1 Introduzione

perchéigbtavereinterruttoreGrazie alla sua alta frequenza, al basso consumo di potenza di conduzione e al comodo controllo del gate, è stato ampiamente utilizzato nei sistemi di conversione di potenza elevata. Nelle applicazioni IGBT, oltre al proprio livello tecnico, un altro fattore importante da considerare è se la progettazione del suo driver sia ragionevole e affidabile. Driver IGBT come potenzacircuitotra il controller e ilinterfacciaIl circuito è strettamente correlato al consumo energetico e all'affidabilità del sistema. Un driver ottimizzato è indispensabile in un sistema di conversione di potenza. La scelta di un circuito driver appropriato è strettamente legata all'affidabilità dell'intera soluzione di conversione.

Il driver svolge principalmente le seguenti tre funzioni. La prima è la funzione di pilotaggio, che fornisce un'alimentazione sufficientemente elevata per l'interruttore IGBT.corrente, per garantire che l'IGBT possa essere acceso e spento in modo affidabile sotto il suo controllo; in secondo luogo, il driver deve avere una funzione di protezione. Quando si verifica l'IGBTcortocircuitoOppure, in caso di sovracorrente, il driver può spegnere l'IGBT nel minor tempo possibile per proteggere il dispositivo di alimentazione.Inoltre, nelle applicazioni ad alta tensione e alta potenza, il driver, in quanto ponte di collegamento tra il circuito di controllo e il circuito di potenza, deve avere la funzione di isolamento elettrico per garantire che il circuito di controllo non subisca interferenze o venga influenzato dal circuito di potenza.Partendo dal presupposto che siano soddisfatte le tre funzioni sopra descritte, il conducente deve anche considerare il rapporto tra flessibilità, prestazioni e prezzo.

A causa delle diverse capacità di corrente e dei livelli di tensione degli IGBT, esistono anche differenze nei requisiti tecnici per i relativi driver. Nelle applicazioni a bassa potenza, poiché la corrente di pilotaggio è relativamente piccola, vengono utilizzati principalmente driver integrati. Nelle applicazioni ad alta potenza e alta tensione, come gli alimentatori UPS ad alta potenza, ad alta tensioneConvertitore di frequenzaecc., richiedendo al driver di fornire una corrente di pilotaggio maggiore, una tensione di isolamento più elevata e funzioni di protezione più complete. Questo articolo si concentra sui moduli di pilotaggio IGBT ad alta potenza comunemente utilizzati attualmente sul mercato, come l'SKHI22 di Semikron e il 2SD315A di Concept, ecc., e analizza alcune delle loro caratteristiche tecniche comuni, punti di progettazione e tendenze di sviluppo future della tecnologia di pilotaggio IGBT ad alta potenza.

2 Analisi delle caratteristiche tecniche

2.1 Funzioni complete di elaborazione del segnale

Nelle applicazioni ad alta tensione e alta potenza, è fondamentale garantire l'affidabilità del segnale di pilotaggio dell'IGBT, considerando fattori quali le forti interferenze generate dall'interruttore e l'elevato costo dell'IGBT stesso. Pertanto, i moduli di pilotaggio IGBT ad alta potenza solitamente integrano una funzione completa di preelaborazione del segnale di pilotaggio, il cui scopo è garantire l'affidabilità del segnale di pilotaggio del gate dell'IGBT. Le funzioni di elaborazione del segnale di pilotaggio più comuni sono le seguenti:

(1) Funzione di interblocco degli impulsi a doppio canale

Quando il modulo di pilotaggio emette due segnali a impulsi per controllare rispettivamente gli IGBT superiore e inferiore sullo stesso braccio del ponte, se il segnale di pilotaggio controlla la conduzione di entrambi gli IGBT contemporaneamente, si verifica un cortocircuito passante che può danneggiare l'IGBT o altri dispositivi. Per evitare questa situazione, all'interno del modulo di pilotaggio è stato progettato un circuito di interblocco del segnale che garantisce che, quando i due segnali a impulsi in ingresso sono alti contemporaneamente, le due uscite siano basse contemporaneamente, impedendo così il cortocircuito passante. Qualora sia richiesto il controllo indipendente dei due segnali di pilotaggio, la funzione di interblocco può essere schermata anche tramite terminali esterni.

