1 Wprowadzenie

boIgbtmiećwyłącznikZe względu na wysoką częstotliwość, niskie zużycie energii i wygodne sterowanie bramką, tranzystor ten jest szeroko stosowany w układach konwersji dużej mocy. W zastosowaniach IGBT, oprócz jego poziomu technicznego, kolejnym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest rozsądna i niezawodna konstrukcja sterownika.obwódpomiędzy kontrolerem aInterfejsUkład jest ściśle powiązany z poborem mocy i niezawodnością systemu. Zoptymalizowany sterownik jest niezbędny w systemie konwersji energii. Wybór odpowiedniego układu sterownika jest ściśle powiązany z niezawodnością całego rozwiązania konwertera.

The driver mainly completes the following three functions. The first is the driving function, which provides a large enough drive for the igbt switch.aktualne, to ensure that igbt can be reliably turned on and off under its control; secondly, the driver must have a protection function. When igbt occurszwarcieOr when there is overcurrent, the driver can turn off the igbt in the shortest time to protect the power device.In addition, in high-voltage and high-power applications, the driver, as a connecting bridge between the control circuit and the power circuit, must have the function of electrical isolation to ensure that the control circuit will not be interfered with and affected by the power circuit.Aby spełnić trzy powyższe funkcje, kierowca musi również wziąć pod uwagę relację między elastycznością, wydajnością i ceną.

Ze względu na zróżnicowaną wydajność prądową i poziomy napięcia tranzystorów IGBT, występują również różnice w wymaganiach technicznych dla ich sterowników. W aplikacjach o małej mocy, ze względu na stosunkowo niski prąd sterujący, najczęściej stosuje się sterowniki zintegrowane. W aplikacjach o dużej mocy i wysokim napięciu, takich jak zasilacze UPS dużej mocy, układy wysokiego napięciaPrzetwornica częstotliwościitp., wymagając od sterownika zapewnienia większego prądu sterującego, wyższego napięcia izolacji i bardziej kompleksowych funkcji ochronnych. Niniejszy artykuł koncentruje się na powszechnie stosowanych obecnie na rynku modułach sterujących IGBT dużej mocy, takich jak SKHI22 firmy Semikron i 2SD315A firmy Concept, oraz analizuje niektóre z ich wspólnych cech technicznych, punkty konstrukcyjne oraz przyszłe trendy rozwoju technologii sterowania IGBT dużej mocy.

2 Analiza charakterystyk technicznych

2.1 Pełne funkcje przetwarzania sygnału

W zastosowaniach wysokonapięciowych i dużej mocy niezwykle ważne jest zapewnienie niezawodności sygnału sterującego tranzystorem IGBT, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak silne zakłócenia generowane przez przełącznik oraz wysoki koszt tranzystora IGBT. Dlatego moduły sterujące IGBT dużej mocy zazwyczaj posiadają funkcję wstępnego przetwarzania sygnału impulsowego, której celem jest zapewnienie niezawodności sygnału impulsowego bramki tranzystora IGBT. Typowe funkcje przetwarzania sygnału sterującego to:

(1) Funkcja blokady impulsów dwukanałowych

When the drive module outputs two pulse signals to control the upper and lower IGBTs on the same bridge arm respectively, if the drive signal controls the conduction of two IGBTs at the same time, a through short circuit will occur, which may cause damage to the IGBT or other devices. In order to prevent the above situation, a signal interlock circuit is designed inside the driver module to ensure that when the two input pulse signals are high at the same time, the two outputs are low at the same time to prevent shoot-through. When independent control of dual drive signals is required, the interlocking function can also be shielded through external terminals.

