Cortocircuito del IGBT en el sistema y su protección

Cortocircuito del IGBT en el sistema y su protección

resumen

Este artículo analiza brevemente varias protecciones de cortocircuito del IGBT de uso común en sistemas de baja tensión y pequeña y mediana potencia, e introduce principalmente el uso de la detección de Vce. Se explican de forma concisa el principio de funcionamiento de la protección contra cortocircuitos y la racionalidad del diseño del circuito de protección.

Introducción al esquema de protección contra cortocircuitos

En el diseño común de protección contra cortocircuitos, el muestreo de corriente se realiza principalmente de tres maneras, respectivamente: N-BUS (cero

línea) detección por resistencia shunt, detección Hall en la salida, detección de voltaje Vce.

gráfico 1

La señal de voltaje se utiliza conectando una pequeña resistencia para determinar el cortocircuito en el circuito de bus. Este método tiene alta precisión y sensibilidad, y puede proteger contra cortocircuitos a tierra; la desventaja es que solo es adecuado para máquinas de poca potencia, y la alta corriente exige demasiado a la potencia de la resistencia.

A medida que mejora el tiempo de respuesta del sensor Hall, no solo cumple la función de convertir la magnitud de la corriente, sino que también protege la corriente de cortocircuito mediante el circuito de hardware. Debido a los problemas de tiempo de respuesta de la detección Hall, su fiabilidad era relativamente menor que la de los otros dos métodos. El sensor Hall no se instala en el extremo de salida.

El método protege los transistores superior e inferior a través de.

La protección fotocoplada del IGBT se logra detectando la tensión C-E y, según la relación entre Vce e Ic, cuando Ic aumenta rápidamente, Vce lo sigue. Cuando el valor de Vce alcanza la tensión del punto de protección, el acoplamiento óptico se apaga automáticamente y envía la señal de error al DSP; todo el proceso suele durar entre 5 y 10 us. Debido a que esta protección es muy sensible y de baja precisión, solo es adecuada para la protección contra cortocircuitos. La Figura 2 muestra el diagrama de Vce e Ic del GD200HFL120C2S. Con el aumento de Vce, el incremento de Ic también aumenta. El Ic a +7 V supera con creces en la práctica la corriente de cortocircuito del módulo. Al realizar una prueba dinámica de cortocircuito, L, Vg, tr, tf y otros parámetros deben controlarse de forma estricta y estable, y la corriente generalmente se controla a 8-10 veces Ic, como se muestra en la Figura 3. Sin embargo, la prueba de cortocircuito se realiza en el sistema, y la corriente a menudo subirá más debido a las características de conmutación, la carga del circuito y las interferencias.

Protección común por acoplamiento óptico de control

(I) PC929

PC929 es un acoplamiento óptico de control de uso común en la industria de los inversores, con función de protección contra cortocircuitos (PC923 no tiene protección). Como su corriente máxima de salida es de solo 0,4 A, para accionar IGBT de alta potencia es necesario amplificarla en la etapa posterior para poder accionar el IGBT. La corriente del módulo que puede accionar el PC929 depende de la elección del transistor. Mientras el PC929 pueda excitar el transistor y el transistor pueda excitar el IGBT, se puede lograr.

La Figura 3 muestra el circuito interno de protección del PC929:

1. Cuando el IGBT se apaga, el voltaje del pin 9 cae a cero.

2. Cuando el IGBT se enciende, Vcc carga Cp a través de Rc; cuando la tensión de carga supera +7 V, se transmite O2

Con el apagado suave, FS envía al mismo tiempo la señal de error a CPU; FS se activa en nivel bajo, y la velocidad de carga de Cp está determinada por Rc y Cp.

3. Cuando el IGBT se apaga, C se descarga rápidamente, y la velocidad de descarga es mucho mayor que la velocidad de apagado del IGBT.

Muchas personas señalan que el PC929 es propenso a disparos erróneos, pero el mecanismo de estos no está muy claro. Algunos piensan que el tiempo de protección es demasiado corto, mientras que otros consideran que la caída de tensión del IGBT es demasiado grande. Analicemos entonces la razón por la que el PC929 actúa de forma errónea, lo cual es muy importante para el diseño del circuito de protección del IGBT.

En teoría, cuanto mayor es Vce(sat), más rápido alcanza el IGBT la tensión de protección de +7 V en la zona lineal, lo cual es correcto, pero no es la causa del disparo erróneo. El valor de Ic correspondiente a la caída de tensión de saturación de +7 V es mucho mayor que la caída de tensión de saturación de la corriente máxima de sobrecarga, mientras que la caída de tensión del chip general es solo inferior a 1 V, y esta diferencia no provocará disparos erróneos en estado sin cortocircuito.

