Как снизить потери при включении силового ключа: простая схема управления скоростью нарастания

6 апреля

управление питаниемуправление двигателемответственные примененияInfineonстатьяинтегральные микросхемы

Вольфганг Франк (Infineon)

Снижение потерь на переключения в силовых электронных системах, например, в приводах, зачастую противоречит требованиям ЭМС и ограничивается таким параметром как скорость нарастания напряжения. Обычное компромиссное решение – выбор оптимального сопротивления в цепи затвора силового транзистора. К сожалению, в процессе работы изменить сопротивление нельзя. Простой способ решения, предлагаемый Infineon – параллельное использование двух традиционных драйверов.

Выбор оптимального резистора в цепи затвора подразумевает решение сразу двух противоречащих друг другу задач. Во-первых, резистор в цепи затвора должен обеспечить максимально быстрое переключение силового транзистора, а для этого сопротивление в цепи затвора должно быть минимальным. Это автоматически приводит к снижению потерь на переключение и, следовательно, к снижению общего уровня потерь. Во-вторых, увеличивая номинал резистора затвора, можно уменьшить скорость переключения, например, dvCE/dt или diC/dt. В таком случае при коммутациях будет меньше колебаний, вызванных паразитными индуктивностями и емкостями. В результате при выборе резистора в цепи затвора необходимо найти некоторое компромиссное значение сопротивления. Однако даже такое решение оказывается оптимальным только для нормального режима работы. При большой или малой нагрузке может потребоваться замедлить процесс коммутации.

Работа с малой нагрузкой является обычным явлением для приводов. Переключение тока от диода, который по сравнению с IGBT обеспечивает относительно небольшой прямой ток, может привести к сильным колебаниям, если противоположный IGBT включится слишком быстро. Эти колебания сильно уменьшаются или исчезают, если прямой ток оказывается больше чем 25% от номинального тока [1].

Предлагаемое решение

Типовая схема управления силовым транзистором изображена на рисунке 1. В такой схеме интегральный драйвер поочередно выступает источником и приемником тока, протекающего в цепи затвора. При этом величина тока определяется сопротивлением резисторов затвора. Ток iOUT+ заряжает емкость затвора силового транзистора, а ток iOUT- – разряжает.

Рис. 1. В типовой схеме используется один драйвер

Рис. 1. В типовой схеме используется один драйвер

Существуют более сложные схемы управления силовыми транзисторами [1] и силовыми модулями (IPM) [2]. В настоящей статье рассматривается схема управления, состоящая из двух традиционных интегральных драйверов.

Предлагаемая схема изображена на рисунке 2. Она позволяет управлять током в цепи затвора при включении силового транзистора. Два драйвера 1EDI60I12AF включены параллельно. Они работают с традиционным ШИМ-сигналом, подаваемым на вход IN+. Вывод IN- драйвера IC2 используется в качестве входа разрешения (/EN) для активации дополнительного выхода iOUT+. Этот сигнал может формироваться схемой управления или поступать от датчиков, например, от датчика температуры или тока. Активация выхода OUT+ драйвера IC2 позволяет увеличить ток затвора на величину iOUT+2 в процессе включения силового транзистора.

Рис. 2. Управление скоростью нарастания за счет использования двух драйверов

Рис. 2. Управление скоростью нарастания за счет использования двух драйверов

В данной схеме для отключения транзистора используется только драйвер IC1. Драйвер IC2 не используется для отключения, так как возможна ситуация, при которой IC1 является источником, а IC2 — приемником тока. Это может привести к чрезмерному рассеянию мощности в микросхемах или в соответствующих резисторах затвора.

Синхронизация токов драйверов и тока затвора ig(t) показана на рисунке 3. При низкой нагрузке ток затвора обеспечивается только IC1, как показано в верхней части рисунка 3. В этом режиме эффективность включения определяется требованиями конкретного приложения с учетом необходимого значения dvCE/dt [3]. Переключение между режимами большой и малой нагрузки выполняется с помощью управляющего сигнала, подаваемого на вход IN- драйвера IC2, как показано на рисунке 2. Этот сигнал активирует выход IC2, что приводит к более быстрому включению. Сопротивление дополнительного резистора на выходе OUT+ микросхемы IC2 выбирается, исходя из требований конкретного приложения.