(2) Funzione di soppressione del segnale a impulsi ristretti

Il segnale a impulsi stretti, causato dal circuito di controllo o da interferenze, ecc., viene applicato al gate dell'IGBT tramite il driver, il che può indurre l'IGBT a completare il processo di commutazione in un tempo troppo breve. Un segnale a impulsi troppo breve fa sì che l'IGBT si spenga prima di essere completamente acceso, con un impatto negativo sull'uscita del convertitore, un aumento delle perdite di commutazione dell'IGBT e una riduzione dell'efficienza del sistema. Nel driver è integrato un circuito di filtraggio per eliminare i segnali a impulsi stretti, migliorando così l'affidabilità dell'IGBT.

(3) Funzione di impostazione del tempo morto

Nella modalità di funzionamento a semiponte, i due IGBT devono essere attivati ​​alternativamente. Per evitare che i due IGBT vengano attivati ​​contemporaneamente durante la commutazione, è necessario aggiungere un certo tempo morto quando i due transistor vengono attivati ​​alternativamente. Il tempo morto varia a seconda delle caratteristiche degli IGBT. Nel modulo di pilotaggio ad alta potenza a doppio canale, è integrato un circuito di controllo della zona morta, la cui ampiezza può essere regolata tramite diversi metodi di collegamento dei terminali esterni, ad esempio utilizzando terminali esterni di diversa capacità.capacità(2sd106) o livello alto e basso (skhi22a/b).

La figura 1 mostra semikromIl diagramma a blocchi dell'elaborazione del segnale del driver ad alta potenza IGBT dell'azienda [3] comprende vari moduli funzionali di elaborazione del segnale, il cui scopo è garantire l'affidabilità del segnale di pilotaggio IGBT.

2.2 Metodo di trasmissione isolato dei segnali di pilotaggio

Considerando che il driver IGBT ad alta tensione e alta potenza funziona in un ambiente ad alta tensione, per garantire che il controller non sia influenzato dal lato ad alta tensione, il segnale di impulso di pilotaggio deve essere isolato e quindi trasmesso al gate dell'IGBT. I metodi di isolamento comuni includono l'isolamento ottico e l'isolamento magnetico. L'isolamento ottico includeFotoaccoppiatoreisolamento efibra otticaL'isolamento, il metodo di isolamento tramite optoaccoppiatore presenta problemi quali ritardo di trasmissione, invecchiamento e affidabilità a causa della tensione di isolamento relativamente bassa. È raramente utilizzato in applicazioni ad alta tensione in cui la tensione del bus CC supera gli 800 V. E adottatrasformatore di impulsiIl metodo di isolamento (isolamento magnetico) può raggiungere una tensione di isolamento relativamente elevata etrasformatorePresenta un'elevata affidabilità, un basso ritardo di trasmissione, può raggiungere frequenze di commutazione più elevate e non ha problemi di invecchiamento. Pertanto, la maggior parte dei driver IGBT ad alta tensione utilizza trasformatori di impulsi come componenti di isolamento per completare la trasmissione isolata dei segnali di pilotaggio.

