1 Introdução

PorqueIGBT interruptorDevido à sua alta frequência, baixo consumo de energia de condução e controle de porta conveniente, o IGBT tem sido amplamente utilizado em sistemas de conversão de alta potência. Em aplicações de IGBT, além do seu próprio nível técnico, outro fator importante a ser considerado é se o projeto do seu driver é adequado e confiável. [A frase "igbt driver as power" parece ser um erro de digitação e não faz sentido no contexto e parece ser um erro de digitação.]o circuitoentre o controlador e ointerfaceO circuito está intimamente relacionado ao consumo de energia e à confiabilidade do sistema. Um circuito de acionamento otimizado é indispensável em um sistema de conversão de energia. A escolha de um circuito de acionamento adequado está diretamente ligada à confiabilidade da solução de conversão como um todo.

O driver executa principalmente as três funções a seguir. A primeira é a função de acionamento, que fornece uma corrente suficientemente forte para o interruptor IGBT.atualPara garantir que o IGBT possa ser ligado e desligado de forma confiável sob seu controle, o driver deve possuir uma função de proteção. Quando ocorre uma falha no IGBT, o driver deve possuir uma função de proteção.curto-circuitoOu, em caso de sobrecorrente, o driver pode desligar o IGBT no menor tempo possível para proteger o dispositivo de energia.Além disso, em aplicações de alta tensão e alta potência, o driver, como uma ponte de conexão entre o circuito de controle e o circuito de potência, deve ter a função de isolamento elétrico para garantir que o circuito de controle não sofra interferências ou seja afetado pelo circuito de potência.Partindo do pressuposto de satisfazer as três funções acima mencionadas, o condutor deve também considerar a relação entre flexibilidade, desempenho e preço.

Devido às diferentes capacidades de corrente e níveis de tensão dos IGBTs, também existem diferenças nos requisitos técnicos para seus drivers. Em aplicações de baixa potência, como a corrente de acionamento é relativamente pequena, drivers integrados são os mais utilizados. Em aplicações de alta potência e alta tensão, como fontes de alimentação UPS de alta potência, drivers de alta tensão são mais comuns.Conversor de frequênciaetc., exigindo que o driver forneça maior corrente de acionamento, maior tensão de isolamento e funções de proteção mais completas. Este artigo se concentra nos módulos de acionamento de IGBT de alta potência mais comuns atualmente no mercado, como o SKHI22 da Semikron e o 2SD315A da Concept, etc., e analisa algumas de suas características técnicas comuns, pontos de projeto e tendências futuras de desenvolvimento da tecnologia de acionamento de IGBT de alta potência.

2. Análise das características técnicas

2.1 Funções completas de processamento de sinal

Em aplicações de alta tensão e alta potência, é crucial garantir a confiabilidade do sinal de acionamento do IGBT, considerando fatores como a forte interferência gerada pela chave e o alto custo do IGBT. Portanto, os módulos de acionamento de IGBT de alta potência geralmente possuem uma função completa de pré-processamento do sinal de pulso de acionamento, cujo objetivo é assegurar a confiabilidade do sinal de pulso do gate do IGBT. As funções comuns de processamento de sinal de acionamento são as seguintes:

(1) Função de intertravamento de pulso de canal duplo

Quando o módulo de acionamento emite dois sinais de pulso para controlar os IGBTs superior e inferior no mesmo braço da ponte, respectivamente, se o sinal de acionamento controlar a condução de dois IGBTs simultaneamente, ocorrerá um curto-circuito, o que pode danificar o IGBT ou outros dispositivos. Para evitar essa situação, um circuito de intertravamento de sinal é projetado dentro do módulo de acionamento para garantir que, quando os dois sinais de pulso de entrada estiverem em nível alto simultaneamente, as duas saídas estejam em nível baixo simultaneamente, evitando a condução simultânea de corrente. Quando o controle independente de dois sinais de acionamento for necessário, a função de intertravamento também pode ser protegida por meio de terminais externos.

(2) Função de supressão de pulso estreito

O sinal de pulso estreito, causado pelo circuito de controle ou interferência, etc., é adicionado ao gate do IGBT através do driver, o que pode fazer com que o IGBT complete um processo de comutação em um curto período de tempo. Um sinal de pulso muito curto faz com que o IGBT desligue antes de estar totalmente ligado, o que tem um impacto negativo na saída do conversor, aumenta a perda de comutação do IGBT e reduz a eficiência do sistema. Um circuito de filtro é projetado no driver para remover sinais de pulso estreitos, o que é benéfico para melhorar a confiabilidade do IGBT.

