المعرفة الباردة لأشباه الموصلات الكهربائية 2: الخسارة أثناء ماس كهربائى IGBT

“IGBTإنه يستخدم بشكل أساسي لمحرك المحرك وأنواع مختلفة من المحولات. تعد مقاومة ماس كهربائى لـ IGBT أحد الضمانات للتشغيل الموثوق به وسلامة النظام.يمكن تحقيق حماية الدائرة القصيرة عن طريق مقاومات التحويل في سلسلة في الكشف عن الحلقة أو عدم التشبع.

“

المؤلف: Chen Ziying

ماس كهربائى ليس فظيعا

تُستخدم IGBTs بشكل أساسي في محركات المحركات وأنواع مختلفة من المحولات. تعد مقاومة ماس كهربائى لـ IGBTs أحد الضمانات للتشغيل الموثوق به وسلامة النظام.يمكن تحقيق حماية الدائرة القصيرة بواسطة مقاومات التحويل في سلسلة في الحلقة أو كشف التشبع.

يُسمح لـ IGBT بأن تكون دائرة قصر. لديها مثل هذه الثقة. تصف ورقة بيانات EconoDUAL ™ 3 FF600R12ME4 600A 1200V IGBT4 قدرة الدائرة القصيرة. عندما لا يتجاوز جهد القيادة 15 فولت ، تكون القيمة النموذجية لتيار ماس كهربائى 2400A طالما تم إيقاف تشغيله بنجاح في غضون 10 أوس ، فإن تيار الدائرة القصيرة مكسور ، ولن يتضرر الجهاز.

تشتري قدرة تحمل ماس كهربائى لـ IGBT وقتًا لحماية ماس كهربائى ، ويمكن لدائرة حماية محرك الأقراص إيقاف تيار الدائرة القصيرة بهدوء وأمان.

قدرة ماس كهربائى ليست مجانية

قدرة الدائرة القصيرة للجهاز ليست مجانية ، والتكلفة هي فقدان الجهاز. يمكن وصف قدرة الدائرة القصيرة من خلال وقت تحمل الدائرة القصيرة. قد تتطلب زيادة وقت تحمل الدائرة القصيرة التضحية بانخفاض جهد التشبع ، والذي يرتبط بدوره بفقد إيقاف التشغيل. لأن انخفاض جهد التشبع مرتفع ، من الضروري أحيانًا التضحية بخسارة إيقاف التشغيل لتقليلها.

تتمثل إحدى الطرق في توسيع قناة MOS في IGBT وزيادة نسبة العرض إلى الطول W / L لقناة MOS ، والتي يمكن أن تقلل من انخفاض جهد التشبع أثناء التشغيل ، ولكن هذا سيزيد من تيار الدائرة القصيرة و تقصير وقت تحمل ماس كهربائى.

بناءً على هذه الآلية ، تعمل تقنية IGBT على تطوير:

في بعض التطبيقات ، لا توجد دائرة قصر بالجهاز ، مثل دوائر التعزيز ، وما إلى ذلك ، في هذه الحالة ، يمكن استخدام الأجهزة التي لا تضمن وقت تحمل ماس كهربائى ، مثل سلسلة Infineon TRENCHSTOP ™ 5 ، التي لا تدعم ظروف ماس كهربائى ، ولكن يمكن أن تدعم خسائر التوصيل المنخفضة للغاية أو ترددات التحويل العالية للغاية.

بفضل التقدم في تكنولوجيا التطبيق وتحسين دوائر حماية محرك الأقراص ، أصبح الوقت المطلوب للنظام لتحديد دائرة كهربائية قصيرة وإيقاف تشغيل IGBT أقصر وأقصر ، مما يسمح لنا بتصميم IGBT بوقت ماس ​​كهربائى أقصر .على سبيل المثال ، وقت الدارة القصيرة IGBT7 من Infineon هو 6us @ 175oC ، وشريحة EDT2 هي[email protected] ، استبدل أداء الخسارة المنخفضة للرقاقة بوقت تحمل ماس كهربائى.

ارتفاع التيار ليس بالضرورة ماس كهربائى

في بعض التطبيقات التي تمت مناقشتها أعلاه ، لن يكون الجهاز قصير الدائرة ، لكن إخراج النظام لن يكون قصير الدائرة. ستولد دائرة قصر خرج النظام تيارًا كبيرًا على الجهاز. يجب مراعاة الحماية المناسبة من الحمل الزائد في التصميم للتحكم في تيار الاغلاق للجهاز في الاتجاه العكسي.في منطقة التشغيل الآمنة ، يكون بشكل عام ضعف التيار الاسمي لوحدات IGBT.

التيار العالي ليس بالضرورة ماس كهربائى.لتوضيح هذه المشكلة ، نحتاج إلى تحليل خصائص الخرج IGBT Ic = f (Vce). توضح الصورة خصائص الإخراج لـ FF900R12ME7_B11،900A 1200V IGBT7 ، والتي تعطي ضعف الاسمي التيار داخل ، الجهد بين المجمع والباعث عند القيادة عند الفولتية بوابة مختلفة. الحد الأقصى للتيار في المخطط هو 1800 أمبير ، وهي القيمة الحالية المضمونة لإيقاف التشغيل لوحدة 900A IGBT.

من أجل مناقشة المشكلة ، قمت بتوسيع خاصية الإخراج Ic = f (Vce) ، وقم بتوسيعها إلى 9 أضعاف التيار الاسمي ، و 7-8 مرات انخفاض جهد التشبع ، بحيث تكون ظروف التيار العالي المختلفة IGBT المراد شرحها على الشكل.

