“تم إتلاف هذه المقالة عمدًا بواسطةIGBT/ مفتاح الطاقة MOSFET لدراسة أداء الصمود لحاجز عزل سائق البوابة.
“
تبحث هذه الورقة في أداء تحمل حواجز عزل سائق البوابة عن طريق إتلاف مفاتيح الطاقة IGBT / MOSFET عمدًا.
في التطبيقات الموثوقة عالية الأداء مثل المركبات الكهربائية / الهجينة ، يحتاج سائق حاجز العزل إلى ضمان بقاء حاجز العزل سليمًا في جميع الظروف. مع التحسين المستمر لـ Si-MOSFET / IGBT وإدخال تقنيات معالجة GaN و SiC ، تستمر كثافة الطاقة لمحولات / محولات الطاقة الحديثة في الزيادة. لذلك ، هناك حاجة لسائقين بوابة معزولة جديدة وقوية ومتكاملة للغاية. إن العزل الجلفاني لهذه المحركات صغير بما يكفي ليتم دمجه في شريحة المحرك. يمكن تحقيق هذا العزل الجلفاني من خلال دمج المحولات الدقيقة عالية الجهد أو المكثفات. 1 ، 2 ، 3 يمكن أن يؤدي عطل غير متوقع في النظام إلى تلف وانفجار مفتاح الطاقة أو حتى عاكس الطاقة بالكامل. لذلك ، من الضروري دراسة كيفية التنفيذ الآمن لوظيفة عزل محرك البوابة لمحولات عالية الكثافة للطاقة. أسوأ حالة (تم تدمير مفتاح الطاقة) يجب اختبار موثوقية حاجز العزل والتحقق منها.
مقدمة
في أسوأ الحالات ، عندما يفشل MOSFET / IGBT عالي الطاقة ، يتم تفريغ بنك مكثف العاكس من عدة آلاف من F بسرعة. يمكن أن يتسبب التيار المنطلق في تلف MOSFET / IGBT وانفجار العبوة وتفريغ البلازما في البيئة. 4 يمكن أن يتسبب جزء من التيار الداخل في دائرة محرك البوابة في حدوث حمل كهربائي زائد. 5 نظرًا لكثافة الطاقة العالية للغاية ، عند صنع شريحة المحرك ، من الضروري التأكد من إمكانية الحفاظ على العزل الكهربائي حتى في حالة فشل الشريحة نفسها.
بناء سائق بوابة حديث متكامل للغاية
يستخدم عزل مستوى الشريحة نهج المحولات الدقيقة المستوية لتوفير العزل الكهربائي. تم تصنيعها باستخدام تقنية مستوى الرقاقة وتم تكوينها وفقًا لحجم جهاز أشباه الموصلات. تحتوي قناة 1iCoupler® على دائرتين مدمجتين (ICs) ومحولات متعددة على نطاق الرقائق (الشكل 1). توفر طبقة العزل حاجز عزل يفصل بين الملفين العلوي والسفلي لكل محول (الشكل 2). يستخدم المعزل الرقمي طبقة عازلة من البوليميد بسمك لا يقل عن 20 ميكرومتر ، والتي يتم وضعها بين ملفات المحولات المستوية أثناء عملية تصنيع الرقاقة. تدمج عملية التصنيع هذه المكونات المعزولة مع أي عملية لأشباه الموصلات الويفر بتكلفة منخفضة ، مما يتيح جودة وموثوقية ممتازة. يوضح العرض المقطعي للشكل 2 عدد لفات الملفين العلوي والسفلي مفصولة بطبقة بوليميد أكثر سمكًا.
الشكل 1. تكوين رقاقة لبرنامج تشغيل نصف الجسر ADuM3223 MOSFET.
يكمل الإطار الرئيسي الاختراق داخل الحزمة العزل. عندما تتلف شريحة خرج محرك البوابة بسبب انفجار مفتاح الطاقة ، يجب أن يضمن التقسيم والتكوين الداخلي للرقاقة أن حاجز العزل لا يزال سليماً. لضمان عدم تعرض سائق البوابة للتلف ، يتم اتخاذ الإجراءات الوقائية التالية:
► ترشيد حجم الدائرة الخارجية للحد من تدفق التيار إلى شريحة سائق البوابة
تكوين الترانزستورات الناتجة على شريحة المحرك بشكل صحيح
التكوين المعقول للمحولات الدقيقة على الشريحة
الترتيب المعقول لشريحة السائق في حزمة التحكم
الشكل 2. ADuM3223: المقطع العرضي لمحول دقيق.
