Высоковольтные TVS-диоды Littelfuse серии TPSMB обеспечат безопасную коммутацию IGBT-транзисторов

21 февраля

управление питаниемуправление двигателемуниверсальное применениеLittelfuseстатьядискретные полупроводникиIGBTTVS-диодыTPSMB

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

Высоковольтные TVS-диоды – важные компоненты для обеспечения надежной защиты IGBT в безопасном и активном режимах работы. Компания Littelfuse предлагает широкий ассортимент высоковольтных TVS-диодов TPSMB на напряжения 3,3…650 В.

Благодаря легкости управления высоким напряжением и большим током биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) широко используются в силовой электронике: инверторах, промышленных приводах, зарядных устройствах электромобилей, в системах управления двигателями и индукционными нагревателями в бытовых приборах. Сегодня производители силовых полупроводников предлагают модули IGBT с еще более высокой плотностью мощности, предел которой определяется максимальной рассеиваемой мощностью, а критериями оптимизации являются технология корпусирования и потери на сопротивление канала и переходные процессы при коммутации полупроводниковых кристаллов. Большая плотность тока модулей вместе с высокими скоростями переключения предъявляют повышенные требования к схемам управления. Технология коммутации с активным ограничением предлагает решение для надежного использования современных мощных IGBT, что особенно актуально для таких сфер как высокоскоростная железная дорога и автомобильный транспорт.

Анализ выбросов напряжения при отключении IGBT

В цепях коммутации модулей IGBT и схемах преобразователей имеются паразитные индуктивности (рисунок 1), которые невозможно полностью устранить, и их влияние на поведение системы нельзя игнорировать. Отключение IGBT вызывает выброс напряжения на его коллекторе (рисунок 2), который имеет зависимость от длительности выключения транзистора, и, следовательно, может изменяться от сопротивления затвора (Rg). Этот метод используется при работе с небольшой мощностью. Однако значение Rg должно отвечать и условиям различного вида перегрузок: отключение при удвоенном номинальном токе, коротком замыкании и временно повышенном напряжении. В случае управления большой мощностью избавление от выбросов напряжения изменением сопротивления затвора приведет к большим потерям на переходном процессе выключения транзистора, что повлечет снижение удобства использования и эффективность модулей IGBT.

Рис. 1. Паразитные индуктивности

Рис. 1. Паразитные индуктивности

Рис. 2. Выброс перенапряжения при коммутации

Рис. 2. Выброс перенапряжения при коммутации

Мягкое выключение

Проблемы, описанные выше, привели к разработке схем драйвера с двухступенчатым выключением, в котором при нормальном режиме работы низкоомный резистор затвора используется для выключения IGBT для минимизации коммутационных потерь, а высокоомный резистор используется при обнаружении короткого замыкания или скачка тока (рисунок 3) и обеспечивает условие безопасного, или мягкого отключения. Однако проблема заключается в надежном обнаружении этих условий, поскольку мониторинг десатурации (выхода из насыщения в линейный режим) всегда происходит с задержкой обнаружения неисправности, известной как время отклика, которая составляет обычно 4…10 мкс. Когда IGBT управляется импульсом длительностью менее времени отклика, то в случае короткого замыкания неисправность не обнаруживается и драйвер отключается слишком быстро, а из-за паразитной индуктивности, образованной цепями коллектора и эмиттера, возникает скачок перенапряжения, разрушающий IGBT. Кроме того, охват предельных случаев также представляет собой проблему, например, при отключении двойного номинального тока вполне может возникнуть более высокое перенапряжение, чем при отключении после короткого замыкания.

Такие схемы драйверов следует считать опасными и не рекомендовать их использование в оборудовании с большой мощностью и в системах, от которых ожидается высокая надежность.

Рис. 3. Мягкое выключение

Рис. 3. Мягкое выключение

Активное ограничение

Активное ограничение (Active Clamp) – это подавления импульсных всплесков перенапряжений при помощи элементов со свойством лавинного пробоя (супрессоров, TVS). Подобная технология обычно используется для защиты полупроводника в случае временной перегрузки, следовательно, компоненты защиты никогда не подвергаются периодическому импульсному режиму. Проблема работы в таком режиме ограничивается способностью IGBT и драйвера поглотить излишки энергии, чтобы обеспечить безопасный режим не только для всей системы в целом, но и для супрессора. Активное ограничение означает прямую обратную связь коллектора транзистора с его затвором через супрессор. На рисунке 4 показан принцип такой связи с использованием ограничивающего элемента, который, как правило, состоит TVS-диодов.

Рис. 4. Обратная связь затвора IGBT на основе супрессора

Рис. 4. Обратная связь затвора IGBT на основе супрессора

Если напряжение «коллектор-эмиттер» превышает напряжение лавинного пробоя ограничивающего элемента, то через этот элемент к затвору IGBT течет ток, и напряжение на затворе повышается. Закрытие транзистора притормаживается, что уменьшает скорость изменения тока коллектора и создает в системе стабильное состояние. Напряжение на транзисторе определяется параметрами TVS. Транзистор продолжает работу в допустимом диапазоне своих характеристик и рассеивает энергию паразитной индуктивности в тепло. Процесс ограничения продолжается до тех пор, пока энергия в паразитной индуктивности не уменьшится до значений, не приводящих к выбросу перенапряжения. На рисунке 5 отображены изменения напряжений «затвор-эмиттер» и «коллектор-эмиттер», а также изменения тока коллектора с использованием принципа активного ограничения.