1. حالة العمل العادية – منطقة سلامة العمل العكسية RBSOA:

الجزء الأخضر في الشكل هو جزء صغير من المنطقة الآمنة للتشغيل العكسي RBSOA. في هذه المنطقة ، طالما أن درجة حرارة تقاطع التشغيل القصوى لا تتجاوز درجة حرارة تقاطع التشغيل القصوى ، يمكن إيقاف التيار بشكل موثوق في كل دورة يتم توفيره في حالة مشبعة.أثناء عملية إيقاف التشغيل ، يرتفع الجهد Vce ، ولكن لا يمكن أن يتجاوز قيمة الجهد الصمود للجهاز.

2. منطقة ماس كهربائى

الإطار الأخضر هو منطقة دائرة قصر بجهد البوابة 13-15 فولت ، ويمكن قراءتها في الشكل عند Vge = 15V. يقتصر تيار الدائرة القصيرة تلقائيًا على 5 أضعاف التيار الاسمي بواسطة الجهاز. في هذا الوقت يخرج الجهاز من التشبع ويكون الجهد الكهربي سريعًا ، وعندما يرتفع تكتشف دائرة القيادة أن انخفاض جهد تشبع Vce يرتفع عدة مرات ، ويمكن إجراء حماية ماس كهربائى ، ويكون الجهاز آمنًا.

3. ديراتينج منطقة ماس كهربائى

خلال دائرة كهربائية قصيرة ، بسبب dv / dt للمجمع ، سيتم إحداث جهد صغير عند البوابة عبر CGC ، مما سيرفع الجهد Vge. في هذا الوقت ، يدخل IGBT منطقة دائرة قصر التسوية ، القصير يزداد تيار الدائرة ، ويتم تقصير وقت تحمل الدائرة القصيرة.

4. منطقة التبديل حظر

يتجاوز تيار الجهاز ضعف التيار الاسمي ، لكن الجهاز لا يخرج من التشبع. في هذا الوقت يكون الجهد على الجهاز أقل من الجهد الكهربائي للدائرة القصيرة.يبدو أن الجهاز أكثر راحة من ماس كهربائى ، ولكن لا ، غير مسموح بإيقاف التشغيل في هذا الوقت الجهاز خارج التشبع للسماح بإيقاف تشغيل IGBT.

نطاق العمل عالي التيار هو المنطقة الخضراء. ومثال منطقة الدائرة القصيرة هو الجزء المؤطر بمربعات حمراء وخضراء. في هذا الوقت ، التيار كبير ، والجهاز قد خرج من منطقة التشبع ، والخزنة تم عكس المنطقة. لا يمكن للتيار أن يتجاوز القيمة المحددة لـ RBSOA ، ويتم إيقاف تشغيله. في البداية ، يكون الجهاز في حالة تشبع ، وهما منطقتان من الانقطاع.

مرجع شرح المبدأ: كيفية فهم ظاهرة عدم التشبع لـ IGBT ومنطقة العمل الآمنة

ارتفاع التيار وقصر الدائرة أيهما أفظع؟

لتوضيح المشكلة ، نقوم بعمل مشكلة حسابية:

تيار عالي

امنح IGBT حملاً استقرائيًا ، يرتفع التيار الحثي الأحمر خطيًا من الصفر ، ويصل إلى ضعف التيار الاسمي IGBT خلال 100 مللي ثانية ، والأزرق هو جهد تشبع IGBT ، Vce = V0 + Ic * r ، الجهد على الأساس الارتفاع الجنسي.

دائرة مقصورة

يتم توصيل IGBT بحافلة 900V DC. في الحالة الأولية قبل الدائرة القصيرة ، يكون التيار قريبًا من ضعف التيار الاسمي. في هذا الوقت ، تحدث دائرة كهربائية قصيرة ، والتيار يرتفع بسرعة إلى 6 أضعاف التيار الاسمي تم إغلاق دائرة الكشف عن الدارة القصيرة بنجاح عند 10 us. عند إيقاف تشغيل IGBT ، يكون جهد الناقل قبل إيقاف التشغيل 900V. في غضون 10us ، تكون طاقة الدائرة القصيرة 6 أضعاف التيار الاسمي مضروبًا في 900V. إذا كان 600A 1200V هو كمثال ، الطاقة اللحظية للدائرة القصيرة هي 3.24 ميجاوات !!!

اهدأ وانظر إلى نتيجة التكامل. فقدان الطاقة لـ IGBT خلال 100 مللي ثانية هو 0.3Ws * In / A ، بينما طاقة ماس كهربائى في 10us هي 0.054Ws * In / A. في هذا المثال ، تكون الخسارة في ماس كهربائى 18٪ فقط من حالة الحث IGBT 100ms. ومع ذلك ، نظرًا للتيار والقوة اللحظية الكبيرة جدًا أثناء الدائرة القصيرة ، ستتجاوز درجة حرارة الوصلة بدرجة كبيرة درجة حرارة تقاطع العمل المسموح بها للرقاقة ، كما أن الضغط الميكانيكي على الاتصال المادي للجهاز كبير جدًا ، وهو أمر شديد ظرف العمل. مقالة مرجعية: المعرفة الباردة لأشباه الموصلات الكهربائية: درجة حرارة وأوقات تقاطع ماس كهربائى IGBT.

ختاماً

طالما تم تصميم دائرة حماية الدائرة القصيرة لـ IGBT ونظام الحماية من الحمل الزائد بشكل معقول ، فإن الدائرة القصيرة لا ترتجف باليد.