استخدام وحدة IGBT لاعتبارات التصميم الموازي

نظرًا لتكلفة الإنتاج العالية، فإن سعر وحدة IGBT بجهد 1200 فولت وتيار أكبر من 400 أمبير في السوق. أما بالنسبة لوحدة 62 مم بجهد 1200 فولت وتيار 200-400 أمبير، فبسبب تقنية المنتج والتكنولوجيا المستقرة نسبيًا والتنوع الجيد للمنتج وسهولة الاستبدال، فإن استخدام عدة وحدات IGBT قياسية متوازية هو الطريق الأكثر اقتصادية لتحسين التصنيف الحالي في هذه المرحلة. ومع ذلك، نظرًا لعدم اتساق معلمات IGBT الخاصة والتشوه المحتمل الناتج عن تخطيط الدائرة، فإن استخدام وحدة IGBT للتصميم المتوازي ليس أمرًا بسيطًا. يمكن أن يؤدي اختيار غير معقول للمكونات كمتوازي أو المكونات إلى فشل الجهاز بسهولة وتلف الخطوط على النظام الرئيسي. لذلك، يقدم هذا البحث، من خلال التجربة الناجحة لقسم التطبيق في العميل ومعدات الاختبار في المصنع، ويقترح أهمية استخدام وحدة IGBT نجمية للتصميم المتوازي.

الوحدات التي تزيد عادة عن 100 أمبير تتكون بذاتها من عدة رقائق متوازية، على الرغم من أن الشركات المصنعة يمكنها استخدام رقائق على نفس الوافر للاتصال متوازيًا لتقليل الفارق في المعلمات للوحدة ذاتها. ومع ذلك، فإنه لا يزال يحتاج إلى مراعاة الفروق الفردية بين معلمات الوحدة الناتجة. في الوقت نفسه، تعتبر تماثل الدائرة تأثيرًا مهمًا للتوازي، والذي يمكن أن يُفسر من جانبين: ثابت ودينامي، من خلال فارق المعلمات وفارق تماثل الدائرة.

العوامل التي تؤثر على التدفق المتوسط الموازي والثابت للوحدات

في الاستخدام الفعلي، يكون حالة عمل وحدة IGBT أساسًا في التوصيل والتبديل العابر، ومرحلة التوصيل طويلة نسبيًا والتيار كبير. هذا القسم له تأثير كبير. ابدأ من حالة التوصيل الثابتة.

1.1. الأسباب الرئيسية التي تؤثر على التدفق المتوسط للوحدة هي النقاط الأربعة التالية

أ) تأثير انخفاض الضغط المشبع Vce (sat)

ب) تأثير عدم التماثل في معاوقة الدائرة الكهربائية القوية الموازية

ج) تأثير جهد تشغيل البوابة Vge

د) تأثير جهد التشغيل V th

هـ) تأثير انخفاض ضغط التوصيل للدايود Vf

1) مشاكل مع Vce (sat) المختلفة بشكل موازي:

في العديد من الحالات، يعتقد الشخص العادي أن Vce (sat) الناتجة عن التيار الجاري من خلال IGBT هي قيمة ثابتة، وهذا اعتقاد خاطئ. Vce (sat) في الواقع تشير إلى انخفاض الضغط الناتج عن التيار المقدر. بالنسبة لـ IGBT، يعتمد انخفاض الضغط التوصيلي على الجهد في نفس V ge.

بالنسبة للـ IGBT المتصلة موازية، يكون انخفاض الضغط الناتج عن مرور الدليل الإيجابي عند فتح الحالة الثابتة متساويًا. وبالتالي، تعتمد توزيع التيار على الاختلافات في الخصائص الناتجة لمختلف IGBT المتوازية.

تُظهر الشكل 1 الفرق في توزيع التيار لـ IGBT ذات الخصائص الناتجة المختلفة المتوازية (نفس Vce لـ IGBT المتوازية).

