Introducción al controlador igbt
Basado en la experiencia a largo plazo en el uso de IGBT y haciendo referencia a la literatura relevante, este documento hace un resumen de los problemas del accionamiento de puerta de IGBT. Espero que sea útil para la mayoría del personal de aplicaciones de IGBT.
1 Requisitos del accionamiento de puerta IGBT
1.1 Voltaje del accionamiento de puerta
Debido a la gran impedancia del emisor de puerta del IGBT, la tecnología de accionamiento MOSFET se puede utilizar para conducir. pero la capacitancia de entrada del IGBT es mayor que la del MOSFET, por lo que el voltaje de polarización del IGBT debe ser más fuerte que el voltaje de polarización requerido para controlar el MOSFET. La figura 1 es un ejemplo típico. A +20 ℃, el umbral de voltaje de encendido real medido de los IGBT por debajo de 60 A y 1200 V es 5 ~ 6 V. En uso real, para obtener la caída mínima de voltaje de conducción, Ugc ≥ (1,5 ~ 3)Uge( th), cuando Uge aumenta, el voltaje colector-emisor Uce disminuirá durante el encendido y la pérdida de encendido disminuirá en consecuencia. Sin embargo, durante el proceso de cortocircuito de carga, Uge aumenta y la corriente del colector Ic también aumentará. , lo que hace que el IGBT pueda resistir cortocircuitos. El ancho del pulso dañado se vuelve más estrecho, por lo que la elección de Ugc no debe ser demasiado grande, lo que es suficiente para saturar completamente el IGBT y al mismo tiempo limitar la corriente de cortocircuito y la tensión que genera. (en equipos con procesos de trabajo en cortocircuito, como en motores. Cuando se utiliza IGBT, +Uge debe intentar seleccionar el valor mínimo si cumple con los requisitos para mejorar su resistencia al cortocircuito).
1.2 Requisitos para la fuente de alimentación
Para circuitos de puente completo o medio puente, las fuentes de alimentación de conducción de los tubos superior e inferior deben estar aisladas entre sí ya que el IGBT es un. Dispositivo controlado por voltaje, la potencia de conducción requerida es muy pequeña. Es el principal responsable de cargar y descargar su capacitancia de entrada interna de cientos a miles de picofaradios. Se requiere proporcionar una gran corriente instantánea para apagar el IGBT. Se debe minimizar la resistencia interna de la fuente de alimentación y, para evitar que el du/dt generado cuando se apaga el IGBT, haga que el IGBT se encienda por error, se debe agregar un voltaje de puerta de -5 V para garantizar su giro completo y confiable. -apagado (un voltaje inverso excesivo hará que la compuerta IGBT invierta el movimiento. Desgaste, generalmente entre -2 ~ 10 V).
1.3 Requisitos para las formas de onda del controlador
Desde la perspectiva de reducir las pérdidas, los flancos ascendentes y descendentes del pulso de voltaje del controlador de puerta deben ser lo más pronunciados posible. Un voltaje de puerta con una pendiente pronunciada. El borde de ataque debe El IGBT se enciende rápidamente y el tiempo para alcanzar la saturación es muy corto, por lo que la pérdida de encendido se puede reducir. De manera similar, cuando el IGBT se apaga, el flanco descendente pronunciado puede acortar el tiempo de apagado, reduciendo así. la pérdida de apagado y la generación de calor. Sin embargo, en el uso real, un encendido y apagado demasiado rápido es desventajoso bajo grandes cargas inductivas. Porque en este caso, el encendido y apagado del IGBT demasiado rápido producirá un pico de voltaje Ldi/dt con alta frecuencia, gran amplitud y ancho de pulso estrecho en el circuito, y este pico es difícil de absorber. Este voltaje puede causar que el IGBT u otros componentes se dañen debido a una falla por sobrevoltaje. Por lo tanto, al seleccionar la velocidad de subida y bajada de la forma de onda impulsora, se deben realizar consideraciones integrales basadas en la resistencia de voltaje de los componentes en el circuito y el rendimiento del circuito de absorción du/dt.
1.4 Requisitos para la potencia motriz
Dado que el proceso de conmutación de IGBT requiere una cierta cantidad de suministro de energía, la corriente máxima mínima se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
I GP = △ U ge /R G +R g ;
Donde △ Uge=+Uge+|Uge| RG es la resistencia interna del IGBT;
La potencia media de la fuente de alimentación de conducción es:
P AV =C ge △ Uge 2 f,
En la fórmula. f es la frecuencia de conmutación; Cge es la capacitancia de la puerta.