Il tradizionale trasformatore di impulsi di pilotaggio isola il segnale di impulsi amplificato e pilota direttamente il transistor IGBT o MOS di potenza. Il suo principio di funzionamento di base è mostrato in Figura 2. La funzione del condensatore in serie primario è quella di rimuovere la componente CC dell'impulso di pilotaggio. Il transistor regolatore di tensione in parallelo secondario viene utilizzato per evitare che la tensione di uscita sia troppo elevata e danneggi il transistor di potenza. Questo metodo di funzionamento non richiede un alimentatore di pilotaggio separato, la progettazione del circuito è semplice e il costo è relativamente basso. Tuttavia, quando il duty cycle dell'impulso di pilotaggio varia ampiamente, soprattutto quando il duty cycle è relativamente grande, poiché l'area volt-secondo della forma d'onda di uscita del trasformatore in un ciclo deve essere uguale, l'ampiezza dell'impulso positivo di uscita può essere ridotta, rendendo impossibile pilotare normalmente l'IGBT. Il duty cycle dell'impulso di controllo deve essere generalmente inferiore al 50%. Allo stesso tempo, il trasformatore di impulsinucleo magneticoIl problema della saturazione limita anche il tempo di accensione dell'impulso di controllo. Un altro svantaggio è la distorsione della forma d'onda di pilotaggio, soprattutto quando si pilotano IGBT ad alta potenza. A causa della capacità di ingresso relativamente elevata dell'IGBT, la forma d'onda dell'impulso di pilotaggio dell'uscita secondaria del trasformatore di impulsi è difficile da soddisfare i requisiti di pilotaggio. Pertanto, questo metodo di pilotaggio è utilizzato principalmente in applicazioni a bassa potenza.alimentazione di commutazionemezzo.

Per gli IGBT ad alta tensione e alta potenza, il metodo di pilotaggio sopra descritto non è ovviamente applicabile. Il metodo comunemente utilizzato consiste nel modulare il segnale a impulsi di pilotaggio e convertire il suo fronte di salita e di discesa in due segnali a impulsi stretti e invertiti. Il trasformatore di impulsi si limita a convertire questi due segnali a impulsi.accoppiamentoal livello secondario, e quindi ripristinare il segnale dell'impulso di pilotaggio attraverso il metodo di ricostruzione secondaria. Il suo principio di funzionamento è mostrato nella Figura 3.

Questo metodo può essere definito metodo di trasmissione con accoppiamento del fronte d'onda dell'impulso. Il vantaggio di questo metodo è che il trasformatore di impulsi trasmette solo segnali a impulsi stretti con una larghezza d'onda fissa e può adattarsi a segnali di pilotaggio con un'ampia gamma di variazioni del duty cycle. Poiché il trasformatore trasmette segnali a impulsi stretti, il nucleo e gli avvolgimenti del trasformatore possono assumere valori relativamente piccoli, e di conseguenza anche l'induttanza di dispersione e la capacità distribuita sono relativamente piccole, il che è vantaggioso per la progettazione del trasformatore di impulsi e per la trasmissione del segnale. Lo svantaggio è che viene aggiunto un circuito di conversione e ricostruzione, e il circuito risulta relativamente complesso. La Figura 4 mostra la forma d'onda sperimentale primaria del trasformatore di impulsi dopo la conversione.

Per facilitare la progettazione dell'alimentazione del driver, i moduli di pilotaggio IGBT ad alta potenza sono generalmente dotati di un convertitore CC/CC integrato. I convertitori CC/CC con elevati livelli di tensione di isolamento non richiedono la progettazione separata di un'alimentazione isolata. I convertitori di isolamento integrati adottano solitamente una struttura a semiponte o push-pull. Per aumentare la tensione di isolamento e semplificare il circuito di controllo del convertitore, in genere non dispongono di un controllo ad anello chiuso. Alcuni driver aggiungono un alimentatore lineare regolato all'uscita per stabilizzare la tensione di pilotaggio. Per ridurre le dimensioni del trasformatore, la frequenza operativa è generalmente superiore a 100 kHz. Nelle applicazioni ad alta tensione e alta potenza, a seconda della tensione del bus, il driver deve avere un'elevata tolleranza di tensione di isolamento tra primario e secondario. Una tensione del bus di 900 V CC richiede una tensione di isolamento di almeno 4 kV CA. Un altro fattore da considerare è la tolleranza dv/dt. Quando l'IGBT commuta ad alta velocità, può essere generato un dv/dt molto elevato. Questo segnale può essere accoppiato al circuito di controllo primario tramite un trasformatore di isolamento o un trasformatore di impulsi, causando interferenze al circuito di controllo. Pertanto, nella progettazione del trasformatore di isolamento, è necessario prevedere anche una capacità di accoppiamento primaria e secondaria molto piccola. Il valore della capacità di accoppiamento del trasformatore è determinato in base ai requisiti specifici di resistenza al dv/dt, che di solito è inferiore a 20 pF.