يُظهر تكوين الرقاقة الداخلية لبرنامج تشغيل البوابة ADuM3223 (الشكل 1) مثالاً على تكوين الرقاقة الذي يتجنب حالات فشل العزل الجلفاني أثناء الأحمال الزائدة الكهربائية الشديدة.
اختبار مدمر لمحاكاة أسوأ سيناريوهات فشل العاكس
قم ببناء دائرة اختبار بمستويين من الجهد 385 فولت و 750 فولت لمحاكاة وضع محول طاقة حقيقي. مستوى الجهد 385 فولت شائع جدًا في الأنظمة التي يحتاج فيها تصحيح عامل القدرة إلى تنفيذ شبكة تيار متردد بجهد 110 فولت / 230 فولت. في تطبيقات القيادة التي تستخدم المفاتيح المصنفة بجهد انهيار 1200 فولت ، يكون مستوى الجهد 750 فولت شائعًا جدًا لمحولات الطاقة العالية المستخدمة.
في اختبار مدمر ، يتم تشغيل ساق العاكس المكونة من مفتاح طاقة ومحرك مناسب حتى فشل المفتاح. يتم تسجيل شكل الموجة أثناء عملية التدمير لتحديد المستوى المتدفق في شريحة سائق البوابة. تم التحقيق في العديد من التدابير الوقائية من أجل الحد من تدفق تيار الانهيار إلى دائرة سائق البوابة. تم استخدام العديد من IGBTs و MOSFETs في الاختبارات المدمرة.
اختبار الدائرة للسيطرة على درجة الضرر من MOSFET / IGBT
من أجل تنفيذ اختبار الحمل الزائد الكهربائي لسائق IGBT / MOSFET (اختبار EOS) ، تم إنشاء دائرة قريبة جدًا من الوضع الحقيقي. تحتوي هذه الدائرة على مكثفات ومقاومات للعاكسات في نطاق قدرة 5 كيلو واط إلى 20 كيلو واط. المقاومات الشبكية المحورية Rg هي مقاومات معدنية بمعدل قدرة 2 وات. يتم استخدام الصمام الثنائي D1 لمنع التيار العكسي من دائرة الجهد العالي إلى مصدر الطاقة الخارجي. يعكس هذا أيضًا الوضع الحقيقي ، حيث يشتمل مصدر الطاقة العائم على مقوم واحد على الأقل (أي دائرة تمهيد التشغيل). يشحن مزود الطاقة عالي الجهد (HV) كتلة مكثف الإلكتروليت من خلال دائرة بما في ذلك مقاوم الشحن Rch ومفتاح S1.
عند تنفيذ اختبار EOS ، يتم استخدام إشارة تشغيل 500µs للتحكم في الإدخال عبر VIA أو VIB. يتم إرسال إشارة التشغيل من خلال العزل الجزئي ، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي وتدمير ترانزستور الطاقة T1. في بعض الحالات ، تحدث انفجارات حزمة الترانزستور.
يتم استخدام ما مجموعه أربعة مفاتيح طاقة (مستويان من الجهد) لمحاكاة تلف العاكس. تم إجراء الاختبارات الأولى التي تم إجراؤها لنوع مفتاح معين بدون دائرة تحديد الطاقة وباستخدامها. للحد من تدفق التيار إلى دائرة السائق أثناء مرحلة التلف ، تحتوي بعض الاختبارات على الصمام الثنائي Zener Dz (BZ16 ، 1.3 W) الذي تم تكوينه مباشرة عند أطراف خرج السائق. بالإضافة إلى ذلك ، تم فحص قيم مختلفة لمقاومة البوابة.
الشكل 3. تخطيط دائرة EOS لـ ADuM4223 يستخدم لقياس تأثير تلف مفتاح الطاقة على أداء مقاومة العزل.
الشكل 4. تخطيط دائرة EOS لـ ADuM4223 المستخدم لتحديد حد قدرة تحمل العزل.
5. أسوأ حالة (عندما تتعرض شرائح الإدخال والإخراج مباشرة للتيار) دائرة EOS من ADuM4223.