الشكل 1 الوضع IGBT بعد التدفق المتوسط عند التوازي مع خصائص الإخراج المختلفة

الشكل 2 رسم تخطيطي للتدفق المتوسط عند التوازي

يُظهر الشكل 1T1 الـ V و VT2 لنموذجي IGBT متطابقين بالتوازي، يُظهر الشكل 2 أن الخصائص الخرجية للـ IGBTين مختلفة قليلاً. iC1 و iC2 على التوالي VT1 و VT2 في وجود نفس انخفاض ضغط الأنبوب (UCE1=UCE2) تيار المجمع أدناه، I يشير إلى التيار المقنن لهذا النوع من IGBT، Vcesat1 و Vcesat2 يمثل انخفاض الضغط المشبع لـ IGBTين عند التيار المقنن. يمكن تقريبًا أن:

R1=uff08Vce sa t 1-Vo1)/I (1)

R2=uff08Vce sa t 2-Vo2)/I (2)

UCE1=Vo1+R1×iC1(3)

UCE2=Vo2+R2×iC2(4)

عند التوازي، UCE1=UCE2=Uce، Is

iC1=uff08 Uce-Vo1 uff09/R1=uff08 Uce-Vo1 uff09×I/uff08Vcesat1-Vo1)

iC2=uff08Uce-Vo2uff09/R1=uff08Uce-Vo2uff09 ×I/uff08Vcesat2-Vo2)

بما أن هذين الـ IGBT من نفس النوع، فإن Vo1 Vo2 =Vo ثم

لذلك، إذا كان تيار وحدتي IGBT المتوازيتين هو I، فيمكن حساب تيار وحدة IGBT المختلفة Vce على النحو التالي:

iC 1=uff08 Uce-V o1 uff09/R 1=uff08 Uce-V o1 uff09×I/uff08Vcesa t 1-V o1)=uff08Uce-V o uff09×I/uff08Vcesa t 1-V o ) iC 2=uff08Uc e-V o2uff09/R 1=uff08Uc e-V o2uff09×I/uff08Vc e s a t 2-V o2)=uff08Uc e-V o uff09×I/uff08Vc e s a t 2-V o )

خذ أشهر GD200HFL120C2S مثلاً:

فلنفترض قيمة أكبر لـ Vcesat1 هي 2.5V (125℃)، وقيمة أصغر لـ Vcesat2 هي 2.1V (125℃)،

Vo =0.8V

فلنفترض أن قيمة أكبر لـ Vcesat1 هي 2.2V، مع قيمة أصغر لـ Vcesat1 هي 2.1V، يتم التحقق من خلال دليل البيانات

الـ Vo النموذجي هو =0.8V

إذا كان اختلاف Vcesat هو 0.1V، حتى إذا كان التيار الناتج المطلوب من الوحدة المتوازية هو io =200A، فإن الفرق في التيار لوحدة IGBT الأقل Vce (sat) الأخرى هو 6A. في التطبيق العملي، سيكون هناك مزيد من الخسائر من وحدة IGBT أخرى، على الرغم من أن رقاقة IGBT في تيار كبير

لديها معامل درجة الحرارة الإيجابي، لذلك عندما تكون وحدتي IGBT متوازيتين، يُوصى بألا يتجاوز الفارق بين V ce (sa t) 0.2V. إذا كان ذلك لا يمكن تجنبه، يُوصى بترك هامش كبير على درجة الحرارة الثابتة للتعويض.

2) تحت الشنت غير المتساوي الناتج عن عدم تماثل المعاوقة في الدائرة الكهربائية

الشكل 2 تأثير معاوقة الدائرة الرئيسية

يعتقد عمومًا أن الفرق في تخزين الخط الموازي للحافلة سيؤدي إلى معاوقة الدائرة. لذلك ، إذا كانت فرق وحدة IGBT باستخدام V c e (s a t) أقل من 0.2 فولت ، يجب أخذ تناظرية خط الحافلة في الاعتبار. في الواقع ، تأثير هذا الجزء منخفض بالفعل ، مثل دائرة المكافئ 2 ، RE1 و RE2 مكافئة للاتصال التسلسلي لمقاومتين وفرع تدفق موحدين الأصليين ، إذا كانت المعاوقة غير متناسقة ، فسيتسبب في عدم انتظام التدفق الموحد ، مثل RE1> RE2 ، أن ياو RE2 سيكون هناك بالضرورة تيار أكثر أعلى فوق الفرع ، مما يتسبب في عدم التوازن غير المتساوي والعكس بالعكس. خذ GD200HFL120C2S كمثال:

التيار الفعلي المطلوب للوحدة المتوازية هو i o =200A، كل وحدة فعليًا 100A، وانخفاض الضغط على الوحدة الفعلية هو Uce =1.7V

نفترض أن مقطع العمود البرونزي هو 410-5m2، طول الصف الرئيسي للوحدة 1 هو 0.8m، طول الصف الرئيسي للوحدة 1 هو 0.6m، ومعدل المقاومة الحرارية عند 30℃ هو 1.810-8Ω*m

بالمقارنة مع تأثير V c e (s a t)، فإن تأثير عدم تماثل الدائرة الكهربائية للطاقة غير ضروري نسبيًا عند القلق الثابت. ومع ذلك، سيقدم الباص أيضًا التحريض الرصاصي، الذي سيكون له تأثير كبير على تدفق المتوسط الديناميكي، وسيتم مناقشته بشكل أوسع في المستقبل.

3) تأثير جهد تشغيل البوابة Vge

التيار IC الجاري خلال IGBT المشغل بواسطة جهد تشغيل البوابة Vge يولد انخفاض الضغط التوصيل Vce، وهو ليس مرتبطًا فقط بالتيار الجاري Ic، و V ce (sat) المذكور أعلاه، ولكنه مرتبط مباشرة بجهد تشغيل البوابة Vge.

على الجانب الآخر، عند جهد تشغيل Vge مختلف، مع نفس Vce متوازيًا، يكون التيار Ic خلال الاثنين مختلفًا بشكل طبيعي.

الشكل 3. منحنى الخصائص الناتجة لوحدة IGBT

من الشكل 3، يمكننا أن نرى بوضوح أن،

كما في Vge =13V، عند Vce =2.5V، من خلال التيار Ic 255A

كما في Vge =15V، عند Vce =2.5V، من خلال التيار Ic 285A

لذلك، تحتاج تصميم دائرة القيادة إلى إيلاء اهتمام كبير، وتأكد من ضمان جهد القيادة للوحدة المتوازية.

يجب التأكيد هنا أن جهد البوابة Vge المُذكور أعلاه يشير إلى طرفي بوابة IGBT، وليس إلى الجهد الناتج عن لوحة التشغيل، وغالبًا ما يقوم العملاء بالاهتمام بهذا الخطأ. كما يمكن رؤية من الشكل 4، هناك مقاومة بوابة بين رقاقة التشغيل وقطب البوابة، والاتصال الكهربائي من رقاقة التشغيل إلى قطب بوابة IGBT، وهو سلك البوابة الذي يُرى عادةً على الجهاز، وسيتم مقارنة اختلاف المعلمة لمكون التشغيل وسلك البوابة مع لحظة الفتح والإغلاق

سيؤدي التأكيد إلى زيادة جهد بوابة IGBT وعدم اتساق الجهد الناتج. هذا لن يكون مشكلة في الحالة الثابتة لأن البوابة تنتمي إلى حالة مقاومة عالية.

شكل 4: مخطط وحدة التشغيل

4) تأثير الجهد المفتوح، Vth

لأن الجهد المطبق من قبل جهد الدائرة المحركة إلى البوابة هو عملية من الضغط السالب إلى الجهد الموجب المطبق (إذا كان هناك ضغط سالب معطل)، فإن التيار I لا يمكن أن يتدفق من خلال الوحدة قبل جهد البوابة Vth، لذا سيفتح IGBT من Vge الأصغر (th) في وقتٍ سابق ويُطفئ في وقتٍ لاحق. نظرًا لأن هذا التأثير يحدث أساسًا في لحظة الفتح، ويمكن معرفته من منحنى الخصائص النقل في الشكل رقم 4، فإن تيار Ic صغير جدًا عندما يكون جهد التشغيل V t h. بشكل عام، يكون اختلاف جهد وحدة Vth من نفس النوع داخل 0.5V، لذا فإن تأثير جهد الفتح Vth ضعيف نسبيًا.

