اعتبارات التصميم المتوازي لوحدة IGBT

اعتبارات تصميم التوازي عند استخدام وحدة IGBT

نظرًا لارتفاع تكلفة الإنتاج، فإن سعر وحدة IGBT 1200V التي تزيد عن 400A في السوق مرتفع. أما بالنسبة لوحدة 62 مم القياسية 1200V بتيار 200-400A، ونظرًا لاستقرار التقنية والمنتج نسبيًا، وتعدد استخداماته الجيدة وسهولة استبداله، فإن استخدام عدة وحدات IGBT قياسية على التوازي هو الخيار الأكثر اقتصادية في هذه المرحلة لزيادة قيمة التيار. ومع ذلك، وبسبب عدم تجانس معاملات IGBT نفسها واحتمال عدم التماثل الناتج عن تخطيط الدارة، فإن استخدام وحدة IGBT في تصميم التوازي ليس أمرًا بسيطًا. كما أن الاختيار غير المناسب للمكونات على التوازي قد يؤدي بسهولة إلى تعطل الجهاز وإتلاف الخطوط في النظام الرئيسي. لذلك، تستعرض هذه الورقة، انطلاقًا من الخبرة الناجحة لقسم التطبيقات لدى العميل وأجهزة الاختبار في المصنع، أهمية استخدام وحدة IGBT النجمية لتصميم التوازي.

الوحدات التي تتجاوز عادةً 100A في حد ذاتها تتكون من عدة شرائح موصولة على التوازي، ورغم أن المصنّعين يستطيعون استخدام شرائح من الرقاقة نفسها للتوصيل على التوازي لتقليل الفرق في معاملات الوحدة نفسها، إلا أنه لا يزال يجب أخذ الفروقات الفردية بين معاملات الوحدات الناتجة في الحسبان. وفي الوقت نفسه، فإن تماثل الدارة عامل مهم جدًا يؤثر في التوازي، ويمكن شرحه من جانبين: السكوني والديناميكي، من خلال اختلاف المعلمات واختلاف تماثل الدارة.

العوامل المؤثرة في التوازي ومتوسط التيار الساكن للوحدات

في الاستخدام الفعلي، تكون حالة عمل وحدة IGBT أساسًا في طور التوصيل والانتقال أثناء التبديل، وتكون مرحلة التوصيل أطول نسبيًا والتيار فيها كبيرًا، لذا فإن لهذا الجزء تأثيرًا كبيرًا. نبدأ من حالة التوصيل الساكنة.

1.1 الأسباب الرئيسية المؤثرة في متوسط التيار على التوازي للوحدة هي النقاط الأربع التالية

أ) تأثير هبوط الجهد في الإشباع Vce (sat)

ب) تأثير عدم تماثل معاوقة دائرة القدرة المتوازية

ج) تأثير جهد قيادة البوابة Vge

د) تأثير جهد التشغيل V th

هـ) تأثير هبوط جهد التوصيل للديود Vf

1) مشكلات اختلاف Vce (sat) عند التوصيل على التوازي:

في كثير من الحالات، يظن الناس أن قيمة Vce (sat) الناتجة عن التيار المار عبر IGBT ثابتة، وهذا تصور خاطئ. فـ Vce (sat) تشير في الواقع إلى هبوط الجهد الناتج عند التيار المقنن. وبالنسبة إلى IGBT، فإن هبوط جهد التوصيل هو دالة في التيار عند نفس V ge.

بالنسبة إلى اثنين من IGBT موصولين على التوازي، فإن هبوط الجهد الناتج أثناء الفتح في الحالة المستقرة يكون متساويًا. وبالتالي، يعتمد توازن توزيع التيار على الفروق في خصائص الخرج لوحدات IGBT المتوازية المختلفة.

يوضح الشكل 1 الفرق في توزيع التيار لاثنين من IGBT ذوي خصائص خرج مختلفة موصولين على التوازي (مع نفس Vce لاثنين من IGBT على التوازي).