لا توجد دائرة تشغيل بوابة حد طاقة تالفة مباشرة دائرة الاختبار
تم إجراء تجربة أخرى في أسوأ الحالات ، حيث تعرضت شرائح المدخلات والمخرجات لسائق البوابة مباشرة للطاقة المدمرة. في هذا الاختبار المدمر ، تم توصيل مكثف سائب مشحون بالكامل مباشرة بدبوس إخراج محرك البوابة (الشكل 4). يوضح الاختبار أسوأ حالة زيادة محتملة لاختبار تحمل وظيفة العزل. يتدفق التيار مباشرة إلى دائرة السائق ، ومقاوم البوابة هو الجهاز الوحيد الذي يحد من الطاقة. يقرن Relay S2 الجهد العالي بدائرة خرج محرك البوابة.
يوضح الشكل 5 اختبار الحالة الأسوأ حيث لم يتم استخدام أي جهاز للحد من تدفق التيار إلى شرائح الإدخال والإخراج. يتم تطبيق الجهد العالي 750 فولت مباشرة على شريحة الإخراج من خلال المفتاح S1 ، أي أسوأ حالة تحدث عندما يتم تطبيق الجهد المتوسط والعالي 750 فولت مباشرة على شريحة السائق بدون مقاومة بوابة الحد الحالي.
السيناريو الأسوأ المحتمل الآخر هو تطبيق جهد إمداد زائد على شريحة التحكم الجانبية الأساسية للسائق. الجهد الأقصى الموصى به لإمداد الدخل هو 5.5 فولت. إذا فقد محول DC-DC الذي ينتج جهد الدخل التنظيم ، سيزداد جهد الخرج. عندما يكون خارج التنظيم ، يمكن زيادة جهد الخرج للمحول بمقدار 2 إلى 3 مرات من محول DC-DC المتطور. شريحة الإدخال ADuM4223 محدودة في الطاقة ، والأجهزة الأخرى مثل المقاومات ومفاتيح الطاقة والمحاثات وما إلى ذلك موجودة في أماكنها كالمعتاد. تمنع هذه الأجهزة تدفق التيار إلى شريحة التحكم. لمحاكاة فشل محول DC-DC بشكل واقعي ، تم اختيار جهد إمداد يبلغ 15 فولت ، 1.5 أمبير حد التيار.
نتائج تجريبية
يعرض الجدول 1 نتائج اختبار الحمل الزائد الذي تم إجراؤه باستخدام الدوائر في الشكل 3 والشكل 4 والشكل 5. لتحديد تأثير دائرة الحماية ، تم إجراء اختبارين لكل نوع مفتاح طاقة MOSFET / IGBT. في أسوأ الحالات اختبارات 9 و 10 و 11 ، تم استخدام مفاتيح ميكانيكية S1 و S2.
الجدول 1. الاختبارات المدمرة لمفاتيح الطاقة المختلفة وظروف التلف المختلفة
الشكل 6. الشكل الموجي الناتج عن SPW2460C3 التالف ؛ لم يتم العثور على أي ضرر للسائق.
الشكل 7. الشكل الموجي الناتج عن تلف 2xFDP5N50 (متوازي) ؛ فشل سائق البوابة.
بشكل عام ، يمكن أن يساعد الصمام الثنائي Zener في حماية دائرة القيادة ، كما هو موضح في الجدول (قارن الاختبار 1 والاختبار 2). ولكن عندما تكون قيمة مقاومة البوابة صغيرة جدًا ، لا يزال من الممكن أن يتضرر السائق على الرغم من استخدام الثنائيات Zener (قارن التجربة 3 والتجربة 4).
بمقارنة الاختبارين 2 و 3 ، والاختبارين 3 و 4 ، يمكن تقدير التيار الذي يتلف محرك الأقراص. يمكن استخلاص نتيجة مثيرة للاهتمام للغاية من التجربتين 5 و 6: يبدو أن وحدات MOSFET ذات الوصلة الفائقة تقلل بشكل كبير من مستوى الطاقة المتدفق إلى محرك البوابة مقارنة بـ IGBTs من نفس فئة الطاقة. كان الغرض من الاختبارات 9 و 10 و 11 (تيار غير محدود في شرائح التحكم والسائق) هو دراسة أسوأ حالة لعزل الحاجز.