(3) Função de ajuste de tempo morto

No modo de operação em meia ponte, os dois IGBTs devem ser acionados alternadamente. Para evitar que os dois IGBTs sejam acionados simultaneamente durante o processo de comutação, é necessário adicionar um certo tempo morto quando os dois transistores são acionados alternadamente. Esse tempo morto varia de acordo com as características dos IGBTs. No módulo de acionamento de alta potência de dois canais, um circuito de controle de zona morta é projetado internamente, e o tamanho da zona morta pode ser ajustado por meio de diferentes métodos de conexão dos terminais externos, como, por exemplo, conectando terminais externos de diferentes capacidades.capacidade(2sd106) ou nível alto e baixo (skhi22a/b).

A Figura 1 mostra semikromO diagrama de blocos de processamento de sinal do driver de alta potência IGBT da empresa [3] inclui vários módulos funcionais de processamento de sinal, cujo objetivo é garantir a confiabilidade do sinal de acionamento IGBT.

2.2 Método de transmissão isolada de sinais de acionamento

Considerando que o driver de IGBT de alta tensão e alta potência opera em um ambiente de alta tensão, para garantir que o controlador não seja afetado pela alta tensão, o sinal de pulso de acionamento deve ser isolado antes de ser transmitido ao gate do IGBT. Os métodos de isolamento mais comuns incluem o isolamento óptico e o isolamento magnético. O isolamento óptico incluiOptoacopladorisolamento efibra óticaO método de isolamento por optoacoplador apresenta problemas como atraso de transmissão, envelhecimento e confiabilidade devido à tensão de isolamento relativamente baixa. Raramente é utilizado em aplicações de alta tensão onde a tensão do barramento CC excede 800 V. Adota-se, portanto, o método convencional de isolamento por optoacoplador.transformador de pulsoO método de isolamento (isolamento magnético) pode atingir uma tensão de isolamento relativamente alta, etransformadorPossui alta confiabilidade, baixo atraso de transmissão, pode atingir frequências de comutação mais elevadas e não apresenta problemas de envelhecimento. Portanto, a maioria dos drivers de IGBT de alta tensão utiliza transformadores de pulso como componentes de isolamento para garantir a transmissão isolada dos sinais de acionamento.

O transformador de pulsos de acionamento tradicional isola o sinal de pulso amplificado e aciona diretamente o IGBT ou o transistor MOSFET de potência. Seu princípio básico de circuito é mostrado na Figura 2. A função do capacitor em série no primário é remover a componente CC do pulso de acionamento. O regulador de tensão em paralelo no secundário é usado para evitar que a tensão de saída seja muito alta e danifique o transistor MOSFET de potência. Este método de funcionamento não requer uma fonte de alimentação de acionamento separada, o projeto do circuito é simples e o custo é relativamente baixo. No entanto, quando o ciclo de trabalho do pulso de acionamento varia muito, especialmente quando o ciclo de trabalho é relativamente grande, como a área em volt-segundos da forma de onda de saída do transformador em um ciclo deve ser igual, a amplitude do pulso positivo de saída pode ser reduzida, impossibilitando o acionamento normal do IGBT. O ciclo de trabalho do pulso de controle geralmente precisa ser inferior a 50%. Ao mesmo tempo, o transformador de pulsosnúcleo magnéticoO problema de saturação também limita o tempo de ativação do pulso de controle. Outra desvantagem é a distorção da forma de onda de acionamento, especialmente ao acionar IGBTs de alta potência. Devido à capacitância de entrada relativamente grande do IGBT, a forma de onda do pulso de acionamento da saída secundária do transformador de pulsos dificilmente atende aos requisitos de acionamento. Portanto, esse método de acionamento é usado principalmente em aplicações de baixa potência.comutação de alimentaçãomeio.

Para IGBTs de alta tensão e alta potência, o método de acionamento acima obviamente não pode ser aplicado. O método comumente usado é modular o sinal de pulso de acionamento e converter suas bordas de subida e descida em dois sinais de pulso estreitos e invertidos. O transformador de pulsos simplesmente converte esses dois sinais de pulso.acoplamentopara o nível secundário e, em seguida, restaurar o sinal do pulso de acionamento por meio do método de reconstrução secundário. Seu princípio de funcionamento é mostrado na Figura 3.

