قصر الدائرة في IGBT داخل النظام وحمايته

قصر الدائرة في IGBT داخل النظام وحمايته

الملخص

تتناول هذه الورقة بإيجاز عدة طرق شائعة للحماية من قصر الدائرة في IGBT ضمن أنظمة الجهد المنخفض والقدرة الصغيرة والمتوسطة، وتعرض بشكل أساسي أسلوب استخدام كشف Vce. كما تُشرح بإيجاز آلية عمل حماية قصر الدائرة ومدى معقولية تصميم دائرة الحماية.

مقدمة في مخطط الحماية من قصر الدائرة

في تصميم الحماية الشائع من قصر الدائرة، توجد ثلاث طرق رئيسية لقياس التيار، وهي: كشف مقاومة الشنت N-BUS (الخط الصفري

الخطي) وكشف هول عند الخرج، وكشف جهد Vce.

الشكل 1

تُستخدم إشارة الجهد عبر توصيل مقاومة صغيرة لتحديد قصر الدائرة في دائرة الناقل. تتميز هذه الطريقة بدقة وحساسية عاليتين، ويمكنها الحماية من قصر الدائرة إلى الأرض، لكن عيبها أنها مناسبة فقط للآلات صغيرة القدرة، كما أن متطلبات قدرة المقاومة مع التيار العالي تكون مرتفعة جدًا.

مع استمرار تحسّن زمن استجابة Hall، فهو لا يقتصر على وظيفة تحويل قيمة التيار فحسب، بل يحمي أيضًا تيار القصر عبر الدائرة العتادية. وبسبب مشكلات زمن استجابة كشف Hall كانت الموثوقية أقل نسبيًا من الطريقتين الأخريين. ولا يكون حساس Hall مناسبًا لأنه يُركَّب على طرف الخرج

تحمي الطريقة الأنبوبين العلوي والسفلي عبر.

يُنجَز الحماية الضوئية المقترنة للـ IGBT عبر كشف جهد C-E، وبحسب العلاقة بين Vce وIc، فعندما يرتفع Ic بسرعة يتبعه Vce. وعندما ترتفع قيمة Vce إلى جهد نقطة الحماية، تنطفئ المقارنة الضوئية تلقائيًا وترسل إشارة الخطأ إلى DSP، وتستغرق العملية كاملةً عادةً بين 5 و10 ميكروثانية. وبما أن هذه الحماية شديدة الحساسية جدًا ودقتها ضعيفة، فهي مناسبة فقط للحماية من القصر. يوضح الشكل 2 مخطط Vce وIc للـ GD200HFL120C2S. ومع ارتفاع Vce تزداد زيادة IC. إن Ic عند +7V يتجاوز فعليًا تيار القصر الخاص بالوحدة بكثير. وعند إجراء اختبار القصر الديناميكي، تكون معاملات L وVg وtr وtf وغيرها تحت تحكم صارم ومستقر، ويُضبط التيار عمومًا عند 8 إلى 10 أضعاف Ic، كما هو موضح في الشكل 3. غير أن اختبار القصر يُجرى على النظام، وغالبًا ما يرتفع التيار أكثر بسبب خصائص التبديل وحمل الدائرة والتداخل.

الحماية الشائعة من القصر في المقارن الضوئي لقائد التشغيل

(1) PC929

يُعد PC929 مقارنًا ضوئيًا شائعًا للقيادة في صناعة العاكسات، ويتميز بوظيفة الحماية من القصر (أما PC923 فبدون حماية). وبما أن تيار الذروة عند خرجه لا يتجاوز 0.4A، فإن قيادة IGBT عالي القدرة تحتاج إلى مرحلة تكبير لاحقة لقيادة IGBT. وتعتمد كمية التيار التي يمكن للـ PC929 قيادتها في الوحدة على اختيار الترانزستور. ما دام PC929 قادرًا على دفع الترانزستور، وكان الترانزستور قادرًا على دفع IGBT، فيمكن تحقيق ذلك.

يوضح الشكل 3 دائرة الحماية الداخلية للـ PC929:

1، عند إطفاء IGBT، يُسحب جهد الطرف 9 C إلى الصفر.

2. عند تشغيل IGBT، يشحن Vcc المكثف Cp عبر Rc، ومع تجاوز جهد الشحن +7V، يتم إرسال O2

مع الإطفاء الناعم، يرسل FS إشارة الخطأ إلى CPU في الوقت نفسه، وFS فعّال عند المستوى المنخفض، وتُحدَّد سرعة شحن Cp بواسطة Rc وCp.

3. عند إطفاء IGBT، يُسحب C بسرعة إلى الأسفل، وتكون سرعة الهبوط أكبر بكثير من سرعة إطفاء IGBT.

يشير كثيرون إلى أن P C 929 عرضة لعمليات الحماية الخاطئة، لكن آلية هذه العمليات ليست واضحة تمامًا. فبعضهم يرى أن زمن الحماية قصير جدًا، بينما يرى آخرون أن هبوط جهد IGBT كبير جدًا. لذا فلنناقش سبب التشغيل الخاطئ لـ P C 929، وهو أمر مهم جدًا لتصميم دائرة حماية IGBT.