الشكل 1 حالة IGBT بعد متوسط التيار على التوازي مع خصائص خرج مختلفة

الشكل 2 مخطط توضيحي لمتوسط التيار عند التوصيل على التوازي

إن V الموضح في الشكل 1، T1 و VT2 بالنسبة إلى نموذجي IGBT متماثلين موصولين على التوازي، يوضح الشكل 2 أن خصائص الخرج للوحدتين تختلفان قليلًا. iC1 و iC2 هما، على التوالي، التيار المجمعي تحت نفس هبوط جهد الأنبوب لـ VT1 و VT2 (UCE1=UCE2). ويشير I إلى التيار المقنن لهذا النوع من IGBT، بينما تمثل Vcesat1 و Vcesat2 هبوط الجهد في حالة الإشباع لوحدتي IGBT عند التيار المقنن. ويمكن تقريب ذلك كما يلي:

R1=（Vce sa t 1-Vo1)/I       (1)

R2=（Vce sa t 2-Vo2)/I       (2)

UCE1=Vo1+R1×iC1(3)

UCE2=Vo2+R2×iC2(4)

عند التوصيل على التوازي، فإن UCE1=UCE2=Uce، أي

iC1=（ Uce-Vo1 ）/R1=（ Uce-Vo1 ）×I/（Vcesat1-Vo1)

iC2=（Uce-Vo2）/R1=（Uce-Vo2） ×I/（Vcesat2-Vo2)

وبما أن هذين الـ IGBT من النوع نفسه، فإن Vo1 = Vo2 = Vo، إذن

لذلك، إذا كان تيار وحدتي IGBT المتوازيتين هو I، فيمكن حساب تيار وحدتي IGBT المختلفتين في Vce كما يلي:

iC 1=（ Uce-V o1 ）/R 1=（ Uce-V o1 ）×I/（Vcesa t 1-V o1)=（Uce-V o ）×I/（Vcesa t 1-V o ) iC 2=（Uc e-V o2）/R 1=（Uc e-V o2）×I/（Vc e s a t 2-V o2)=（Uc e-V o ）×I/（Vc e s a t 2-V o )

لنأخذ المثال الأكثر شيوعًا GD200HFL120C2S:

لنفترض أن القيمة الأكبر لـ Vcesat1 هي 2.5V (125℃)، والقيمة الأصغر لـ Vcesat2 هي 2.1V (125℃)،

Vo =0.8V

بافتراض قيمة أكبر لـ Vcesat1 وهي 2.2 فولت، ومع القيمة الأصغر لـ Vcesat1 وهي 2.1 فولت، يرجى التحقق من دليل البيانات

الجهد Vo النموذجي هو =0.8 فولت

إذا كان فرق Vcesat هو 0.1 فولت، فحتى إذا كان تيار الخرج المطلوب للوحدة المتوازية io =200A، فإن فرق التيار في وحدة IGBT الأخرى ذات Vce (sat) الأقل يكون 6A. عمليًا، ستكون الخسارة أكبر من الوحدة الأخرى، رغم أن شريحة IGBT في حالة تيار كبير

وله معامل درجة حرارة موجب، لذلك عند توصيل وحدتي IGBT على التوازي، يُوصى بألا يتجاوز الفرق بين Vce(sat) 0.2 فولت. وإذا كان ذلك لا مفر منه، فيُستحسن ترك هامش كبير في درجة حرارة الحالة المستقرة للتعويض.

2) عدم تساوي توزيع التيار الناجم عن عدم تماثل ممانعة دائرة القدرة

الشكل 2. تأثير ممانعة الدائرة الرئيسية

يُعتقد عمومًا أن الاختلاف في طول مسار التوازي على القضيب الناقل سيؤدي إلى ممانعة الدائرة. لذلك، إذا كان الفرق في Vce(sat) لوحدة IGBT أقل من 0.2 فولت، فيجب أخذ تماثل خط القضيب الناقل في الاعتبار. في الواقع، تأثير هذا الجزء منخفض نسبيًا، فكما في الدائرة المكافئة في الشكل 2، فإن RE1 وRE2 يعادلان التوصيل التسلسلي لمقاومتين، ومع فرع التدفق المتساوي الأصلي، وإذا كانت الممانعة غير متسقة فسيؤدي ذلك إلى عدم اتساق توزيع التيار؛ مثلًا إذا كانت RE1＞RE2، فسيكون هناك حتمًا تيار أكبر في الفرع فوق RE2، مما يسبب اختلالًا غير متساوٍ، والعكس صحيح. خذ GD200HFL120C2S مثالًا:

تيار العمل الفعلي المطلوب للوحدة المتوازية هو io =200A، وكل وحدة فعليًا 100A، وهبوط الجهد على الوحدة الفعلية هو Uce =1.7V

افترض أن مساحة المقطع العرضي للموصل النحاسي هي 410-5m2، وأن طول القضيب الرئيسي للوحدة 1 هو 0.8m، وطول القضيب الرئيسي للوحدة 1 هو 0.6m، وأن معدل المقاومة الحرارية عند 30℃ هو 1.810-8Ω *m

مقارنةً بتأثير Vce(sat)، فإن تأثير عدم تماثل حلقة القدرة يكون أقل أهمية نسبيًا في الحالة الثابتة. ومع ذلك، فإن القضيب الناقل سيُدخل أيضًا محاثة في الأسلاك، مما سيكون له تأثير كبير على متوسط التيار الديناميكي، وسيجري التوسع في ذلك لاحقًا.

3) تأثير جهد قيادة بوابة الترانزستور Vge

التيار IC الذي يمر عبر الوحدة يقود الـ IGBT بجهد البوابة Vge ويولّد هبوط جهد التوصيل Vce، وهو لا يرتبط فقط بالتيار المار Ic وبـ Vce(sat) المذكور أعلاه، بل يرتبط أيضًا بشكل مباشر بجهد قيادة البوابة Vge.

وعلى العكس، عند جهد قيادة مختلف Vge، ومع نفس Vce في التوصيل على التوازي، يكون التيار Ic المار عبر كل منهما مختلفًا طبيعيًا.

الشكل 3. منحنى الخصائص الخرجية لوحدة IGBT

من الشكل 3، يمكننا أن نرى بوضوح أن،

عند Vge =13V، وعند Vce =2.5V، يكون التيار المار Ic 255A

عند Vge =15V، وعند Vce =2.5V، يكون التيار المار Ic 285A

لذلك، يجب إيلاء تصميم دائرة القيادة اهتمامًا كبيرًا، والتأكد من ضمان جهد قيادة الوحدة المتوازية.

ويجب التأكيد هنا على أن جهد البوابة Vge المذكور أعلاه يشير إلى طرفي بوابة IGBT، وليس إلى جهد خرج لوحة القيادة، وكثيرًا ما يخطئ العملاء غير الحذرين في هذا الأمر. وكما يتضح من الشكل 4، توجد مقاومة بوابة بين شريحة القيادة والقطب البوابي، وكذلك التوصيل الكهربائي من شريحة القيادة إلى قطب بوابة IGBT، وهو سلك البوابة الموجود عادة على الجهاز، وسيتم مقارنة فرق معلمات عنصر القيادة وسلك البوابة مع لحظة الفتح والإغلاق

بشكل بارز، سيؤدي ذلك إلى عدم اتساق الجهد المضاف إلى بوابة IGBT مع جهد الخرج. ولن تكون هذه مشكلة في الحالة المستقرة لأن البوابة تكون في حالة مقاومة عالية.

الشكل 4. المخطط التوضيحي لسائق الوحدة

4) تأثير جهد الفتح Vth

لأن الجهد المطبق من دائرة القيادة على البوابة هو عملية تبدأ من الجهد السالب إلى الجهد الموجب المطبق (إذا وُجد إيقاف بجهد سالب)، فلا يمكن للتيار I أن يمر عبر الوحدة قبل أن يصل جهد البوابة إلى Vth، لذا فإن IGBT ذو Vge(th) الأصغر سيفتح أبكر ويُغلق لاحقًا. وبما أن هذا التأثير يتركز أساسًا في لحظة الفتح، وكما يمكن معرفته من منحنى خاصية النقل في الشكل 4، فإن تيار Ic يكون صغيرًا جدًا عندما يكون جهد القيادة Vth. عمومًا، يكون فرق Vth للوحدات من النوع نفسه ضمن 0.5 فولت، لذا فإن تأثير جهد الفتح Vth ضعيف نسبيًا.