1.5 Resistencia de puerta
Para cambiar la inclinación de los bordes delantero y trasero del pulso de control y evitar la oscilación, y reducir el pico de voltaje del colector IGBT, se requiere una resistencia adecuada. debe instalarse en la cadena de puerta IGBT Rg. Cuando Rg aumenta, el tiempo de conducción del IGBT se extiende y la pérdida y el calor aumentan cuando Rg disminuye, aumenta di/dt, lo que puede causar una conducción falsa y dañar el IGBT.
El valor de Rg debe elegirse en función de la capacidad actual y la tensión nominal del IGBT y la frecuencia de conmutación. Por lo general, entre unos pocos ohmios y decenas de ohmios (en aplicaciones específicas, debe ajustarse adecuadamente según la situación real). Además, para evitar que el IGBT se dañe cuando se enciende el circuito principal cuando la puerta está abierta o dañada, se recomienda agregar una resistencia Rge entre la puerta y el emisor, con una resistencia de aproximadamente 10 kΩ.
1.6 Requisitos de cableado de la puerta
Un cableado de puerta razonable es muy útil para evitar posibles oscilaciones, reducir la interferencia de ruido y proteger el funcionamiento normal del IGBT.
a. Al realizar el cableado, se debe minimizar la inductancia parásita entre la etapa de salida del controlador y lGBT (minimizar el área rodeada por el circuito del controlador);
b. Coloque correctamente la placa de accionamiento del portón o proteja el circuito de accionamiento para evitar el acoplamiento entre el circuito de alimentación y el circuito de control;
c. El terminal del emisor auxiliar debe usarse para conectar el circuito de accionamiento;
d. Cuando la salida del circuito variador no se puede conectar directamente a la compuerta IGBT, se debe utilizar un par trenzado para la conexión (2 vueltas/cm);
e. Para proteger la puerta, el elemento de sujeción debe estar lo más cerca posible del emisor de la puerta.
1.7 Problema de aislamiento
Dado que los IGBT de potencia se utilizan principalmente en situaciones de alto voltaje en equipos electrónicos de potencia, el circuito de accionamiento debe estar completamente aislado de todo el circuito de control en términos de potencial. El enfoque principal y sus ventajas son Las desventajas se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Formas, ventajas y desventajas de aislar circuitos de accionamiento y circuitos de control
Utilizar acopladores fotoeléctricos para el aislamiento
Ventajas: tamaño pequeño, estructura simple, fácil aplicación , El ancho del pulso de salida no está limitado, adecuado para el controlador PWM
Desventajas
1 La supresión de la interferencia del modo *** no es ideal
2. La velocidad de respuesta es lenta, la aplicación está limitada en condiciones de alta frecuencia
3 Fuentes de alimentación auxiliares que deben aislarse entre sí
Utilice transformadores de impulsos para el aislamiento
Ventajas: velocidad de respuesta rápida* ** El efecto de supresión de interferencias de modo es bueno
Desventajas:
1. El ancho de pulso máximo de la transmisión de la señal está limitado por las características de saturación de el núcleo magnético, generalmente no más del 50%, y el ancho mínimo del pulso se ve afectado por la magnetización Limitación de corriente
2 Afectada por la inductancia de fuga y la piel, la tecnología de procesamiento es compleja
2 Introducción al circuito de accionamiento de puerta típico
2.1 Circuito de accionamiento del transformador de impulsos
El circuito de accionamiento del transformador de impulsos se muestra en la Figura 2. V1 ~ V4 forman el circuito de accionamiento del lado primario del transformador de impulsos Al controlar el encendido de V1, V4 y V2, V3, el pulso de accionamiento se agrega al lado primario del transformador, el lado secundario está conectado a la puerta de IGBT5 a través de la resistencia R1 y R2 para evitar la puerta. del IGBT5 se abra y proporcione un circuito de carga y descarga. El diodo conectado en paralelo en R1 es un diodo acelerador para aumentar la velocidad de conmutación del IGBT5. Los diodos estabilizadores de voltaje VS1 y VS2 Su función es limitar el voltaje aplicado al IGBT5g-. e terminal para evitar que el voltaje excesivo del emisor de la puerta provoque una avería en la puerta. La tensión de emisión de la puerta generalmente no debe exceder los 20 V.
