-разному. Теперь по порядку.
Собственно перегрев, вызванный внешними факторами, довольно частое явление и способ борьбы с ним всегда один: температурная защита, основанная на показаниях датчика температуры. Вопросы здесь в том: где надо поставить датчик и на какую температуру настроить срабатывание защиты.
Оптимальный вариант установки датчика температуры – непосредственно около кристалла или корпуса транзистора, желательно на общем керамическом основании. Но, имея дело с покупными силовыми модулями, разумеется, установить датчик таким образом не получится. Самая ближайшая точка, получается, радиатор модуля или силовые шины. При этом, на токах в сотни Ампер и выше самая греющаяся точка, как правило, выводы силовых шин, но здесь температура очень сильно зависит от качества соединения силовой шины модуля с внешней силовой шиной, а потому такое крепление получается недопустимо «плавающим». Если же датчик не получается поставить даже на радиатор, то его надо прикрепить хотя бы на охладителе в непосредственной близости к модулю и желательно не на пути воздушных потоков. Так же, по возможности, датчик следует припаивать или хотя бы прикручивать, т.к. крепление через теплопроводную пасту или клей резко снижает эффективность и, главное, быстродействие защиты.
Основная проблема с температурной защитой в том, что она очень инерционна; тепловые сопротивления всех переходов могут привести к тому, что транзистор может выйти из строя даже при очень медленном нагреве; датчик попросту не нагреется на столько, чтобы защита сработала. А потому, по возможности, температуру срабатывания защиты следует настраивать ниже максимальной. Если собственную защиту модулей (встроенный терморезистор) рекомендуется включать при 100 0С, то если датчик установлен на радиаторе, температуру надо снизить на 10 0С, если около модуля на охладителе, то ещё на 10…15 0С, если вдали от модуля, то ещё на 5…10 0С. Как показывает практика, предельная рабочая температура на кристалле возникает, приблизительно, при температуре охладителя порядка 70 0С, реже 80 0С (для модулей с низким тепловым сопротивлением).
Но мало отключить модуль при перегреве, его надо ещё и включить при снижении температуры до приемлемого значения. В величине этого гистерезиса не редко кроется причина выходов из строя. Смысл проблемы в том, что например, рабочая температура радиатора 70 0С, кристалла – 100 0С; охладитель разогрелся до 80 0С, температура на кристалле при этом стала 140 0С, сработала защита и модуль, вместе с охладителем начали остывать. Ввиду наличия существенного теплового сопротивления охладитель остывает быстрее модуля, поэтому при достижении температуры охладителем 70 0С (когда температурная защита отключится и вновь запустит модуль), температура кристалла не снизилась до 100 0С, как ранее, а стала, например, 110 0С. Далее опять нагрев, теперь уже из-за инерционности при срабатывании защиты температура кристалла стала равной 150 0С, снова остывание, но уже до 120 0С, опять нагрев и т.д. вплоть до момента выхода из строя. Таким образом, ступенчато, транзистор разогревается всё больше и больше, пока не сгорит. И такие случаи встречались. Бороться с этим явлением можно увеличением гистерезиса: чем дальше датчик температуры от кристалла транзистора, тем больший гистерезис должен быть у защиты. Производители модулей со встроенным термодатчиком могут позволить себе гистерезис в 10 0С, здесь инерционность позволяет, но если датчик внешний, а тем более стоит на некотором удалении от модуля, то гистерезис должен составлять никак не менее 30 0С, чтобы система успела прийти к начальному тепловому равновесию перед следующим циклом. Эта небольшая настройка может существенно помочь при возникновении постоянного перегрева силового транзистора.
Перегрузка по среднему току, в общем-то, даже и не аварийная ситуация, а вполне штатный, пусть и относительно кратковременный, режим работы силового ключа. Такая перегрузка может возникнуть, например, при запуске двигателя, при накачке выходной ёмкости преобразователя, при запуске ламп, обогревателей и т.д. Но то, что данный режим встречается довольно часто, требует особенно тщательного подхода к защите по среднему току. В простейшем случае, в качестве токовой защиты может быть использована та же термозащита, но это если только нагрузка транзистора очень инерционна; задержка срабатывания термозащиты может исчисляться минутами или, в лучшем случае, десятками секунд, а это, в подавляющем большинстве применений, недопустимо долго.