سلوك تدمير مختلف لـ MOSFET و IGBT
تُظهر الاختبارات المدمرة أشكالًا موجية مختلفة عند تلف مفتاح الطاقة. يوضح الشكل 6 الشكل الموجي لوصل MOSFET الفائق. الفاصل الزمني بين تشغيل الدائرة وتلف الشريحة هو حوالي 100 ثانية. فقط كمية محدودة للغاية من التيار تتدفق إلى شريحة المحرك ، والتي تخضع لظروف التحميل الزائد. في ظل نفس ظروف الاختبار ، كان تيار البوابة والجهد الزائد الذي طورته MOSFET القياسي أعلى بكثير ، مما أدى إلى تلف السائق ، كما هو موضح في الشكل 7.
تحليل تلف رقاقة
تحتوي بعض حزم برنامج تشغيل البوابة على تلف مماثل للرقاقة لمفاتيح مختلفة وظروف اختبار مختلفة. يوضح الشكل 8 تلف مرحلة محرك الإخراج المستند إلى P-MOSFET في التجربة 8 (الجدول 1). أسفرت الاختبارات بجهد كبير 750 فولت عن انفجار IGBT وتلف أجهزة الحد الحالية Rg و DZ ؛ ومع ذلك ، شوهدت مساحة صغيرة فقط من الانصهار بالقرب من موقع رابطة الأسلاك الخاصة بالدبوس VDDA. أثناء مرحلة التلف ، يتدفق التيار الزائد للبوابة إلى مكثف 100 درجة فهرنهايت من خلال الصمام الثنائي المدمج P-MOSFET. تذوب المنطقة القريبة من السلك السلكي بسبب التيار الزائد. لم يكن هناك مزيد من الضرر لشريحة السائق ولا مزيد من أضرار العزل لشريحة التحكم. يوضح الشكل 9 المنطقة المنصهرة خلال التجربة 9 ، حيث تم تطبيق جهد عالٍ قدره 150 فولت مباشرة على شريحة المحرك. اجتاز العزل الكهربائي لرقاقة التحكم اختبار الحمل الزائد الشديد.
الشكل 8. صورة لشريحة سائق البوابة توضح موقع الضرر أثناء الاختبار 8 (ADuM4223 # 1). فقط قطعة صغيرة محترقة على سطح رقاقة الإخراج. لم يتم العثور على أي ضرر لحاجز العزل.
الشكل 9. صورة لشريحة سائق البوابة توضح موقع الضرر أثناء الاختبار 9 (ADuM4223 # 2). فشل الحمل الزائد الكهربائي الشديد في إتلاف رقاقة التحكم. لم يتم العثور على أي ضرر لحاجز العزل.
الشكل 10. صورة لشريحة سائق البوابة توضح موقع الضرر أثناء التجربة 10. الطاقة المفرطة التي يستخدمها سائق الخرج تسببت في تلف الدائرة ؛ نضوب واسع النطاق. ومع ذلك ، لم يتضرر جدار العزل.
يُظهر السيناريو الأسوأ على الجانب الأساسي جهد إمداد عالي للغاية مطبق على شريحة التحكم. لذلك ، في التجربة 11 ، تم تطبيق جهد إمداد قدره 15 فولت على دبوس VDD1 (الشكل 5) ، والذي تجاوز بدرجة كبيرة التصنيف الأقصى المطلق 7.0 فولت. تُظهر الصورة في الشكل 11 نضوبًا جزئيًا للرقاقة بالقرب من دبوس VDD1.
الشكل 11. صورة فوتوغرافية لرقاقة التحكم في الإدخال توضح موقع الضرر أثناء التجربة 11. التيار المطبق على الدائرة عند V.DD1ضرر طفيف حول الدبابيس. لم يتم العثور على أي ضرر لحاجز العزل.
ختاماً
لا يؤثر الاختبار المدمر لمفاتيح الطاقة على تحمل حاجز العزل لبرنامج تشغيل البوابة المتكامل ADuM4223 / ADuM3223. حتى في حالة تلف المحرك بسبب تدفق التيار الزائد إلى شريحة الإخراج ، فإنه يتم حرقه جزئيًا فقط. يتدفق التيار الزائد إلى مكثف مانع للتيار المستمر من خلال ترانزستور محرك P-MOS. لذلك ، فقط منطقة P-MOS تذوب.