Il processo di fabbricazione del trasformatore è la chiave per ottenere l'elevata tensione di isolamento di cui sopra. Per aumentare la tolleranza della tensione di isolamento e ridurre la capacità di accoppiamento tra primario, secondario o secondario, gli avvolgimenti vengono solitamente avvolti separatamente e separati da deflettori isolanti. Talvolta è necessario rivestire la superficie del nucleo magnetico con materiale isolante ispessito o avvolgerlo con tre strati di filo isolato. La Figura 5 è uno schema della struttura del trasformatore del modulo driver IGBT 2ED300C17 di Eupec [4].

2.4 Protezione da cortocircuito e regolazione della soglia

Il metodo di protezione da cortocircuito o sovracorrente dell'IGBT attualmente comunemente utilizzato si realizza rilevando il valore di tensione di vce [5]. Quando l'IGBT presenta un cortocircuito o una sovracorrente, la sua area di lavoro uscirà dalla zona di saturazione e la tensione vce aumenterà. In particolare,circuito di protezioneIl principio è illustrato nella Figura 6. passdiodod è collegato al collettore dell'IGBT per realizzare il rilevamento della sottosaturazione dell'IGBT. L'aumento della tensione VCE aumenterà di conseguenza il potenziale anodico del diodo in serie. Quando viene superata la soglia di cortocircuito impostata, il circuito di protezione interverrà e spegnerà l'IGBT. Poiché la tensione del collettore dell'IGBT è relativamente alta nella fase iniziale di accensione, se il circuito di protezione interviene in questo momento, potrebbe causare un malfunzionamento. È necessario impostare un tempo di zona morta, durante il quale il circuito di protezione da cortocircuito non funzionerà. Questa funzione è collegata in parallelo tramite un interruttore s e un esternoresistenza.Si realizza tramite rce e il condensatore cce. Quando igBT è spento, s è acceso e il condensatore cce si carica a 15V. Quando igBT è acceso, s è spento e il condensatore cce si scarica attraverso rce. La tensione di fine scarica è:

Ciò può rendere la tensione di riferimento superiore alla tensione di rilevamento nella fase iniziale di accensione dell'IGBT, impedendo il malfunzionamento del circuito di protezione. La forma d'onda durante il normale funzionamento è mostrata nella Figura 7(a). La forma d'onda quando si verifica un cortocircuito o un guasto da sovracorrente è mostrata nella Figura 7(b).

2.5 Metodo dell'interfaccia utente

Per adattarsi ai moduli IGBT confezionati da diversi produttori, il driver IGBT deve avere un'interfaccia intuitiva. Richiede inoltre un'ampia flessibilità e un costo contenuto. I moduli driver comuni attualmente sul mercato utilizzano principalmentesaldaturaImplementare la connessione con IGBT sulla scheda PCB, ad esempio: SKHI22, 2SD315A e 2ED300C17, ecc. Per facilitare l'installazione, viene utilizzato anche un metodo di connessione plug-in diretto. La Figura 8 mostra l'aspetto del modulo driver Skyper sviluppato da Semikron. Si collega alla scheda di interfaccia del driver tramite un connettore plug-in.