Este método pode ser chamado de método de transmissão por acoplamento de borda de pulso. A vantagem deste método é que o transformador de pulsos transmite apenas sinais de pulso estreitos com largura de pulso fixa e pode se adaptar a sinais de pulso de acionamento com uma ampla gama de variações do ciclo de trabalho. Como o transformador transmite sinais de pulso estreitos, o núcleo e os enrolamentos do transformador podem ter valores relativamente pequenos, e a indutância de fuga e a capacitância distribuída correspondentes também são relativamente pequenas, o que é benéfico para o projeto do transformador de pulsos e para a transmissão do sinal. A desvantagem é a adição de um circuito de conversão e reconstrução, o que torna o circuito relativamente complexo. A Figura 4 mostra a forma de onda experimental primária do transformador de pulsos após a conversão.

Para facilitar o projeto da fonte de alimentação do driver, os módulos de driver IGBT de alta potência geralmente vêm com um conversor CC/CC integrado. Conversores CC/CC com altos níveis de tensão de isolamento não exigem que o usuário projete uma fonte de alimentação isolada separadamente. Conversores de isolamento integrados geralmente adotam uma estrutura de meia-ponte ou push-pull. Para aumentar a tensão de isolamento e simplificar o circuito de controle do conversor, eles geralmente não possuem controle em malha fechada. Alguns drivers adicionam uma fonte de alimentação linear regulada na saída para estabilizar a tensão de acionamento. Para reduzir o tamanho do transformador, a frequência de operação geralmente fica acima de 100 kHz. Em aplicações de alta tensão e alta potência, dependendo da tensão do barramento, o driver deve ter uma alta tolerância à tensão de isolamento entre o primário e o secundário. Uma tensão de barramento de 900 VCC requer pelo menos uma tensão de isolamento de 4 kVCA. Outro fator que deve ser considerado é a tolerância à variação de tensão (dv/dt). Quando o IGBT chaveia em alta velocidade, um dv/dt muito alto pode ser gerado. Este sinal pode ser acoplado ao circuito de controle primário através de um transformador de isolamento ou transformador de pulsos, causando interferência no circuito de controle. Portanto, ao projetar o transformador de isolamento, é necessário que ele possua capacitâncias de acoplamento primário e secundário muito pequenas. O valor da capacitância de acoplamento do transformador é determinado de acordo com os requisitos específicos de resistência à variação de tensão (dv/dt), sendo geralmente inferior a 20 pF.

O processo de fabricação do transformador é fundamental para alcançar a alta tensão de isolamento mencionada anteriormente. Para aumentar a tolerância da tensão de isolamento e reduzir a capacitância de acoplamento entre o primário e o secundário, os enrolamentos são geralmente feitos separadamente e separados por defletores isolantes. Às vezes, é necessário revestir a superfície do núcleo magnético com material isolante espesso ou enrolá-lo com três camadas de fio isolado. A Figura 5 é um diagrama esquemático da estrutura do transformador do módulo driver IGBT 2ED300C17 da Eupec [4].

2.4 Proteção contra curto-circuito e ajuste de limiar

O método de proteção contra curto-circuito ou sobrecorrente em IGBTs atualmente mais utilizado é implementado através da detecção do valor de tensão de vce [5]. Quando o IGBT apresenta um curto-circuito ou sobrecorrente, sua área de operação sai da zona de saturação e a tensão de vce aumenta. Especificamente,circuito de proteçãoO princípio é mostrado na Figura 6.diodoO diodo d está conectado ao coletor do IGBT para realizar a detecção de subssaturação do IGBT. O aumento na tensão VCE aumentará correspondentemente o potencial do ânodo do diodo em série. Quando o limite de curto-circuito definido for excedido, o circuito de proteção atuará e desligará o IGBT. Como a tensão do coletor do IGBT é relativamente alta no estágio inicial de ativação, se o circuito de proteção operar nesse momento, poderá causar mau funcionamento. Um tempo de inatividade deve ser definido, durante o qual o circuito de proteção contra curto-circuito não funcionará. Essa função é conectada em paralelo por meio da chave s e de um diodo externo.resistênciaIsso é realizado pelo circuito RCE e pelo capacitor CCE. Quando o IGBT é desligado, o circuito S é ligado e o capacitor CCE é carregado a 15V. Quando o IGBT é ligado, o circuito S é desligado e o capacitor CCE é descarregado através do circuito RCE. A tensão final de descarga é:

Isso pode fazer com que a tensão de referência seja maior que a tensão de detecção no estágio inicial de ativação do IGBT, evitando o mau funcionamento do circuito de proteção. A forma de onda durante a operação normal é mostrada na Figura 7(a). A forma de onda quando ocorre um curto-circuito ou uma sobrecorrente é mostrada na Figura 7(b).