5 الخصائص النقلية لوحدة IGBT

5) تأثير فولتية الدايود Vf

في المحول العاكس وتطبيقات أخرى، يجب على الدايود المتوازي العكسي لوحدة IGBT تحمل الكثير من التيار. تأثير Vf للدايود على التدفق المتوسط هو بالضبط نفس تأثير Vce (sat) على التدفق المتوسط، فقط الـ IGBT يتأثر بـ Vce (sat) و Vf للدايود.

R1=uff08V f-Vo1)/I R2=uff08V f-Vo2)/I Uf1=Vo1+R1×if1Uf2=Vo2+R2×if2

(1)

(2)

(3)

(4)

عندما تكون Uf1=Uf2=Uf متصلة بشكل موازي، ثم

iC1=uff08 Uf-Vo1 uff09/R1=uff08 Uf-Vo1 uff09×I/uff08Vf1-Vo1)

iC2=uff08 Uf-Vo2uff09/R1=uff08 Uf-Vo2uff09 ×I/uff08Vf2-Vo2)

نظرًا لأن هاتين الثنائيتين من نفس النوع، فإن Vo1 Vo2 =Vo

لذلك، إذا كان تيار وحدتي IGBT المتوازيتين هو I، يمكن حساب تيار وحدة IGBT المختلفة Vce كما يلي:

iC1=uff08 Uf-Vo1 uff09/R1=uff08 Uf-Vo1 uff09×I/uff08Vf1-Vo1)=uff08 Uf-Vo uff09 ×I/uff08Vf1-Vo) iC12=(Uf-Vo2) / R2= (Uf-Vo2) I / (Vf2-Vo2) = (Uf-Vo) I / (Vf2-Vo) الوحدة 150A المشتركة هي العمود،

بفرض أن القيمة الأكبر V f هي 2.2V والقيمة الأصغر Vf هي 2.1V، فإن الجهد Vo النموذجي الذي تم العثور عليه من خلال الدليل البيانات =1.3V

العوامل التي تؤثر على تدفق الديناميكي المتوازي

أسباب تأثير الدفق المتوسط الديناميكي المتوازي للوحدات هي النقاط الثلاثة التالية

أ) المعلمات الديناميكية للـ IGBT نفسه

ب) التحريض الطفيلي لدائرة التشغيل

ج) التحريض الطفيلي لدائرة الطاقة

1) التوزيع غير المتساوي الناتج عن معلمات I GB T الخاصة به

العامل الرئيسي الذي يؤثر على التوازن الحالي في وقت التبديل هو خصائص النقل للجهاز المتوازي.

الشكل 3. مقارنة لخصائص النقل للوحدات المتوازية

رسم مقارنة لخصائص وحدتين متوازيتين ذات خصائص نقل غير متناسقة موضحة في الشكل 3. في الشكل 3، عند تطبيق نفس جهد التشغيل V على وحدة متوازيةGEعندئذٍ، ستتحمل وحدة IGBT الحادة مزيدًا من التيار، وستصبح فقدانات التبديل أكبر أيضًا.2) التحريض لدائرة التشغيل والتوزيع غير المتساوي الناتج عن التحريض

بالاقتران مع سعة الطاقة الكهربائية الطفيفة على مستوى البوابة للمفتاح الثنائي القاطع (IGBT)، قد يسبب التواتر الكهرومغناطيسي الطفيف للدائرة القيادية تذبذبات شديدة، مما يؤدي إلى تقلبات في جهد البوابة. يمكن أن يسبب التواتر الكهرومغناطيسي الطفيف للمصدر تغيرًا في درجة التبديل.

مقاومة بوابة IGBT RG، معاوقة الرصاص LGLE، وسعة الإدخال IGBT Cin. عملية الفتح والتبديل هي استجابة نموذجية لدائرة سلسلية RLC. في الشكل 4، تتوافق المقاومة R مع RG، المعاوقة L تتوافق مع الملف اللولبي LG+LE، والمكثف C يتوافق مع مكثف الإدخال Cin.