Poiché il modulo di azionamento (nucleo di azionamento) fornisce solo le funzioni comuni più importanti dell'azionamento, il suo collegamento con diversi moduli in diverse applicazioni deve basarsi sulla scheda di interfaccia. L'intera unità modulo-azionamento comprende un modulo di potenza con interfaccia a molla, un nucleo di azionamento standard o avanzato e una scheda di interfaccia che collega il nucleo di azionamento al modulo specifico. La scheda di interfaccia personalizzabile offre un vantaggio eccezionale: l'utente può regolare e determinare autonomamente le caratteristiche di commutazione dell'IGBT, ad esempio: modificando la velocità di apertura o chiusura dell'IGBT tramite la regolazione di rgon o rgoff; regolando il tempo morto o disabilitando la funzione di interblocco; regolando il punto di protezione VCE e il tempo di finestra, ecc. Rispetto al modulo di potenza intelligente IPM attualmente sul mercato, la scheda di interfaccia rende l'intero sistema più flessibile e più facile da adattare a diverse applicazioni. Una volta impostati i parametri di sistema, l'intero sistema può essere utilizzato con la stessa facilità di IPM. Il collegamento elettrico tra il modulo semix e la scheda di interfaccia avviene tramite la molla integrata nel modulo semix e lo strato inferiore della scheda di interfaccia.Contattiper raggiungere. Dopo l'assemblaggio, i contatti della scheda di interfaccia toccano i contatti a molla del modulo, completando la connessione elettrica tramite contatto a pressione. La pressione di contatto aumenta l'affidabilità del modulo di potenza rispetto alla tecnologia di saldatura. Allo stesso modo, la connessione a innesto tra il nucleo di azionamento e la scheda di interfaccia serve anche ad evitare la saldatura [6]. La Figura 9 è un esempio di schema di connessione tra il nucleo di azionamento, la scheda di interfaccia e il modulo semix.

2.6 Altamente integrato

La tendenza di sviluppo del driver è quella di essere altamente integrato, il che può ridurre le dimensioni del driver ed essere più strettamente integrato con l'IGBT, rendendo più facile l'installazione, riducendo la lunghezza delle linee di connessione tra i moduli driver igbt e riducendo i caviinduttanza. Per raggiungere questo obiettivo, i moduli driver IGBT attualmente sviluppati da alcune aziende straniere utilizzano tutti speciali sviluppati internamentecircuito integratoASICAd esempio: skic2001a di Semikron e ldi001 e lgd001 di Concept. Grazie all'applicazione degli ASIC, la maggior parte delle funzioni di controllo e protezione può essere implementata con un circuito integrato, il che riduce notevolmente le dimensioni dell'azionamento e aumenta l'affidabilità dell'azionamento IGBT.

3 Tendenze di sviluppo dei moduli di azionamento IGBT ad alta tensione e alta potenza

In quanto semiconduttore di potenza composito, l'IGBT trova sempre più impiego, soprattutto nei convertitori di potenza elevata, grazie al suo basso consumo energetico, all'alta frequenza di commutazione e all'elevata capacità di corrente. Di conseguenza, anche i requisiti per il suo circuito di pilotaggio diventeranno sempre più stringenti. Le principali direzioni di sviluppo tecnico si riflettono nei seguenti aspetti.

(1) Maggiore integrazione

Attualmente, le dimensioni dei moduli driver IGBT ad alta potenza sono ancora relativamente grandi. Per aumentare la tensione di isolamento sopportabile, si utilizza solitamente un trasformatore. Le dimensioni e il peso del trasformatore sono relativamente elevati e la sua integrazione risulta complessa. Pertanto, i driver futuri utilizzeranno componenti più piccoli e facili da integrare.Isolatorecomponenti, come l'applicazione di trasformatori piezoelettrici o tecnologie di integrazione magnetica avanzate per ridurre le dimensioni e il peso dei componenti di isolamento e aumentare l'integrazione [7]. È prevedibile che in futuro, gli IGBT ad alta potenza e il relativo circuito di pilotaggio saranno integrati nello stesso modulo. Gli utenti dovranno solo introdurre direttamente il segnale di controllo nel modulo di potenza per controllare l'IGBT.

(2) Tensione di isolamento più elevata

I driver attuali utilizzano optoaccoppiatori e trasformatori per ottenere l'isolamento. Il vantaggio degli optoaccoppiatori è la loro piccola dimensione, ma presentano degli svantaggi come una tensione di isolamento relativamente bassa, un facile invecchiamento e un ritardo elevato. L'isolamento tramite trasformatore offre una tensione di isolamento più elevata e un ritardo minore, ma ha dimensioni maggiori. Pertanto, quando è richiesto un isolamento ad alta tensione, si utilizzano principalmente i trasformatori. Attualmente, la tensione di isolamento massima di un modulo di pilotaggio con isolamento tramite trasformatore è di circa 3300 V. Il livello di tensione massimo degli IGBT ha raggiunto i 6500 V. Per adattarsi alle applicazioni ad alta tensione, è necessario utilizzare driver con una tensione di isolamento più elevata.

