Драйверы IGBT - транзисторов

Основной элементной базой для построения преобразова­телей частоты современных частотно-регулируемых электро­приводов малой и средней мощности являются IGBT транзи­сторы. Усилитель импульсов управления, который формирует выходные сигналы требуемой мощности и формы для управ­ления IGBT транзисторами и изготовленный в виде отдельной интегральной схемы, называется драйвером.

Драйвер (рис. 24) содержит выходной узел I, принимаю­щий сигнал информационного канала; узел согласования II, преобразующий информационный сигнал в сигнал управле­ния необходимого уровня; выходной узел III, осуществляю­щий окончательное формирование импульса управления тре­буемой мощности и формы. Дополнительно на драйвер могут быть возложены функции защиты силового ключа от пере­грузки или слежения за уровнем напряжения питания мик­росхемы.

В зависимости от применяемого вида гальванической раз­вязки входной узел представляет собой фотоприемное уст­ройство оптронной пары, как это показано на рис. 24, либо логическую схему, передающую информационный сигнал в узел

Рис. 24. Структурная схема IGBT транзистора:

I – входной узел; II- узел согласования; III – выходной узел; 1,2 – клеммы входного сигнала; 3, 6 – клеммы для подключения источника питания; 4, 5 – клеммы для выходного сигнала

высокочастотной трансформаторной системы разделения цепей. Узел согласования представляет собой один или несколько ключевых транзисторов, преобразующих уровень информационного сигнала. Основные требования к узлу со­гласования — высокий коэффициент усиления по току и по­вышенное быстродействие.

Входные узлы и узлы согласования драйверов IGBT транзи­сторов строятся по идентичным схемам. Схема построения выходного узла зависит от схемы цепи управления силового ключа и временных параметров режима его управления.

Модули IGBT на токи до 600 А реализуются с включенным в структуру драйвером, свыше 600 А — драйвер поставляется отдельно.

ЗАЩИТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Одним из многих преимуществ полупроводниковых при­боров силовой электроники являются их малые габариты. Однако небольшая масса и размеры их поверхности обуслов­ливают малую постоянную времени нагрева и ухудшение ус­ловий теплоотдачи. Тепловая чувствительность полупровод­никовых приборов предъявляет высокие требования к сред­ствам их защиты.

В схемах преобразователей силовой электроники полупро­водниковые ключи в наибольшей степени чувствительны к перегрузкам по току и напряжению. По этой причине, а так­же с учетом того, что силовые ключи являются наиболее дорогими компонентами схемы, основное внимание при раз­работке методов защиты следует уделять именно этим прибо­рам. Мероприятия по обеспечению защиты схемы и ее эле­ментов сводятся к двум основным направлениям: к устране­нию причин и источников электрической перегрузки и мето­дам борьбы с естественными перегрузками.

Защита от перегрузок по напряжению.

Различают три ос­новных вида перегрузок по напряжению:

1. Возникающие в питающей сети.

2. Связанные с процессами коммутации в схеме преобра­зователя и обусловленные конечными временными парамет­рами переключения силовых ключей.

3. Обусловленные характером нагрузки.

Перегрузки первой группы определяются показателями качества питающей сети. Поскольку данные перенапряжения опасны для всех остальных компонентов схемы, для борьбы с ними используют внешние (например, цепочки RC) по отно­шению к конкретной схеме защитные устройства, включае­мые параллельно входу преобразователя.

Перегрузки по напряжению второй группы связаны с процессами накопления и рассасывания зарядов в ключевых элементах схемы, а также с влиянием паразитных элементов монтажа и корпуса полупроводниковых приборов. Данные перегрузки ограничиваются применением дополнительных защитных цепочек (например, RC) или снабберов, включае­мых параллельно ключу или группе приборов.

Перегрузки по напряжению третьей группы определяются, как правило, действием нагрузок со значительной индуктив­ностью, что требует дополнительных элементов (например, диодов), шунтирующих нагрузку и обеспечивающих перевод накопленной энергии с целью исключения всплесков напря­жения.

Защита от перенапряжений тиристора может осуществ­ляться с помощью включаемого параллельно ему варистора, сопротивление которого уменьшается с увеличением напря­жения.

Защита перегрузок по току

Основными видами аварий­ных токовых перегрузок являются:

1. Короткие замыкания, возникающие по следующим при­чинам:

· в силовой схеме, обусловленные повреждением како­го-либо ключа или диода;

· из-за повреждения ключа, соеди­ненного параллельно с несколькими другими приборами;

· на выходных клеммах преобразователя (так называемое «глу­хое» внешнее короткое замыкание);

· в цепи нагрузки.

2. Токовая нагрузка, связанная со сбоями в работе систе­мы управления, неидеальностью характеристик ключей, характером нагрузки (пусковой режим, перегрузка двигателя) и др.

Токовая защита тиристоров осуществляется с помощью автоматических включателей и быстродействующих предо­хранителей, включаемых последовательно с тиристорами. Первые служат для защиты от длительных перегрузок, а вто­рые — от кратковременных. Время срабатывания защитной аппаратуры должно соответствовать характеристикам защи­щаемого полупроводникового прибора. Значение предо­хранителя должно быть не больше, чем соответствующее паспортное значение интеграла предельного тока ключа в режиме перегрузки.

Автоматические выключатели или предохранители должны обеспечивать разрыв цепи до выхода из строя тиристора, причем автоматический выключатель, как правило, отключает схему целиком, а предохранители могут быть установлены для каждого прибора индивидуально.

Следует отметить, что быстродействие данных устройств составляет единицы, а то и десятки миллисекунд, что для со­временных полностью управляемых ключей (например, IGBT) является недостаточным. Методы быстродействующей защи­ты микросекундного диапазона действия основываются на электронных схемах. Частично эти функции возлагают на драйверы современных силовых ключей.