Figura 2 Circuito impulsor del transformador de impulsos
2.2 Circuito impulsor de aislamiento del optoacoplador
El circuito impulsor de aislamiento del optoacoplador se muestra en la Figura 3. Dado que IGBT es un dispositivo de alta velocidad, el optoacoplador seleccionado debe ser un optoacoplador de alta velocidad con un pequeño retraso. La señal de onda cuadrada emitida por el controlador PWM se agrega a la base del transistor V1, y V1 impulsa el optoacoplador para transmitir el pulso. al circuito amplificador de conformación IC1, después de la amplificación por IC1, impulsa el par de tubos compuestos por V2 y V3 (V2 y V3 deben elegir tubos de conmutación con β >100). La salida del par de tubos impulsa el IGBT4 a través de la resistencia R1. R3 es la resistencia de protección de la unión puerta-emisor R2 y el tubo regulador de voltaje VS1 forma un circuito de generación de voltaje de polarización negativa que generalmente usa un tubo regulador de voltaje de 1 W/5,1 V. La característica de este circuito es que puede generar pulsos de conducción positivos y negativos con una sola fuente de alimentación, lo que hace que el circuito sea relativamente simple.
Figura 3 Circuito controlador de aislamiento del optoacoplador
2.3 Circuito controlador compuesto por módulo controlador
Aplicar el circuito del módulo controlador terminado para controlar el IGBT puede mejorar en gran medida la confiabilidad del equipamiento Los principales módulos de controlador disponibles actualmente en el mercado incluyen: EXB840 y 841 de Fujifilm, M57962L de Mitsubishi, KA101 y KA102 de Luomuyuan, HCPL316J y 3120 de HP, etc. Todos estos módulos tienen funciones de apagado suave por sobrecorriente, aislamiento de optoacoplador de alta velocidad, bloqueo por bajo voltaje y salida de señal de falla. Dado que este tipo de módulo tiene las ventajas de funciones de protección completas, sin necesidad de depuración y alta confiabilidad, la aplicación de este tipo de módulo para controlar IGBT puede acortar el ciclo de desarrollo del producto y mejorar la confiabilidad del producto. EXB840 y M57962 se presentan en muchos materiales. Se puede buscar información sobre KA101 y KA102 en Baidu. Aquí hay una breve introducción al HCPL316J de HP. Un circuito típico se muestra en la Figura 4.
Figura 4 Circuito de accionamiento compuesto por módulos de accionamiento
HCPL316J puede controlar IGBT de 150 A/1200 V, aislamiento de optoacoplador, compatibilidad de nivel COMS/TTL, apagado suave por sobrecorriente y velocidad de conmutación máxima 500 ns, voltaje de funcionamiento 15 ~ 30 V, protección contra subtensión. La parte de salida es un tubo Darlington triple compuesto con una salida de colector abierto. Cuenta con montaje en superficie SOL-16 estándar.
Las partes de entrada y salida de HCPL316J están dispuestas en ambos lados del circuito integrado. La señal de control generada por el circuito PWM se agrega al primer pin de 316j. La parte de entrada requiere una fuente de alimentación de 5 V. El pin RESET está activo en un nivel bajo, la salida de señal de falla se envía desde el pin 6 al extremo de cierre de PWM y la salida PWM se cierra a tiempo cuando ocurre una condición de sobrecorriente. La parte de salida utiliza fuentes de alimentación duales de +15 V y -5 V para generar salidas de pulso positivo y negativo. El pin 14 es el terminal de detección de sobrecorriente, que detecta el voltaje del colector IGBT a través del diodo VDDESAT cuando el IGBT está encendido. El voltaje del colector excede los 7 V, se considera que ha ocurrido un fenómeno de sobrecorriente. HCPL316J apaga lentamente el IGBT y al mismo tiempo envía una señal de sobrecorriente a través del pin 6.
3. Conclusión
A través del análisis de las características del accionamiento de puerta IGBT y la introducción de circuitos de aplicación típicos, todos tienen una cierta comprensión de la aplicación de IGBT. Puede utilizarse como referencia para diseñar circuitos de accionamiento IGBT.