Драйвер для IGBT-транзистора Российский патент 2023 года по МПК H02M1/08 H03K17/567 

Данное изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления IGBT-транзистором, в том числе мощным IGBT-транзистором.

Известен модуль драйвера МД2180П-Б (далее по тексту - драйвер) для управления мощными транзисторами с полевым управлением (MOSFET или IGBT) с предельно допустимым напряжением до 1700 В.

Модуль драйвера обеспечивает:

- выдачу сигнала управления на управляющий переход транзистора;

- контроль напряжения насыщения на коллекторе управляемого транзистора, его защитное отключение при выходе из состояния насыщения;

- обеспечение плавного перехода драйвера из активного состояния в неактивное при аварийной ситуации (выход управляемого транзистора из режима насыщения);

- контроль температуры нагрева управляемого транзистора;

- контроль напряжения питания драйвера;

- блокировку управления при аварии (перегреве, снижении напряжения питания драйвера, выходе транзистора из режима насыщения);

- выдачу оптического сигнала в систему управления о нормальном режиме работы драйвера и снятие сигнала при аварии.

Функциональная схема драйвера приведена на Фиг. 1.

Одновременно с поступлением импульса управления на вход узла логики 2 в узле защиты по насыщению начинается заряд конденсатора C_DESAT от встроенного источника тока 7B. При нормальной работе IGBT-транзистор открывается и через диод VD1 узла защиты по напряжению 3 шунтирует конденсатор C_DESAT раньше, чем напряжение на конденсаторе C_DESAT достигнет порогового значения (7 В).

В случае, если произойдет задержка открывания транзистора на время больше нормированного значения или короткое замыкание в цепи нагрузки IGBT-транзистора, приводящее к выходу транзистора из насыщения и повышению напряжения на коллекторе выше 7 В, продолжится заряд конденсатора C_DESAT от источника тока 7 В. При повышении напряжения заряда на конденсаторе C_DESAT до порогового значения срабатывает узел защиты по насыщению 3 и выдает сигнал на узел логики 2. При этом узел логики 2 через выходной усилитель 4 закрывает IGBT-транзистор в защитном режиме - с пониженной скоростью снижения напряжения на затворе IGBT-транзистора для уменьшения перенапряжения на транзисторе при разрыве тока перегрузки или короткого замыкания.

IGBT-транзисторы выдерживают ток короткого замыкания в течение времени до 10 микросекунд (мкс). Исходя из этого условия и учета времени закрывания IGBT-транзистора время заряда конденсатора C_DESAT выбирается не более 3 мкс.

При срабатывании узла защиты по насыщению 3 узел логики 2 блокирует подачу импульсов управления на IGBT-транзистор, одновременно прекращает подачу сигнала ГОТОВ в систему управления преобразователем.

Аналогично функционирует узел логики 2 при срабатывании узла защиты по недонапряжению 5 и узла защиты от перегрева 6.

Для переключения узла логики 2 в режим нормального функционирования предусмотрен вход для сигнала СБРОС ЗАЩИТЫ.

Питание всех узлов и выходного усилителя драйвера стабилизированными напряжениями Р1+, Р1-, Р2+ обеспечивает источник питания 1, подключенный к гальванически развязанному источнику переменного напряжения.

Драйверы подобного типа хорошо функционируют с IGBT-транзисторами малой и средней мощности, у которых время включения не превышает 1-2 мкс.

Недостатком данного драйвера является следующее:

- не обеспечивается защита мощных высоковольтных IGBT-транзисторов, имеющих более длительное время включения (происходит ложное срабатывание защиты при включении транзистора из-за более длительного включения по сравнению с транзисторами малой и средней мощности).