(2) Funkcja tłumienia wąskiego impulsu

Sygnał o wąskim impulsie, generowany przez obwód sterujący lub zakłócenia itp., jest dodawany do bramki tranzystora IGBT za pośrednictwem sterownika, co może spowodować, że tranzystor IGBT zakończy proces przełączania w krótkim czasie. Zbyt krótki sygnał impulsowy powoduje wyłączenie tranzystora IGBT przed jego pełnym włączeniem, co negatywnie wpływa na wyjście przetwornika, zwiększa straty przełączania tranzystora IGBT i obniża sprawność układu. W sterowniku zaprojektowano układ filtrujący, który usuwa sygnały o wąskim impulsie, co korzystnie wpływa na niezawodność tranzystora IGBT.

(3) Funkcja ustawiania czasu martwego

W trybie pracy półmostka oba tranzystory IGBT muszą być włączane kolejno. Aby zapobiec jednoczesnemu włączeniu obu tranzystorów IGBT podczas procesu przełączania, należy dodać pewien czas martwy podczas naprzemiennego włączania obu lamp. W zależności od charakterystyki tranzystorów IGBT, czas martwy jest różny. W dwukanałowym module sterowania dużej mocy, układ sterowania strefą martwą jest zaprojektowany wewnętrznie, a jej rozmiar można regulować za pomocą różnych metod podłączania zacisków zewnętrznych, na przykład poprzez podłączenie zacisków zewnętrznych o różnych pojemnościach.pojemność(2sd106) or high and low level (skhi22a/b).

Rysunek 1 przedstawia semikromThe signal processing block diagram of the company's igbt high-power driver [3] includes various signal processing functional modules, whose purpose is to ensure the reliability of the igbt drive signal.

2.2 Izolowana metoda transmisji sygnałów sterujących

Considering that the high-voltage and high-power IGBT driver works in a high-voltage environment, in order to ensure that the controller is not affected by the high-voltage side, the drive pulse signal must be isolated and then transmitted to the gate of the IGBT. Common isolation methods include optical isolation and magnetic isolation. Optical isolation includesTransoptorisolation andświatłowódIsolation, optocoupler isolation method has problems such as transmission delay, aging and reliability due to the relatively low isolation voltage. It is rarely used in high-voltage applications where the DC bus voltage exceeds 800v. And adopttransformator impulsowyMetoda izolacji (izolacja magnetyczna) pozwala na osiągnięcie stosunkowo wysokiego napięcia izolacji,transformatorCharakteryzuje się wysoką niezawodnością, niewielkim opóźnieniem transmisji, może osiągać wyższą częstotliwość przełączania i nie ma problemów ze starzeniem. Dlatego większość sterowników IGBT wysokiego napięcia wykorzystuje transformatory impulsowe jako elementy izolacyjne, aby zapewnić izolację transmisji sygnałów sterujących.

Tradycyjny transformator impulsowy sterujący izoluje wzmocniony sygnał impulsowy i bezpośrednio steruje tranzystorem IGBT lub lampą mocy MOS. Podstawową zasadę jego działania przedstawiono na rysunku 2. Funkcją pierwotnego kondensatora szeregowego jest usuwanie składowej stałej impulsu sterującego. Wtórna, równoległa lampa regulatora napięcia służy do zapobiegania zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu i uszkodzeniu lampy przełączającej. Ta metoda działania nie wymaga oddzielnego źródła zasilania, konstrukcja układu jest prosta, a koszt stosunkowo niski. Jednakże, gdy współczynnik wypełnienia impulsu sterującego jest bardzo zmienny, zwłaszcza gdy jest on stosunkowo duży, ponieważ obszar napięcia wyjściowego transformatora w jednym cyklu musi być równy, amplituda dodatniego impulsu wyjściowego może ulec zmniejszeniu, uniemożliwiając normalne sterowanie tranzystorem IGBT. Współczynnik wypełnienia impulsu sterującego zazwyczaj wynosi mniej niż 50%. Jednocześnie transformator impulsowyrdzeń magnetycznyProblem nasycenia ogranicza również czas włączenia impulsu sterującego. Kolejną wadą jest zniekształcenie przebiegu sterującego, szczególnie w przypadku sterowania tranzystorami IGBT dużej mocy. Ze względu na stosunkowo dużą pojemność wejściową tranzystora IGBT, przebieg impulsu sterującego na wyjściu wtórnym transformatora impulsowego jest trudny do spełnienia wymagań sterujących. Dlatego ta metoda sterowania jest stosowana głównie w układach małej mocy.przełączanie zasilaniaśrodek.