نظريًا، كلما كان Vce(sat) أكبر، وصل IGBT أسرع إلى جهد الحماية +7V في المنطقة الخطية، وهذا صحيح، لكنه ليس سبب التشغيل الخاطئ. فقيمة Ic المقابلة لهبوط التشبع عند +7V أكبر بكثير من هبوط التشبع لأقصى تيار حمل زائد، بينما لا يتجاوز هبوط الجهد في الشريحة العامة 1V فقط، ولن يؤدي هذا الفارق إلى تشغيل خاطئ في حالة عدم وجود قصر.

عند تشغيل IGBT بشكل طبيعي، السبب الرئيسي لخطأ الحماية هو زمن هبوط Vce عند فتح IGBT، وزمن شحن Cp. انظر الشكل 4.

يقوم مصدر التغذية Vcc بشحن Cp عبر Rc، بجهد شحن Ucp.

إذا انخفض Vce على المسار a، فسيكون Vce قد هبط إلى ما دون +7V قبل أن يصل Ucp إلى +7V، وبالتالي لا يظهر جهد الطرف 9 فوق +7V.

إذا انخفض Vce على المسار c، فسيظل Vce فوق +7V عندما يصل Ucp إلى +7V، وعندها سيظهر كشف جهد الطرف 9 فوق +7V، ليؤدي إلى تفعيل الحماية من القصر.

الخلاصة: لتجنب تشغيل الحماية الخاطئ عند الفتح، يمكن إطالة زمن الشحن قليلًا أو تسريع سرعة الفتح قليلًا.

(2) 316J

يُستخدم 316J أيضًا على نطاق واسع في قيادة IGBT والمقارن الضوئي مع كشف Vce. وأكبر فرق عن PC929 هو أن 316J قادر على قيادة وحدة 150A مباشرة دون الحاجة إلى ترانزستورات. ومن حيث آلية الحماية، فهو مشابه جدًا أيضًا لـ PC929. انظر الشكل 5: عند إطفاء IGBT، يُسحب DESAT (14) إلى الأرض عبر MOSFET عالي السرعة، وبعد فتح IGBT يُطفأ MOSFET، وتُشحن الأرجل 14 عبر مصدر تيار داخلي ومكثف، وعندما يرتفع الجهد بأكثر من +7V فإن 316J يفعّل الحماية. أما PC929 فيشحن المكثف من Vcc عبر مقاومة؛ بينما 316J يشحن المكثف مباشرة عبر مصدر التيار الداخلي. وبما أن المكثف يُشحن بمصدر تيار ثابت، فيمكن أيضًا حساب زمن الشحن بدقة أكبر:

t=CV / I، اختر C=100p

t =100p *7V /250u A =2.8u s

وهذا يعني أن Vce يجب أن يهبط إلى أقل من +7V خلال 2.8 ميكروثانية، وإلا فسيتأخر.

الشكل 6

مقدمة إلى تجربة الحماية من القصر

يمكن تقسيم الحماية من القصر وفقًا لشكل القصر إلى قصر متناوب وقصر نسبي. ولكن مهما كان نوع القصر، فلا بد لمرور التيار من تكوين حلقة، لذا يمكن في تصميم الحماية من القصر الكشف عند أي موضع في الدائرة، بالطبع مع اختلاف التأثير. وعادةً ما نختار كشف Vce

الجهد، لأنه أكثر فاعلية وموثوقية نسبيًا.

في اختبار الحماية من قصر الطور في صناعة العاكسات، هناك حالتان: القصر أولًا ثم التشغيل، أو التشغيل أولًا ثم القصر. فحالة الأولى أبسط نسبيًا، إذ يكون الخرج في حالة قصر مسبقًا، وعندما تأتي إشارة الفتح يبدأ التيار بالارتفاع؛ أما الحالة الثانية فأكثر تعقيدًا، فعندما يكون النظام قيد التشغيل قد يقع موضع القصر في أي نقطة من دورة العمل، ولذلك يختلف شكل الموجة لكل قصر أيضًا بشكل كبير. إذًا، أي تيار حماية أكبر؟ بعد الاختبار على النظام، وجدنا أن القصر أثناء التشغيل قد يؤدي إلى تيار أعلى، لأن Vg يرتفع أكثر عند فتح IGBT، بينما يتأثر Ic في المنطقة الخطية أساسًا بـ Vg.

Ires = Cres * dv / dt

△Vg=Ires*(Rg+Rint)

I c =K (V g -V t h )2

يوضح الشكل 7 موجة الدائرة القصيرة المقاسة على جهاز الاختبار الديناميكي. ونجد أنه بعد أن يرتفع I sc بثبات، فإنه يُحدَّد بواسطة الشريحة نفسها. ولم يتعرض جهد البوابة Vg لاضطراب كبير خلال العملية بأكملها.

يوضح الشكل 8 موجة الدائرة القصيرة للوحدة 1200V / 50A على محول التردد.

- -t 1: يؤثر dv / d t باستمرار في V g؛ يكون I sc في طور الارتفاع، ويحدَّد الميل بواسطة ملف الحث الطفيلي للحمل L، Isc=K (Vg-Vth) 2

- -t2: يتوقف dv / dt عن التأثير في Vg، وينخفض Vg، وينخفض I sc مع Vg.

- -t3: يكون Vg مستقراً ويكون I sc مستقراً.

- -t4: يتم إيقاف IGBT، وينخفض I sc، وVce=Vdc + di / dt * Lbus، وبالتالي يحدث تجاوز في الجهد.