Для обеспечения защиты мощных IGBT-транзисторов при перегрузке и коротком замыкании нагрузки в драйвер дополнительно введены RC-цепь R2, С1, источник опорного напряжения Uge(th), по величине равный пороговому напряжению затвор-эмиттер управляемого IGBT-транзистора, компаратор напряжения DA1 с открытым коллекторным выходом, шунтирующий резистор R1, токоограничительный резистор R3, стабилитроны VD5, VD6, причем вход RC-цепи (резистор R2) подключен к управляющему выводу :G драйвера, а ее выход подключен к неинвертирующему входу компаратора DA1, а к инвертирующему входу компаратора DA1 подключен источник опорного напряжения Uge(th). Коллекторный выход компаратора DA1 через шунтирующий резистор R1 подключен к входу узла защиты по насыщению 3, к нему же подключен резистор R3, вторым выводом подключенный к аноду стабилитрона VD6, катод которого подключен к выводу :С драйвера, а параллельно входу узла защиты по насыщению 3 подключен стабилитрон VD5, причем анод VD5 подключен к общему проводу питания драйвера, а катод - к входу узла защиты по насыщению 3. Функциональная схема предлагаемого драйвера приведена на Фиг. 2.

Работа предлагаемого драйвера.

После подачи питающего напряжения и поступления на вход узла логики 2 оптического импульса СБРОС ЗАЩИТЫ драйвер переходит в рабочий режим: выдает оптический СИГНАЛ ГОТОВ в систему управления и преобразует поступающие на узел логики 2 оптические ИМПУЛЬСЫ УПРАВЛЕНИЯ в электрические импульсы напряжения, поступающие на переход затвор-эмиттер IGBT-транзистора.

При отсутствии оптического импульса на входе узла логики 2 напряжение на базах транзисторов выходного усилителя отрицательное, нижний по схеме р-n-р транзистор открыт. Напряжение от источника отрицательного напряжения Р1- через открытый p-n-р транзистор и резистор Roff поступает на затвор IGBT-транзистора (контакт :G).

При появлении оптического ИМПУЛЬСА УПРАВЛЕНИЯ на входе узла логики 4 напряжение на базах транзисторов выходного усилителя 4 скачком становится положительным, p-n-р транзистор закрывается, а n-р-n транзистор открывается и подает положительное напряжение от источника Р1+ через резистор Ron на контакт :G. При этом напряжение Uge на затворе транзистора увеличивается от отрицательного значения до положительного и достигает значения Uge(th). Время изменения напряжения на затворе IGBT-транзистора от исходного (отрицательного) значения до Uge(th) (время задержки включения t_d(on)) определяется значениями напряжения источников Р1- и Р1+, а также сопротивлением резистора Ron выходного усилителя 4 и входной емкостью C_GE IGBT-транзистора. Для мощных IGBT-транзисторов время задержки включения составляет более 1 мкс.

При увеличении напряжения на затворе выше Uge(th) в нормальном режиме начинается процесс открывания транзистора и появляется ток коллектора. Однако напряжение U_CE остается равным напряжению силового питания на время закрывания оппозитного диода, которое может достигать 0,5 мкс. Затем начинается снижение напряжения на коллекторе до напряжения насыщения U_CEsat. Время снижения напряжения на коллекторе мощного IGBT-транзистора из-за эффекта Миллера и входной емкости может достигать 2 мкс и более.

Таким образом, время с момента поступления импульса управления на драйвер до полного открывания мощного IGBT-транзистора может составлять 3,5 мкс и более, что превышает время заряда конденсатора C_DESAT и приводит к ложному срабатыванию защиты от короткого замыкания и перегрузки мощного IGBT-транзистора. Увеличение времени заряда конденсатора C_DESAT для исключения ложного срабатывания приводит к превышению допустимой длительности протекания тока короткого замыкания и, как следствие, к выходу из строя IGBT-транзистора.

Для обеспечения защиты мощного IGBT-транзистора от токов перегрузки и короткого замыкания в схему драйвера введен компаратор DA1, на неинвертирующий вход которого подается равное Uge(th) напряжение, а на инвертирующий вход - напряжение U_GE через RC-фильтр R2,C1. При напряжении на затворе IGBT-транзистора меньше Uge(th) выходной транзистор компаратора DA1 открыт и через низкоомный резистор R1 шунтирует конденсатор C_DESAT. После превышения напряжением затвора значения Uge(st) через время задержки, определяемое параметрами RC-цепи R2-C1, срабатывает компаратор DA1 (закрывается выходной транзистор компаратора) и прекращается шунтирование конденсатора C_DESAT. Начинается заряд конденсатора C_DESAT от внутреннего источника тока узла защиты по насыщению 3. Параметры R2 и С1 выбраны такими, чтобы шунтирование C_DESAT прекратилось при спаде напряжения U_CE в нормальном режиме работы ниже опорного напряжения (7 В) узла защиты по насыщению 3. Это время обычно не превышает 1-3 мкс. После срабатывания компаратора DA1 напряжение заряда на конденсаторе C_DESAT ограничивается силовым IGBT-транзистором через последовательно соединенные резистор R3 и стабилитрон VD6.