W przypadku tranzystorów IGBT wysokiego napięcia i dużej mocy, powyższa metoda sterowania jest oczywiście niemożliwa. Powszechnie stosowaną metodą jest modulacja sygnału impulsu sterującego i konwersja jego zbocza narastającego i opadającego na dwa odwrócone, wąskie sygnały impulsowe. Transformator impulsowy jedynie konwertuje te dwa sygnały impulsowe.sprzęganiena poziom wtórny, a następnie przywrócić sygnał impulsu sterującego metodą rekonstrukcji wtórnej. Zasada działania tej metody jest przedstawiona na rysunku 3.

Tę metodę można nazwać metodą transmisji ze sprzęganiem krawędzi impulsu. Jej zaletą jest to, że transformator impulsowy przesyła jedynie wąskie sygnały impulsowe o stałej szerokości impulsu i może dostosowywać się do sterowania sygnałami impulsowymi o szerokim zakresie zmian współczynnika wypełnienia. Ponieważ transformator przesyła wąskie sygnały impulsowe, rdzeń i uzwojenia transformatora mogą przyjmować stosunkowo małe wartości, a odpowiadająca im indukcyjność upływu i pojemność rozproszona są również stosunkowo małe, co jest korzystne dla konstrukcji transformatora impulsowego i transmisji sygnału. Wadą jest konieczność dodania obwodu konwersji i rekonstrukcji, a sam obwód jest stosunkowo skomplikowany. Rysunek 4 przedstawia pierwotny przebieg eksperymentalny transformatora impulsowego po konwersji.

Aby ułatwić użytkownikom projektowanie zasilacza napędu, moduły napędowe IGBT dużej mocy zazwyczaj zawierają wbudowany przetwornik DC/DC. Przetwornice DC/DC o wysokim poziomie napięcia izolacji nie wymagają od użytkowników oddzielnego projektowania izolowanego zasilacza. Zintegrowane przetworniki izolacyjne zazwyczaj wykorzystują strukturę półmostkową lub push-pull. Aby zwiększyć napięcie izolacji i uprościć obwód sterowania przetwornicy, zazwyczaj nie posiadają one sterowania w pętli zamkniętej. Niektóre sterowniki dodają liniowy, regulowany zasilacz na wyjściu w celu stabilizacji napięcia sterującego. Aby zmniejszyć rozmiar transformatora, częstotliwość robocza zazwyczaj przekracza 100 kHz. W zastosowaniach wysokonapięciowych i dużej mocy, w zależności od napięcia magistrali, sterownik musi charakteryzować się wysoką tolerancją napięcia izolacji między uzwojeniem pierwotnym a wtórnym. Napięcie magistrali 900 V DC wymaga napięcia izolacji co najmniej 4 kV AC. Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest tolerancja napięcia zmiennego (dV/dt). Podczas przełączania tranzystora IGBT z dużą prędkością może wystąpić bardzo wysoka tolerancja napięcia zmiennego (dV/dt). Sygnał ten może być sprzężony z pierwotnym obwodem sterowania poprzez transformator separacyjny lub transformator impulsowy, powodując zakłócenia w obwodzie sterowania. Dlatego przy projektowaniu transformatora separacyjnego wymagana jest również bardzo mała pierwotna i wtórna pojemność sprzęgająca. Wielkość pojemności sprzęgającej transformatora jest określana zgodnie ze szczegółowymi wymaganiami dotyczącymi wytrzymałości dv/dt, która zazwyczaj wynosi mniej niż 20 pf.