5. الخصائص الانتقالية لوحدة IGBT

5) تأثير Vf للديود

في العاكس وتطبيقات أخرى، يحتاج ديود التوصيل العكسي في وحدة IGBT إلى تحمّل تيار كبير. إن تأثير Vf للديود على توزيع التيار المتساوي هو نفسه تمامًا تأثير Vce(sat) على توزيع التيار المتساوي، مع أن IGBT المتأثر بـ Vce(sat) وVf للديود فقط.

R1=（V f-Vo1)/I  R2=（V f-Vo2)/I  Uf1=Vo1+R1×if1Uf2=Vo2+R2×if2

(1)

(2)

(3)

(4)

عندما يكون Uf1=Uf2=Uf موصولًا على التوازي، فإن

iC1=（ Uf-Vo1 ）/R1=（ Uf-Vo1 ）×I/（Vf1-Vo1)

iC2=（Uf-Vo2）/R1=（Uf-Vo2）×I/（Vf2-Vo2)

وبما أن هذين الديودين من النوع نفسه، فإن Vo1 Vo2 = Vo

لذلك، إذا كان تيار وحدتي IGBT المتوازيتين هو I، فيمكن حساب تيار وحدتي IGBT ذواتي Vce مختلفتين كما يلي:

iC1=（Uf-Vo1）/R1=（Uf-Vo1）×I/（Vf1-Vo1)=（Uf-Vo）×I/（Vf1-Vo) iC12=(Uf-Vo2)/R2=(Uf-Vo2) I/(Vf2-Vo2)=(Uf-Vo) I/(Vf2-Vo) الوحدة الشائعة 150A تكون عمودية،

إذا افترضنا أن القيمة الأكبر لـ Vf هي 2.2V وأن القيمة الأصغر لـ Vf هي 2.1V، فإن قيمة Vo النموذجية المذكورة في الدليل هي =1.3V

العوامل المؤثرة في التوزيع الديناميكي المتوازي للتيار

الأسباب الرئيسية التي تؤثر في متوسط التوزيع الديناميكي للتيار في الوحدات المتوازية هي النقاط الثلاث التالية

أ) المعلمات الديناميكية لـ IGBT نفسه

ب) الحث الطفيلي لدائرة القيادة

ج) المحاثة الطفيلية لدائرة القدرة

1) عدم انتظام التوزيع الناتج عن معلمات IGBT نفسها

العامل الرئيسي المؤثر في اتزان التيار عند لحظة التبديل هو خصائص النقل للعنصر المتوازي.

الشكل 3. مقارنة خصائص النقل للوحدات المتوازية

يوضح الشكل 3 مخطط مقارنة لخصائص وحدتين متوازيتين غير متطابقتين في خصائص النقل. في الشكل 3، عند تطبيق جهد القيادة نفسه V على الوحدة المتوازية، ستتحمل وحدة IGBT الأكثر انحدارًا تيارًا أكبر، كما ستزداد خسائر التبديل. 2) الطفيليات في دائرة القيادة وعدم انتظام التقسيم الناتج عن المحاثة

وبالاقتران مع السعة الطفيلية عند طرف البوابة في IGBT، قد تؤدي المحاثة الطفيلية في دائرة القيادة إلى تذبذبات شديدة، مما يسبب تقلبات في جهد البوابة. كما أن المحاثة الطفيلية عند المشع قد تسبب تغيرات في درجة التبديل.

دائرة قيادة بوابة IGBT، ومحاثة الأسلاك LGLE، وسعة دخل IGBT Cin؛ إن عملية الفتح والإغلاق تمثل استجابة نموذجية لدائرة RLC على التوالي. في الشكل 4، تمثل المقاومة R ‏RG، ويمثل الحث L ‏LG+LE، وتمثل السعة C مكثف الدخل Cin.