Рис. 3. Синхронизация токов IC1 и IC2 в предложенной схеме

Рис. 3. Синхронизация токов IC1 и IC2 в предложенной схеме

Оценка результатов испытаний

На рисунке 4 показаны результаты испытаний, в ходе которых были определены значения энергии включения Eon и скорость переключения dvCE/dt при различных сопротивлениях резисторов затвора и различных токах коллектора. Результаты испытаний предлагаемой схемы на этих графиках показаны пунктирной линией.

Рис. 4. Зависимость dvCE/dt (а) и энергии переключений Eon (б) от резистора затвора и тока коллектора. Результаты испытаний показаны пунктиром

Рис. 4. Зависимость dvCE/dt (а) и энергии переключений Eon (б) от резистора затвора и тока коллектора. Результаты испытаний показаны пунктиром

При испытаниях использовались резисторы затвора с диапазоном номиналов 10…47 Ом и токи коллектора 10…100% от номинального тока. Скорость нарастания dvCE/dt определялась по изменению напряжения 90%/10%. В качестве силового транзистора выступал IGBT 40 А, 1200 В IKW40N120T2 производства Infineon.

Скорость изменения dvCE/dt равномерно нарастает при увеличении тока коллектора. Единственным исключением является график для случая Rg = 10 Ом при IC = 10 А. Здесь наблюдается погрешность измерения, вызванная падением напряжения на паразитной индуктивности самой измерительной системы, которая, в свою очередь, ошибочно запускает автоматическое измерение dvCE/dt. Та же особенность относится и к графику предлагаемой схемы, который показан красной пунктирной линией. В ходе испытаний предлагаемой схемы использовались драйверы с затворными резисторами Rg1 = 18 Ом и Rg2 = 47 Ом. Предложенная схема использует затворный резистор Rg1 в области малых токов, именно поэтому традиционная схема с Rg = 20 Ом (график зеленого цвета) демонстрирует аналогичные результаты и более низкое значение dvCE/dt. Переключение на режим параллельной работы двух драйверов может происходить в области 50% от номинального тока (IC = 20 А).

График энергии включения показан на рисунке 4б. При использовании предлагаемой схемы Eon уменьшается с 4,8 мДж до 3,6 мДж при номинальном токе (IC = 40 A). Это примерно на 25% ниже, чем у традиционной схемы с одним драйвером.

Заключение

Использование двух драйверов для управления силовым транзистором является простым способом повышения эффективности, поскольку резисторы затворов можно выбирать независимо друг от друга. Драйверы могут использоваться для увеличения как втекающего, так и вытекающего тока. Кроме того, применение таких интегральных драйверов как 1EDI60I12AF производства Infineon позволяет снизить затраты на проектирование по сравнению с дискретными решениями с тем же функционалом. При использовании данной схемы сокращение энергии включения Eon на 25% возможно без каких-либо особых правил проектирования. Предложенная схема выгодно отличается от других альтернативных решений.

Литература

  1. W. Frank. Real-time adjustable gate current control IC solves dv/ dt problems in electric drives, Proc. PCIM 2014.
  2. Mitsubishi. System Benefits of Using G1 Series Intelligent Power Modules (IPM), Bodo´s Power Magazine, Edition 3, Germany, 2017.
  3. Gambica Association. Motor Insulation Voltage Stresses Under PWM Inverter Operation, Technical report No.1, third edition, UK, 2006. 

Оригинал

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
1EDI60I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI60N12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI60H12AHXUMA1 (INFIN)
1EDI60I12AHXUMA1 (INFIN)
1EDI05I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI05I12AHXUMA1 (INFIN)
1EDI10I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDI10I12MHXUMA1 (INFIN)
1EDI20H12AHXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12AHXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12MHXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12SVXUMA1 (INFIN)
1EDI20N12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI30I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDI30I12MHXUMA1 (INFIN)
1EDI30J12CPXUMA1 (INFIN)
1EDI40I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI40I12AHXUMA1 (INFIN)