Kluczem do osiągnięcia wspomnianego wysokiego napięcia izolacji jest proces produkcyjny transformatora. Aby zwiększyć tolerancję napięcia izolacji i zmniejszyć pojemność sprzężenia między uzwojeniem pierwotnym, wtórnym i wtórnym, uzwojenia są zazwyczaj nawijane oddzielnie i rozdzielane przegrodami izolacyjnymi. Czasami konieczne jest pokrycie powierzchni rdzenia magnetycznego pogrubionym materiałem izolacyjnym lub owinięcie go trzema warstwami drutu izolacyjnego. Rysunek 5 przedstawia schemat ideowy struktury transformatora modułu sterownika IGBT firmy Eupec 2ED300C17 [4].

2.4 Zabezpieczenie przed zwarciem i regulacja progu

Obecnie powszechnie stosowana metoda zabezpieczenia tranzystora IGBT przed zwarciem lub przetężeniem jest realizowana poprzez wykrywanie wartości napięcia VCE [5]. Gdy tranzystor IGBT ma zwarcie lub przetężenie, jego obszar roboczy wychodzi poza strefę nasycenia, a napięcie VCE wzrasta. Dokładniej,obwód ochronnyThe principle is shown in Figure 6. passdiodad is connected to the collector of igbt to realize the undersaturation detection of igbt. The increase in vce voltage will correspondingly increase the anode potential of the series diode. When the set short-circuit threshold is exceeded, the protection circuit will act and shut down igbt. Since the collector voltage of IGBT is relatively high in the early stage of turn-on, if the protection circuit operates at this time, it may cause malfunction. A dead zone time must be set, during which the short-circuit protection circuit will not work. This function is connected in parallel via switch s and an externalodpornośćIt is realized by rce and capacitor cce. When igbt is turned off, s is turned on, and capacitor cce is charged to 15v. When igbt is turned on, s is turned off, and the cce capacitor is discharged through rce. The discharge end voltage is:

Może to spowodować, że napięcie odniesienia będzie wyższe niż napięcie detekcji we wczesnej fazie włączania tranzystora IGBT, zapobiegając nieprawidłowemu działaniu układu zabezpieczającego. Przebieg sygnału podczas normalnej pracy przedstawiono na rysunku 7(a). Przebieg sygnału w przypadku wystąpienia zwarcia lub przetężenia przedstawiono na rysunku 7(b).

2.5 Metoda interfejsu użytkownika

Aby dostosować się do modułów IGBT różnych producentów, sterownik IGBT musi mieć przyjazny dla użytkownika interfejs. Wymaga również dużej elastyczności i ekonomicznej ceny. Popularne moduły sterowników dostępne obecnie na rynku wykorzystują głównie…spawalniczyNa płytce PCB należy wykonać połączenie z IGBT, takie jak: skhi22, 2sd315a i 2ed300c17 itp. Aby ułatwić instalację, zastosowano również metodę bezpośredniego połączenia wtykowego. Rysunek 8 przedstawia wygląd modułu sterownika Skyper opracowanego przez Semikron. Jest on podłączony do płytki interfejsu napędu w sposób wtykowy.