(3) Maggiore potenza di guida

La capacità dei moduli IGBT è in costante aumento e la corrente assorbita da un singolo modulo può già raggiungere i 3600 A. Talvolta, per incrementare ulteriormente la capacità, si ricorre al funzionamento in parallelo, il che impone requisiti più elevati in termini di potenza di pilotaggio. Di conseguenza, è necessario aumentare la corrente di uscita massima del driver, soprattutto quando si utilizzano più moduli in parallelo: la potenza media di uscita del driver deve raggiungere i 5-10 W e la corrente di uscita massima istantanea deve superare i 30 A.

(4) Frequenza di commutazione più elevata

Per adattarsi alle applicazioni negli alimentatori per riscaldamento a induzione, la frequenza di commutazione degli IGBT continua ad aumentare. Grazie allo sviluppo della tecnologia di produzione, la frequenza di commutazione massima degli IGBT può già superare i 100 kHz, il che può parzialmente sostituire i transistor MOS di potenza. Per il driver, ciò significa che deve fornire una maggiore potenza di pilotaggio, tempi di ritardo dell'impulso di pilotaggio e tempi di salita e discesa più brevi, e fornire una maggiore corrente di pilotaggio massima istantanea, ecc.

(5) Funzioni più complete

L'attuale tecnologia di pilotaggio del gate ampiamente utilizzata non è in grado di controllare il di/dt e il dv/dt causati dal processo di commutazione dell'IGBT, controllando così l'EMI del circuito di conversione. La tecnologia di pilotaggio attivo del gate può controllare efficacemente i valori più elevati di di/dt e dv/dt causati dalla commutazione dell'IGBT. Di conseguenza, può far funzionare l'IGBT in un'area di lavoro più sicura, ridurre l'EMI generata durante il suo processo di commutazione e, di conseguenza, ridurre il circuito di assorbimento del buffer dell'IGBT. Tra queste, la tecnologia di pilotaggio attivo del gate a tre stadi è una tecnologia di pilotaggio attivo del gate con ampie prospettive di applicazione [8]. Inoltre, per soddisfare le esigenze delle applicazioni IGBT in serie e in parallelo, il driver deve anche avere funzioni di condivisione dinamica di tensione e corrente.

4Conclusione

In quanto dispositivo semiconduttore di potenza chiave nei sistemi di elettronica di potenza, l'IGBT ha continuato a crescere per diversi anni. Poiché consente ai dispositivi e alle apparecchiature di elettronica di potenza di raggiungere una maggiore efficienza, una frequenza di commutazione più elevata e una progettazione miniaturizzata dei dispositivi di conversione di potenza, con il continuo miglioramento delle prestazioni, i campi di applicazione dei dispositivi IGBT si sono ampliati a una gamma più ampia. Non solo nell'industria, ma anche in molti altri sistemi di conversione di potenza, ha sostituito i transistor bipolari ad alta potenza.transistor(gtr), power mostransistor ad effetto di campo(mosfet), si verifica anche una chiusura alternativa del cancelloThyristor(gto) tendenze realistiche. La tecnologia dei moduli driver IGBT ad alta potenza continuerà a migliorare e aumenterà anche il livello di integrazione, riducendo così il consumo energetico e le interferenze elettromagnetiche (EMI) degli IGBT e migliorando l'affidabilità del sistema. Con lo sviluppo della tecnologia di produzione degli IGBT e l'ulteriore aumento dei campi di applicazione, aumentano costantemente anche i requisiti prestazionali dei relativi azionamenti. Per adattarsi alle prestazioni della nuova generazione di IGBT, diversi produttori di azionamenti stanno sviluppando prodotti con prestazioni più complete.

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