Защита по среднему току – это всегда модуляция начального сигнала управления. Эта модуляция может быть осуществлена самой схемой управления, например, путём увеличения скважности; сигнал задаваемый внешней схемой управления может быть промодулирован сигналом с заданной частотой и меняющейся скважностью (так ограничивается ток в схемах, где сравнивается сигнал усилителя тока с пилообразным напряжением генератора) или произвольным ШИМ-сигналом, если защита реализована на обратной связи. Характеристики ограничения тоже могут быть различными: снижение тока относительно допустимого, ограничение на уровне допустимого и т.п. Но суть от этого не меняется: это всегда ШИМ с целью снизить протекающий через ключ ток относительно текущей потребности нагрузки. К ШИМ, в свою очередь, предъявляется только одно требование: его несущая частота ни в коем случае не должна превышать максимальной частоты коммутации для данного транзистора. И даже более того, должна быть относительно низкой.
Смысл снижения несущей частоты в том, чтобы снизить динамические потери, ведь, в конце концов, задача состоит в недопущении перегрева, а если частота включения/выключения будет недопустимо большой, то транзистор на динамических потерях может разогреться больше, чем на статических. Но тут есть обратная сторона медали: чтобы ограничивать ток на установленном уровне, а не просто «завалить» его, при снижении частоты необходимо увеличивать задержку срабатывания защиты, а это чревато выходом из строя. В свою время, было проведено множество экспериментов, вследствие которых сгорел не один десяток транзисторов, результатом которых стал подбор наиболее приемлемых частот и задержек: при полуторократном увеличении тока потребляемого нагрузкой задержка срабатывания защиты должна составлять 100+50 мкс (в пределе 30…300 мкс), а несущая частота должна быть 1…10 кГц.
И ещё один момент. Зачастую, разработчик, во избежание установки дополнительных элементов схемы, мерит средний ток не по показаниям шунта, измерительного трансформатора или иного токового датчика, а по падению напряжения на транзисторе. Такой способ если и имеет право на существование, то только для MOSFET, т.к. полевые транзисторы имеют более или менее линейную зависимость падения напряжения на переходе сток-исток от тока стока. И то этот способ сильно приблизительный, тем более если учитывать изменение температуры. Для IGBT такой способ и вовсе неприемлем, т.к. здесь более или менее внятная читаемая зависимость практически и вовсе отсутствует, а на температуре разброс измеренного значения станет совсем неприличным. Для измерения среднего тока лучше всё-таки использовать средства измерения, для того и предназначенные.
Один из самых опасных режимов работы силового транзистора – короткое замыкание в нагрузке. При этом под коротким замыканием подразумевается не только ситуация, когда возникает чисто механическое замыкание, но и, в общем-то, штатные режимы, такие как запуск двигателя (пусковой ток, ограниченный только активным сопротивлением обмоток), или даже его реверс, если он осуществляется противовключением, накачка ёмкости (так же в начальный момент активное сопротивление пренебрежимо мало), подключение различного рода нагревательных элементов и т.д., и т.п. Такой режим работы всегда характеризуется выходом транзистора из состояния насыщения; всё напряжение питания или его существенная часть падает на переходе коллектор-эмиттер.
К счастью, современные транзисторы пусть и кратковременно, не более 10…20 мкс, но устойчивы к КЗ, а значит у схемы защиты есть время понять, что возникла перегрузка и безопасно выключить управляемый транзистор. Гораздо опасней даже не само КЗ, а выключение транзистора в режиме КЗ, т.к. при этом обратный индуктивный выброс может быть такой мощности, что никакие штатные схемы защиты от перенапряжения не справятся. Выход здесь только один: плавное («мягкое») аварийное выключение и плох тот драйвер, у которого нет такой функции. Плавное выключение должно быть обязательно и длительность его должна выбираться таким образом, чтобы в сумме задержка срабатывания защиты по ненасыщению и длительность управляющего сигнала выключения до уровня 0 В составляли не более 10 мкс; совсем в крайнем случае и только при острой необходимости – до 15 мкс, но никак не больше. При этом длительность заднего фронта (опять же, до уровня 0 В) должна составлять 2…10 мкс, а оптимально 3…7 мкс, и чем больше индуктивность нагрузки тем, разумеется, должно быть дольше выключение.