Cuando el IGBT se enciende normalmente, la principal causa del error de falsa protección es el tiempo de caída de Vce cuando el IGBT se enciende y el tiempo de carga de Cp. Véase la Figura 4.

La fuente de alimentación Vcc carga Cp a través de Rc, con la tensión de carga Ucp.

Si Vce desciende por la ruta a, entonces Vce ya habrá caído por debajo de +7 V antes de que Ucp alcance +7 V, por lo que el voltaje del pin 9 no aparece por encima de +7 V.

Si Vce desciende por la ruta c, entonces Vce sigue por encima de +7 V cuando Ucp alcanza +7 V, y la detección del voltaje del pin 9 aparecerá por encima de +7 V, activando la protección contra cortocircuitos.

Conclusión: para evitar una falsa actuación al encender, se puede prolongar un poco el tiempo de carga o acelerar un poco la velocidad de encendido.

(2) 316J

El 316J también se utiliza ampliamente para el accionamiento de IGBT y el acoplamiento óptico con detección Vce. La mayor diferencia con el PC929 es que el 316J puede accionar directamente el módulo de 150 A sin necesidad de transistores. En cuanto al mecanismo de protección, también es muy similar al PC929. Véase la Figura 5: cuando el IGBT se apaga, DESAT (14) se lleva a tierra a través de un MOSFET de alta velocidad; el MOSFET se apaga después de que el IGBT se enciende, y el pin 14 se carga mediante una fuente de corriente interna y un condensador, y cuando la tensión supera +7 V, el 316J protege. El PC929 carga el condensador con Vcc a través de una resistencia; el 316J carga directamente el condensador mediante la fuente de corriente interna. Como el condensador se carga con una fuente de corriente constante, el tiempo de carga también puede calcularse con mayor precisión:

t=CV / I, seleccione C=100p

t =100p *7V /250u A =2,8u s

Esto significa que Vce debe caer por debajo de +7 V en 2,8 us; de lo contrario, se retrasará.

Gráfico 6

Introducción al experimento de protección contra cortocircuitos

La protección contra cortocircuitos puede dividirse, según la forma del cortocircuito, en cortocircuito alterno y cortocircuito relativo. Pero, sea cual sea el tipo de cortocircuito, para que haya circulación de corriente debe formarse un circuito, por lo que, en el diseño de la protección contra cortocircuitos, se puede detectar en cualquier posición del circuito; por supuesto, el efecto no es el mismo. Por lo general, elegimos detectar la tensión Vce

porque es relativamente eficaz y fiable.

En la prueba de protección contra cortocircuitos de fase en la industria de los inversores, existen el cortocircuito primero y luego la puesta en marcha, y la puesta en marcha primero y luego el cortocircuito. La condición de cortocircuito de la primera es relativamente simple: la salida ya está en cortocircuito; cuando llega la señal de encendido, la corriente comienza a aumentar. La condición de la segunda es más compleja: cuando el sistema ha estado funcionando, la posición del cortocircuito puede estar en cualquier punto del ciclo de trabajo, por lo que la forma de onda de cada cortocircuito también es muy diferente. Entonces, ¿qué corriente de protección es mayor? Tras las pruebas en el sistema, encontramos que, durante la operación, la corriente de cortocircuito puede alcanzar un valor más alto, porque cuando el IGBT se abre bajo cortocircuito, Vg aumenta más, y Ic en la región lineal se ve afectada principalmente por Vg.

Ires = Cres *dv /dt

△Vg = Ires*(Rg+Rint)

I c =K (V g -V t h )2

La Figura 7 muestra la forma de onda de cortocircuito medida en el banco de pruebas dinámico. Observamos que, después de que I sc aumenta de forma constante, queda limitado por el propio chip. La tensión de puerta Vg no se vio alterada de manera significativa durante todo el proceso.

La Figura 8 muestra la forma de onda de cortocircuito del módulo de 1200 V / 50 A en el convertidor de frecuencia.

- -t 1: dv / d t afecta continuamente a V g; I sc está en aumento, la pendiente está determinada por la inductancia parásita de carga L, Isc=K (Vg-Vth) 2

- -t2: dv / dt deja de afectar a Vg, Vg disminuye e Isc disminuye con Vg.

- -t3: Vg es estable e Isc es estable.

- -t4: el IGBT se apaga, Isc se reduce, Vce=Vdc + di / dt * Lbus, por lo que se produce una sobretensión.