Ponieważ moduł napędowy (rdzeń napędu) zapewnia jedynie najważniejsze, typowe funkcje napędu, jego połączenie z różnymi modułami w różnych aplikacjach musi opierać się na płycie interfejsu. Cały moduł-napęd zawiera moduł zasilania z interfejsem sprężynowym, standardowy lub rozszerzony rdzeń napędu oraz płytę interfejsu, która łączy rdzeń napędu z określonym modułem. Płytka interfejsu z możliwością dostosowania ma wyjątkową zaletę: użytkownik może samodzielnie regulować i określać charakterystykę przełączania IGBT, na przykład: zmieniając prędkość otwierania lub zamykania IGBT poprzez regulację rgon lub rgoff; regulując czas martwy lub wyłączając funkcję blokady; regulując punkt zabezpieczenia VCE i czas okna itp. W porównaniu z inteligentnym modułem zasilania IPM obecnie dostępnym na rynku, płyta interfejsu zwiększa elastyczność całego systemu i ułatwia jego adaptację do różnych aplikacji. Po ustawieniu parametrów systemu, cały system może być używany tak łatwo, jak IPM. Połączenie elektryczne między modułem Semix a płytką interfejsu odbywa się za pomocą sprężyny wbudowanej w moduł Semix oraz dolnej warstwy płytki interfejsu.Kontakt Aby osiągnąć. Po montażu styki płytki interfejsu stykają się ze stykami sprężynowymi modułu, dopełniając połączenie elektryczne poprzez docisk. Docisk zwiększa niezawodność modułu mocy w porównaniu z technologią lutowania. Podobnie, połączenie wtykowe między rdzeniem napędu a płytą interfejsu ma również na celu uniknięcie spawania [6]. Rysunek 9 przedstawia przykładowy schemat połączenia między rdzeniem napędu, płytą interfejsu i modułem semix.

2.6 Highly integrated

Tendencją rozwojową sterownika jest wysoki stopień integracji, co pozwala na zmniejszenie jego rozmiaru i ściślejszą integrację z modułem IGBT, co ułatwia instalację, zmniejsza długość linii połączeniowych między modułami IGBT sterownika i zmniejsza liczbę wyprowadzeń.indukcyjność. In order to achieve this goal, the igbt driver modules currently developed by some foreign companies all use self-developed specialukład scalonyASICNa przykład: Semikron Skic2001a oraz Concept Ldi001 i LGD001. Dzięki zastosowaniu układów ASIC większość funkcji sterujących i zabezpieczających można zrealizować za pomocą układów scalonych, co znacznie zmniejsza rozmiar napędu i zwiększa niezawodność napędu IGBT.

3 Trendy rozwojowe modułów sterujących IGBT wysokiego napięcia i dużej mocy

Jako kompozytowy półprzewodnik mocy, tranzystory IGBT są coraz szerzej stosowane, zwłaszcza w przetwornicach dużej mocy, ze względu na niskie zużycie energii, wysoką częstotliwość przełączania i dużą wydajność prądową. Wymagania dotyczące ich obwodów sterujących również będą coraz wyższe. Główne kierunki rozwoju technicznego znajdują odzwierciedlenie w poniższych aspektach.

(1) Wyższa integracja

Obecnie moduły sterowników IGBT dużej mocy są nadal stosunkowo duże. Aby zwiększyć wytrzymałość napięciową izolacji, zazwyczaj stosuje się transformator. Transformator jest stosunkowo duży i trudny do zintegrowania. Dlatego w przyszłości napędy będą wykorzystywać mniejsze, łatwiejsze do zintegrowania moduły.Isolatorcomponents, such as applying piezoelectric transformers or advanced magnetic integration technology to reduce the size and weight of isolation components and increase integration [7]. It is foreseeable that in the future, high-power IGBT and its drive circuit will be integrated into the same module. Users only need to directly introduce the control signal into the power module to control the IGBT.

(2) Wyższe napięcie izolacji

Obecne sterowniki wykorzystują transoptory i transformatory do zapewnienia izolacji. Zaletą transoptorów jest ich niewielki rozmiar, ale mają one również wady, takie jak stosunkowo niskie napięcie izolacji, szybkie starzenie się i duże opóźnienie. Izolacja transformatorowa charakteryzuje się wyższym napięciem izolacji i mniejszym opóźnieniem, ale jest większa. Dlatego też, gdy wymagana jest izolacja wysokonapięciowa, najczęściej stosuje się transformatory. Obecnie najwyższe napięcie izolacji modułu sterującego z izolacją transformatorową wynosi około 3300 V. Najwyższe napięcie IGBT sięga 6500 V. Aby dostosować się do zastosowań o wyższym napięciu, konieczne jest zastosowanie sterowników o wyższym napięciu izolacji.