2.5 Método de interface do usuário

Para se adaptar aos módulos IGBT de diferentes fabricantes, o driver IGBT deve ter uma interface amigável. Também requer grande flexibilidade e custo acessível. Os módulos de driver mais comuns atualmente no mercado utilizam principalmente...soldagemImplemente a conexão com o IGBT na placa de circuito impresso, como por exemplo: SKHI22, 2SD315A e 2ED300C17, etc. Para facilitar a instalação, também é utilizado um método de conexão direta por encaixe. A Figura 8 mostra a aparência do módulo de driver Skyper desenvolvido pela Semikron. Ele é conectado à placa de interface do driver por meio de um encaixe.

Como o módulo de acionamento (núcleo de acionamento) fornece apenas as funções comuns mais importantes do acionamento, sua conexão com diferentes módulos em diferentes aplicações depende da placa de interface. A unidade completa de módulo-acionamento inclui um módulo de potência com interface de mola, um núcleo de acionamento padrão ou aprimorado e uma placa de interface que conecta o núcleo de acionamento ao módulo especificado. A placa de interface personalizável apresenta uma grande vantagem: o usuário pode ajustar e determinar as características de comutação do IGBT, por exemplo: alterar a velocidade de abertura ou fechamento do IGBT ajustando os parâmetros rgon ou rgoff; ajustar o tempo morto ou desativar a função de intertravamento; ajustar o ponto de proteção VCE e o tempo de janela, etc. Comparada aos módulos de potência inteligentes (IPM) atualmente no mercado, a placa de interface torna todo o sistema mais flexível e fácil de adaptar a diferentes aplicações. Uma vez definidos os parâmetros do sistema, todo o sistema pode ser usado com a mesma facilidade que um IPM. A conexão elétrica entre o módulo semimix e a placa de interface é feita através da mola integrada ao módulo semimix e da camada inferior da placa de interface.ContatoPara alcançar esse objetivo, após a montagem, os contatos da placa de interface tocam os contatos de mola do módulo, completando a conexão elétrica por meio de contato por pressão. A pressão de contato aumenta a confiabilidade do módulo de potência em comparação com a tecnologia de soldagem. Da mesma forma, a conexão plug-in entre o núcleo de acionamento e a placa de interface também visa evitar a soldagem [6]. A Figura 9 é um diagrama de exemplo da conexão entre o núcleo de acionamento, a placa de interface e o módulo semimix.

2.6 Altamente integrado

A tendência de desenvolvimento do driver é a alta integração, o que permite reduzir seu tamanho e uma integração mais estreita com o IGBT, facilitando a instalação, reduzindo o comprimento dos cabos de conexão entre os módulos driver e IGBT e, consequentemente, a quantidade de fios.indutânciaPara atingir esse objetivo, os módulos de driver IGBT atualmente desenvolvidos por algumas empresas estrangeiras utilizam circuitos especiais de desenvolvimento próprio.circuito integradoASICPor exemplo: o SKIC2001A da Semikron e o LDI001 e LGD001 da Concept. Através da aplicação de ASICs, a maioria das funções de controle e proteção podem ser implementadas com circuitos integrados, o que reduz significativamente o tamanho do inversor e aumenta a confiabilidade do inversor IGBT.

3. Tendências de desenvolvimento de módulos de acionamento IGBT de alta tensão e alta potência

Como um semicondutor de potência composto, o IGBT está sendo cada vez mais utilizado, especialmente em conversores de alta potência, devido ao seu baixo consumo de energia, alta frequência de comutação e grande capacidade de corrente. Os requisitos para seu circuito de acionamento também se tornarão cada vez mais exigentes. As principais direções de desenvolvimento técnico se refletem nos seguintes aspectos.

(1) Maior integração

Atualmente, o tamanho dos módulos de driver IGBT de alta potência ainda é relativamente grande. Para aumentar a tensão de isolamento suportável, geralmente utiliza-se um transformador. O tamanho e o peso do transformador são relativamente grandes, o que dificulta sua integração. Portanto, os drivers futuros utilizarão componentes menores e mais fáceis de integrar.Isolatorcomponentes, como a aplicação de transformadores piezoelétricos ou tecnologia avançada de integração magnética para reduzir o tamanho e o peso dos componentes de isolamento e aumentar a integração [7]. É previsível que, no futuro, o IGBT de alta potência e seu circuito de acionamento sejam integrados no mesmo módulo. Os usuários precisarão apenas introduzir o sinal de controle diretamente no módulo de potência para controlar o IGBT.