Далее возникает ряд вопросов: при каком падении напряжения коллектор-эмиттер следует выключать транзистор, через какое время его можно перезапустить и сколько времени разрешать ему работы в режиме КЗ. Ответ на последний вопрос проистекает из предыдущего абзаца: задержка срабатывания защиты по ненасыщению должна составлять 1…10 мкс, при этом чем мощнее транзистор, тем больше может быть это время.
К длительности задержки срабатывания защиты, казалось бы, привязано напряжения срабатывания той же защиты: чем меньше напряжение выключения, тем дольше можно разрешать работу транзистора. Но это очень вредное заблуждение. Если возникает КЗ или ситуация на то похожая, то на транзисторе упадёт напряжение как минимум десятки Вольт, а то и сотни; здесь без разницы, настроена ли защита на 3 В, или на 10 В, транзистор всё равно нужно как можно быстрее выключить. Исключение составляет, разве что, такое использование защиты по ненасыщению (к слову сказать, а равно как и сигнала с шунта или иного датчика тока), когда отслеживается относительно небольшое увеличение падения напряжения, например при определении перекоса при работе транзисторов в двухтактной схеме раскачки трансформатора; здесь можно увеличить задержку, но всё равно остаётся риск, что так можно «прошляпить» КЗ. По этому поводу примечательны настройки защиты для высоковольтных транзисторов: здесь напряжение срабатывания защиты составляет десятки, а то и сотни Вольт (во избежание ложных срабатываний при включении транзистора, когда в совершенно обычном режиме работы на транзисторе в течении нескольких мкс могут падать многие десятки Вольт), но задержки срабатывания так и остаются на уровне нескольких мкс. Показательно.
По поводу периода перезапуска следует сказать, что период напрямую зависит от рассеиваемой транзистором импульсной мощности в моменты включения. И, кстати, в данном контексте речь идёт именно о перезапуске; никакой ШИМ при работе транзистора на КЗ быть не должно, т.к. это чревато. При этом, повышенное падение напряжения в расчёт не берём, т.к. тогда надо конкретно считать под значение этого самого падения. В режиме чистого КЗ, как правило, предельный режим – это скважность 300 (для транзисторов до 1700 В), но это уже совсем на грани, надо придерживаться скважности не менее 500, а ещё лучше 1000. Всё, что больше 1000 уже не имеет значения. Можно перезапускать транзистор пачками импульсов, например, пять импульсов с периодом следования 100 мкс через 10 мс; но это опять дело каждого конкретного случая и конкретной задачи.
Для режима КЗ существует небольшая хитрость, которая используется довольно-таки редко, но зачастую просто спасает ситуацию. Это работа транзистора на относительно низком напряжении управления. Смысл в том, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения максимальный ток коллектора меняется и если снизить напряжение управления, то снизится и падающий на переходе коллектор-эмиттер ток, что проистекает из ВАХ любого транзистора с полевым управлением, при этом само падение напряжения останется тем же (напряжение питания для режима КЗ). Например, питание 600 В, при напряжении на затворе 15 В транзистор способен пропустить 1000 А, значит мощность, падающая на транзисторе будет составлять 600 кВт. При напряжении 9 В, транзистор пропускает не более 200 А, значит мощность уменьшится до 120 кВт. Отсюда меньший перегрев, возможность более частого перезапуска, а так же снижение в индуктивности нагрузки запасённой мощности, т.е. значительное ослабление обратного индуктивного выброса. И хотя реализовать этот способ схемно (к примеру, 9 В для КЗ и 15 В при штатном режиме работы) довольно сложно, можно просто сделать постоянное пониженное напряжение управления, тогда при работе на штатную нагрузку статические потери увеличатся приблизительно на 20%, зато значительно повысится надёжность в режиме КЗ, что может сильно упростить жизнь при работе на нагрузку, где КЗ – не редкость.
В заключение отмечу, что работать с защитой по току в некотором смысле даже проще, чем с защитой по напряжению. Бесспорно, схемная реализация токовых защит куда как сложней, чем защит по напряжению. Но силовой транзистор позволяет «подумать» схеме управления, когда речь идёт о токе, а если есть время «подумать», значит решить задачу проще, нежели чем быстро-быстро, как в случае с защитами от перенапряжения. Впрочем, это дело вкуса, хотя как ни крути, а защищать транзистор надо и от того, и от этого.