(3) Większa moc napędowa

The capacity of igbt modules is constantly increasing, and the current capacity of a single module can already reach 3600a. Sometimes in order to increase the capacity, it is usually operated in parallel, which also puts forward higher requirements for the driving power of the driver. The maximum output current of the driver must be increased accordingly, especially when multiple modules are used in parallel, the average output power of the driver is required to reach 5w~10w, and the instantaneous maximum output current is required to reach more than 30a.

(4) Higher switching frequency

Aby dostosować się do zastosowań w zasilaczach do nagrzewania indukcyjnego, częstotliwość przełączania tranzystorów IGBT stale rośnie. Wraz z rozwojem technologii produkcji, najwyższa częstotliwość przełączania tranzystorów IGBT może przekraczać 100 kHz, co pozwala na częściowe zastąpienie lamp mocy MOSFET. Dla sterownika oznacza to konieczność zapewnienia większej mocy sterowania, skrócenia czasu opóźnienia impulsu sterującego oraz skrócenia czasów narastania i opadania, a także zapewnienia większego chwilowego maksymalnego prądu sterowania itp.

(5) Bardziej kompletne funkcje

Obecnie powszechnie stosowana technologia sterowania bramką nie jest w stanie kontrolować di/dt i dv/dt spowodowanych procesem przełączania IGBT, a tym samym kontrolować EMI obwodu konwersji. Technologia aktywnego sterowania bramką może skutecznie kontrolować wyższe di/dt i dv/dt spowodowane przełączaniem IGBT. W związku z tym może sprawić, że IGBT będzie działać w bezpieczniejszym miejscu pracy, zmniejszyć EMI generowane podczas procesu przełączania i odpowiednio zmniejszyć obwód bufora absorpcyjnego IGBT. Spośród nich, trójstopniowa technologia aktywnego sterowania bramką jest technologią aktywnego sterowania bramką o szerokich perspektywach zastosowania [8]. Ponadto, aby sprostać potrzebom szeregowych i równoległych zastosowań IGBT, sterownik musi również posiadać dynamiczne funkcje współdzielenia napięcia i prądu.

4Wnioski

Jako kluczowy element półprzewodnikowy w układach energoelektronicznych, tranzystory IGBT od kilku lat cieszą się niesłabnącym zainteresowaniem. Umożliwiają one osiągnięcie wyższej sprawności, wyższej częstotliwości przełączania i miniaturyzacji układów przetwarzania energii w urządzeniach i urządzeniach energoelektronicznych. Dzięki ciągłemu doskonaleniu wydajności, zakres zastosowań tranzystorów IGBT znacznie się poszerzył. Zastąpiły one bipolarne tranzystory dużej mocy nie tylko w przemyśle, ale także w wielu innych systemach przetwarzania energii.tranzystor(gtr), moc mostranzystor polowy(mosfet), nawet jeśli nastąpi alternatywne zamknięcie bramyTyrystor(gto) realistic trends. High-power IGBT driver module technology will continue to improve, and the integration level will also increase, thereby reducing IGBT power consumption and EMI, and improving system reliability. With the development of igbt manufacturing technology and the further increase in application fields, the requirements for the performance of its drives are also constantly increasing. In order to adapt to the performance of the new generation of igbt, various drive manufacturers are developing igbt drive products with more complete performance.

Disclaimer: This article is reproduced from "Semiconductor Online". This article only represents the author's personal views and does not represent the views of Sacco Micro and the industry. It is only for reprinting and sharing to support the protection of intellectual property rights. Please indicate the original source and author for reprinting. If there is any infringement, please contact us to delete it.