Cortocircuito de IGBT en el sistema y su protección

resumen

Este documento discute brevemente varios métodos comúnmente utilizados para la protección contra cortocircuitos de IGBT en sistemas de baja tensión de pequeña y mediana potencia, y principalmente introduce la forma de utilizar la detección de Vce. Se explica brevemente el principio de funcionamiento de la protección contra cortocircuitos y la racionalidad del diseño del circuito de protección.

Introducción del esquema de protección contra cortocircuitos

En el diseño común de protección contra cortocircuitos, el muestreo de corriente tiene principalmente tres formas, respectivamente: detección de resistencia de derivación N-BUS (cero

detección de línea), detección Hall de salida, detección de voltaje Vce.

gráfico 1

La señal de voltaje se utiliza conectando una pequeña resistencia para determinar el cortocircuito en el circuito del bus. Esta forma tiene una alta precisión y sensibilidad, y puede proteger el cortocircuito a tierra, la desventaja es que solo es adecuada para máquinas de pequeña potencia, la alta corriente a la resistencia requiere una potencia demasiado alta.

A medida que el tiempo de respuesta de Hall continúa mejorando, no solo tiene la función de convertir el tamaño de la corriente, sino que también protege la corriente de cortocircuito a través del circuito de hardware. Debido a los problemas de tiempo de respuesta de la detección de Hall, la fiabilidad fue relativamente menor que los otros dos métodos. El sensor Hall no está disponible porque está instalado en el extremo de salida

El método protege el tubo superior e inferior a través.

La protección fotocoplada del IGBT se logra mediante la detección del voltaje C-E, y de acuerdo con la relación entre V ce e Ic, cuando Ic aumenta rápidamente, Vce sigue. Cuando el valor de Vce sube al voltaje de punto de protección, el acoplamiento óptico se apagará automáticamente y enviará la señal de error al DSP, todo el proceso generalmente dura entre 5 y 10 μs. Debido a que esta protección es muy altamente sensible y tiene poca precisión, solo es adecuada para la protección contra cortocircuitos. La Figura 2 muestra el diagrama de Vce e Ic de GD200HFL120C2S. Con el aumento de Vce, el aumento de IC también está aumentando. El Ic a + 7V en realidad supera con creces la corriente de cortocircuito del módulo. Al realizar la prueba dinámica de cortocircuito, L, Vg, tr, tf y otros parámetros tienen un control estricto 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 aumentará debido a las características del interruptor, la carga del circuito y las interferencias.

Protección común contra cortocircuitos para impulsar el acoplamiento óptico

(I) PC929

PC929 es un acoplamiento óptico de accionamiento común en la industria del inversor, con función de protección contra cortocircuitos (PC923 sin protección). Debido a que su corriente pico de salida es solo de 0.4A, se necesita amplificar en la parte trasera para impulsar IGBT de alta potencia. La cantidad de corriente del módulo que el P C 929 puede impulsar depende de la elección del tubo. Siempre y cuando el PC929 pueda impulsar el tubo y el tubo pueda impulsar el IGBT, entonces se puede lograr.

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

1. Cuando el IGBT se apaga, el voltaje C de 9 pies se reduce a cero.

2. Cuando el IGBT se enciende, Vcc carga el Cp a través de Rc, con el voltaje de carga que excede los +7V, y la transmisión O2

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

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

Muchas personas reflexionan que P C 929 es propenso a la mala acción, pero el mecanismo de la mala acción no está muy claro. Algunas personas piensan que el tiempo de protección es demasiado corto, mientras que otros piensan que la caída de presión del IGBT es demasiado grande. Entonces, discutamos la razón por la que P C 929 tiene una mala acción, lo cual es muy importante para el diseño del circuito de protección del IGBT.