При возникновении перегрузки по току IGBT-транзистор выходит из режима насыщения и напряжение U_CE становится больше опорного напряжения (7 В). Срабатывает узел защиты по насыщению и происходит аварийное отключение IGBT-транзистора.

В случае возникновения короткого замыкания в нагрузке напряжение U_CE становится равным напряжению питания нагрузки, что значительно превышает напряжение стабилизации стабилитрона VD6. При этом конденсатор C_DESAT с большой скоростью заряжается через стабилитрон VD6 и резистор R3 до порога срабатывания узла защиты по напряжению 3. Далее происходит аварийное отключение IGBT-транзистора.

В случае короткого замыкания (например: пробоя оппозитного диода) при включении IGBT-транзистора конденсатор C_DESAT начнет заряжаться с большой скоростью после срабатывания компаратора DA1. Задержка срабатывания компаратора DA1 от момента начала протекания тока через IGBT-транзистор не превышает 1-3 мкс, а заряд конденсатора C_DESAT при этом не превышает 1 мкс, т.е. процесс аварийного отключения IGBT-транзистора начнется не позднее 4 мкс после начала протекания тока через IGBT-транзистор.

Стабилитрон VD5 обеспечивает ограничение напряжения заряда конденсатора C_DESAT на уровне ниже допустимого значения.

Список литературы:

1. Модуль драйвера IGBT и MOSFET транзисторов МД2180П-Б, МД2180П-Б1 Паспорт АЛЕИ.431162.200 ПС

Данное изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления IGBT-транзистором, в том числе мощным IGBT-транзистором. Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение защиты мощных IGBT-транзисторов при перегрузке и коротком замыкании нагрузки. Драйвер содержит источник питания, узел логики, узел защиты по насыщению, выходной усилитель, узел защиты по недонапряжению, узел защиты от перегрева. Для обеспечения защиты мощных IGBT-транзисторов при перегрузке и коротком замыкании нагрузки в драйвер дополнительно введены RC-цепь, источник опорного напряжения, по величине равный пороговому напряжению затвор-эмиттер управляемого IGBT-транзистора, компаратор напряжения с открытым коллекторным выходом, шунтирующий резистор, токоограничительный резистор, стабилитроны. 2 ил.

Драйвер для управления мощными IGBT-транзисторами, содержащий источник питания, узел логики, узел защиты по насыщению, выходной усилитель, узел защиты по недонапряжению, узел защиты от перегрева, отличающийся тем, что в драйвер дополнительно введены RC-цепь R2, С1, источник опорного напряжения Uge(th), по величине равный пороговому напряжению затвор-эмиттер управляемого IGBT-транзистора, компаратор напряжения DA1 с открытым коллекторным выходом, шунтирующий резистор R1, токоограничительный резистор R3, стабилитроны VD5, VD6, причем вход RC-цепи (резистор R2) подключен к управляющему выводу G драйвера, а ее выход подключен к неинвертирующему входу компаратора DA1, а к инвертирующему входу компаратора DA1 подключен источник опорного напряжения Uge(th), коллекторный выход компаратора DA1 через шунтирующий резистор R1 подключен к входу узла защиты по насыщению, к нему же подключен резистор R3, вторым выводом подключенный к аноду стабилитрона VD6, катод которого подключен к выводу С драйвера, а параллельно входу узла защиты по насыщению подключен стабилитрон VD5, причем анод VD5 подключен к общему проводу питания драйвера, а катод - к входу узла защиты по насыщению.