لا يسمح تكوين الرقاقة الخاصة بـ ADuM4223 / ADuM3223 بمنطقة الاندماج بالانتشار إلى شريحة التحكم ، والتي تتضمن محول الإشارة المعزول كهربائيًا. للحد من تدفق التيار إلى خرج المحرك ، يمكن استخدام الصمام الثنائي Zener. يمكن لثنائيات زينر ، المستخدمة مع مقاومات البوابة المناسبة ، أن تعمل على حماية سائق البوابة في حالة تلف مفتاح الطاقة. يمكن تصميم مقاومات البوابة لإدارة تبديد الطاقة أثناء التشغيل العادي وعزل السائق عن مفتاح الطاقة إذا فشل. يعمل المقاوم البوابة كمصهر عندما يتم تطبيق جهد عالي مباشرة على الشريحة. تتحكم المقاومة في تلف الشريحة ، مما يجعلها في مساحة صغيرة حول مفتاح طاقة الخرج.
في أسوأ الحالات ، عندما يتم تطبيق طاقة عالية على رقاقة الإخراج ، تحدث مساحة صغيرة من التلف بالقرب من دبابيس الإخراج للسائق. لا يؤثر هذا الاختبار على أداء تحمل العزل. يحدث أسوأ ضرر للحالة الأولية حول دبابيس جهد الإمداد عندما يكون جهد الإمداد أعلى بكثير من المعدلات القصوى المطلقة. في جميع اختبارات الحمل الكهربائي الزائد ، لم يكن هناك ما يشير إلى ضعف وظيفة العزل. تحقق اختبار عزل الجهد العالي الذي تم إجراؤه لاحقًا من أداء الصمود للعزل الكهربائي الجزئي. يمكن أن يمنع هيكل الرقاقة المناسب وتكوين الرقاقة داخل حزمة برنامج التشغيل من انتشار جهد الانهيار إلى طبقة عزل الجهد العالي للمحول الدقيق.
المراجع
1 باوكسينغ تشين ، برنارد سترتالكووسكي. “برامج تشغيل البوابة المعزولة باستخدام محولات دقيقة.” ورشة عمل ECPE “إلكترونيات حول مفاتيح الطاقة.” 29 يونيو 2011.
2 أندرياس فولك ، مايكل هورنكامب ، برنارد سترزالكوفسكي. “تطبيقات IGBT / MOSFET القائمة على برنامج تشغيل المحولات عديمة النواة IC 2ED020I12-F.” وقائع PCIM 2004 ، نورمبرج ، 2004.
3 SLLA198 ، “عائلة ISO72x للعوازل الرقمية عالية السرعة.” Texas Instruments.
4 برنارد سترزالكوفسكي. “محرك IGBT عالي الأداء مع تقنية المحولات الدقيقة يوفر أداء عزل ممتاز.” وقائع PCIM2007 ، نورمبرج ، 2007.
5 برنارد سترزالكوفسكي. “توفر برامج تشغيل بوابة IGBT / MOSFET أقصى حد للطاقة لوظائف العزل.” وقائع PCIM 2014 ، 2014.
عن المؤلف
درس برنارد سترزالكوفسكي الهندسة الكهربائية في جامعة سيليسيا للتكنولوجيا في جليفيتشي ، بولندا ، وجامعة كارلسروه للتكنولوجيا ، ألمانيا. في عام 2003 ، حصل على درجة الدكتوراه في الإلكترونيات من جامعة سيليزيا للتكنولوجيا. من عام 1989 إلى عام 1996 ، عمل مهندسًا في Magneto R & D في Starnberg ، حيث قام بتطوير إلكترونيات الطاقة لمحولات الرياح والمركبات الكهربائية / الهجينة. من 1997 إلى 2008 انضم إلى شركة Siemens / Infineon في ميونيخ ، حيث اشتملت أبحاثه وتصميمه على دوائر متكاملة للتطبيقات الصناعية / السيارات. انضم إلى شركة Analog Devices في ميونيخ بألمانيا في فبراير 2009 وهو مسؤول عن إدارة الطاقة والطاقة الرقمية وتطبيقات iCoupler و iCoupler الرقمية. وهو يدعم عملاء البنية التحتية للسيارات / الاتصالات الأوروبيين وقد حصل على العديد من براءات الاختراع المتعلقة بمجال إلكترونيات الطاقة. وهو عضو في لجنتي معايير ICE و VDE واللجنة الاستشارية PCIM.