En teoría, cuanto mayor sea el Vce (sat), más rápido alcanzará el IGBT el voltaje de protección + 7V en la zona lineal, lo cual es correcto, pero no es la causa de la mala acción. El valor de Ic correspondiente a la caída de presión de saturación de + 7V es mucho mayor que la caída de presión de saturación de la corriente de sobrecarga máxima, mientras que la caída de presión del chip general es solo inferior a 1V, y esta brecha no causará mala acción en el estado no de cortocircuito.

Cuando el IGBT se abre normalmente, la razón principal del error de protección errónea es el tiempo en que Vce cae cuando el IGBT se abre, y el tiempo de carga de Cp. Ver Figura 4.

La fuente de alimentación Vcc carga el Cp a través del Rc, con el voltaje de carga de Ucp.

Si Vce desciende a lo largo de un camino, entonces Vce ha caído por debajo de +7V antes de que Ucp alcance +7V, entonces el voltaje de 9 pies no aparece por encima de +7V.

Si Vce cae por el camino c, entonces Vce todavía está por encima de + 7V cuando Ucp alcanza + 7V, entonces la detección de voltaje de 9 pies aparecerá por encima de + 7V, saltará la protección contra cortocircuitos.

Conclusión: Para evitar la acción de error de apertura, puedes extender el tiempo de carga o aumentar un poco la velocidad de apertura.

(2) 316J

El 316J también se utiliza ampliamente para la conducción de IGBT y el acoplamiento óptico con detección de Vce. La mayor diferencia con respecto al PC929 es que el 316J es capaz de conducir directamente el módulo de 150A sin necesidad de tubos. En cuanto al mecanismo de protección, también es muy similar al PC929. Consulte la Figura 5: cuando el IGBT se apaga, DESAT (14) se conecta a tierra a través de un MOSFET de alta velocidad, el MOSFET se apaga después de que se abre el IGBT, y los pies 14 se cargan a través de una fuente de corriente interna y un capacitor, y el voltaje aumenta más de +7V y el 316J se protege. El PC929 carga el capacitor con Vcc a través de resistencia; el 316J carga directamente el capacitor a través de la fuente de corriente interna. Debido a que el capacitor se carga con una fuente de corriente constante, el tiempo de carga también se puede calcular con mayor precisión:

t=CV / I, selecciona C=100p

t =100p *7V /250u A =2.8u s

Esto significa que el Vce debe caer por debajo de + 7V en 2.8us, o se retrasará.

gráfico 6

Introducción del experimento de protección contra cortocircuitos

La protección contra cortocircuitos se puede dividir en cortocircuito alterno de acuerdo con la forma del cortocircuito, cortocircuito relativo. Pero no importa qué tipo de cortocircuito, para que haya un flujo de corriente, tiene que constituir 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. Generalmente elegimos detectar el V c e

Voltaje, porque es relativamente efectivo y confiable.

En la fase de prueba de protección contra cortocircuitos del inversor, primero hay un cortocircuito después de la operación y primero se ejecuta después del cortocircuito. La condición de cortocircuito de la primera es relativamente simple, la salida ha estado en cortocircuito, cuando llega la señal de apertura, la corriente comienza a aumentar; la condición de la última 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, ¿cuál corriente protectora es mayor? Después de realizar pruebas en el sistema, descubrimos que durante la operación, el cortocircuito puede aumentar más la corriente, porque cuando el IGBT se abre, Vg se eleva más, y la I c en la región lineal está principalmente afectada por Vg.

I r es =C r es *dv /d t

△ Vg=Ires*(Rg+Ri nt)

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

La Figura 7 muestra la forma de onda de cortocircuito medida en el probador dinámico. Encontramos que después de que I sc aumenta constantemente, está limitado por el chip en sí. La tensión de compuerta Vg no se vio muy perturbada durante todo el proceso.

La Figura 8 muestra la forma de onda de cortocircuito del módulo de 1200V / 50A 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 el inductor de carga parásita 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: IGBT apagado, Isc reducido, Vce=Vdc + di / dt * Lbus, por lo que hay sobretensión de voltaje.