(2) Tensão de isolamento mais elevada

Os drivers atuais utilizam optoacopladores e transformadores para obter isolamento. A vantagem dos optoacopladores é o seu tamanho reduzido, mas apresentam desvantagens como tensão de isolamento relativamente baixa, envelhecimento precoce e grande atraso. O isolamento por transformador oferece uma tensão de isolamento mais alta e um atraso menor, porém é maior. Portanto, quando se exige isolamento em alta tensão, os transformadores são geralmente utilizados. Atualmente, a maior tensão de isolamento de um módulo de driver com isolamento por transformador é de aproximadamente 3300 V. O nível de tensão mais alto para IGBTs atingiu 6500 V. Para se adaptar a aplicações de tensão mais elevada, é necessário utilizar drivers com maior tensão de isolamento.

(3) Maior potência de condução

A capacidade dos módulos IGBT está em constante aumento, e a capacidade de corrente de um único módulo já pode atingir 3600 A. Às vezes, para aumentar a capacidade, eles são frequentemente operados em paralelo, o que também impõe maiores requisitos à potência de acionamento do driver. A corrente máxima de saída do driver deve ser aumentada correspondentemente, especialmente quando vários módulos são usados ​​em paralelo, a potência média de saída do driver deve atingir 5 W a 10 W, e a corrente máxima instantânea de saída deve ser superior a 30 A.

(4) Frequência de comutação mais alta

Para se adaptar às aplicações em fontes de alimentação para aquecimento por indução, a frequência de comutação dos IGBTs continua a aumentar. Com o desenvolvimento da tecnologia de fabricação, a frequência de comutação máxima dos IGBTs já ultrapassa 100 kHz, o que permite substituir parcialmente os MOSFETs de potência. Para o driver, isso significa que ele deve fornecer maior potência de acionamento, apresentar tempos de atraso de pulso e de subida e descida mais curtos, além de uma maior corrente máxima instantânea de acionamento, entre outras exigências.

(5) Funções mais completas

A tecnologia de acionamento de gate atualmente amplamente utilizada não consegue controlar as taxas de variação de corrente (di/dt) e de variação de tensão (dv/dt) causadas pelo processo de chaveamento do IGBT, controlando, portanto, a interferência eletromagnética (EMI) do circuito de conversão. A tecnologia de acionamento de gate ativo, por sua vez, consegue controlar eficazmente as taxas de variação de corrente (di/dt) e de variação de tensão (dv/dt) mais elevadas causadas pelo chaveamento do IGBT. Consequentemente, permite que o IGBT opere em uma faixa de operação mais segura, reduzindo a EMI gerada durante o processo de chaveamento e, por conseguinte, reduzindo a absorção do circuito buffer do IGBT. Dentre essas tecnologias, a tecnologia de acionamento de gate ativo de três estágios apresenta amplas perspectivas de aplicação [8]. Além disso, para atender às necessidades de aplicações com IGBTs em série e em paralelo, o driver também deve possuir funções de compartilhamento dinâmico de tensão e corrente.

4Conclusão

Como um componente semicondutor de potência fundamental em sistemas eletrônicos de potência, o IGBT tem apresentado crescimento contínuo ao longo dos anos. Ele permite que dispositivos e equipamentos eletrônicos de potência alcancem maior eficiência, frequências de comutação mais elevadas e projetos miniaturizados de dispositivos de conversão de energia. Com a melhoria contínua de seu desempenho, os campos de aplicação dos dispositivos IGBT se expandiram consideravelmente. Não apenas na indústria, mas também em muitos outros sistemas de conversão de energia, ele substituiu os transistores bipolares de alta potência.transistor(gtr), mos de potênciatransistor de efeito de campo(mosfet), mesmo que ocorra um desligamento alternativo do portãoTiristor(gto) Tendências realistas. A tecnologia de módulos de driver IGBT de alta potência continuará a evoluir, e o nível de integração também aumentará, reduzindo assim o consumo de energia e a EMI dos IGBTs, além de melhorar a confiabilidade do sistema. Com o desenvolvimento da tecnologia de fabricação de IGBTs e a expansão de seus campos de aplicação, as exigências de desempenho de seus drivers também aumentam constantemente. Para se adaptar ao desempenho da nova geração de IGBTs, diversos fabricantes de drivers estão desenvolvendo produtos com desempenho mais completo.

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