Рис. 5. Устранение выброса активным ограничением

Рис. 5. Устранение выброса активным ограничением

Для обеспечения активного ограничения напряжения «коллектор-эмиттер» IGBT можно использовать один высоковольтный TVS-диод или несколько TVS-диодов с более низкими значениями напряжения, соединенных последовательно и дающих в сумме необходимое значение напряжения.

В таблице 1 показаны супрессоры серии TPSMB производства компании Littelfuse с напряжением пробоя 150…650 В. Они охватывают широкий спектр вариантов для работы с IGBT различных напряжений и мощности. В зависимости от требований защиты, в некоторых случаях 2…3 TVS-диода могут быть подключены последовательно, чтобы сформировать элемент TVS с более высоким рабочим напряжением и распределением мощности между ними, что может обеспечить лучшие характеристики зависимости тока.

Таблица 1. TVS-диоды серии TPSMB производства Littelfuse

Наименование Ток утечки, IR, мкА при 150°C Обратное напряже-ние, VR, В Напряжение пробоя, VBR, В при IT Тестовый ток, IT, мА Напряжение ограничения, макс., V, C, В при Ipp Импульсный ток, макс., Ipp, A
Однонаправленные Симметричные Мин. Макс.
TPSMB150A TPSMB150CA 8 128,0 143,0 158,0 1 207,0 2,9
TPSMB160A TPSMB160CA 8 136,0 152,0 168,0 1 219,0 2,8
TPSMB170A TPSMB170CA 8 145,0 162,0 179,0 1 234,0 2,6
TPSMB180A TPSMB180CA 8 154,0 171,0 189,0 1 246,0 2,5
TPSMB200A TPSMB200CA 8 171,0 190,0 210,0 1 274,0 2,2
TPSMB210A TPSMB210CA 8 179,6 199,5 220,5 1 288,0 2,1
TPSMB220A TPSMB220CA 8 185,0 209,0 231,0 1 328,0 1,9
TPSMB250A TPSMB250CA 8 214,0 237,0 263,0 1 344,0 1,8
TPSMB300A-A TPSMB300CA-A 8 256,0 285,0 315,0 1 414,0 1,5
TPSMB350A-A TPSMB350CA-A 8 300,0 332,0 368,0 1 482,0 1,3
TPSMB400A-A TPSMB400CA-A 8 342,0 380,0 420,0 1 548,0 1,1
TPSMB440A-A TPSMB440CA-A 8 376,0 418,0 462,0 1 602,0 1,0
TPSMB480A-A TPSMB480CA-A 8 408,0 456,0 504,0 1 658,0 0,9
TPSMB510A-A TPSMB510CA-A 8 434,0 485,0 535,0 1 698,0 0,9
TPSMB520A-A TPSMB520CA-A 8 443,0 494,5 545,5 1 718,0 0,9
TPSMB530A-A TPSMB530CA-A 8 451,0 503,5 556,5 1 725,0 0,8
TPSMB540A-A TPSMB540CA-A 8 460,0 513,0 567,0 1 740,0 0,8
TPSMB550A-A TPSMB550CA-A 8 468,0 522,5 577,5 1 760,0 0,8

TPSMB600CA-A 8 511,0 570,0 630,0 1 828,0 0,8

TPSMB650CA-A 8 553,0 617,5 682,5 1 897,0 0,8

Тестирование активного ограничения

Компания Littelfuse разработала оценочную плату (рисунки 6, 7) для испытания активного ограничения, чтобы помочь разработчикам лучше понять, как работает данный принцип. Для управления IGBT использован драйвер затвора TD352. Изначально предлагается использование модуля IGBT MG12100S-BN2MM с максимальным напряжением 1200 В и током 140 А, но также возможно применение и иных транзисторов. Посадочное место на плате соответствует корпусу TO-247. В качестве супрессора предлагается TVS-диод TPSMB600CA-A с пиковой импульсной мощностью 600 Вт и напряжением пробоя 606 В, однако на плате есть дополнительные посадочные места, что допускает комбинирование до 3 супрессоров в корпусе DO214AA (SMB). Функциональная схема платы изображена на рисунке 6.

Рис. 6. Функциональная схема оценочной платы

Рис. 6. Функциональная схема оценочной платы

Рис. 7. Внешний вид оценочной платы активного ограничения

Рис. 7. Внешний вид оценочной платы активного ограничения

Активное время ограничения t зависит от паразитной индуктивности линии цепи L и пикового тока короткого замыкания i. Оно связано с величиной перенапряжения, как показано в формуле 1:

$$V_{o}=L\times \frac{di}{dt},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где Vo – значение перенапряжения «коллектор-эмиттер».

Чем больше Vo, тем дольше работа активного ограничения из-за более длительного времени спада, а изменение Vo прямо пропорционально значениям паразитной индуктивности цепи и пиковому току короткого замыкания. Конструкция с развязкой на плате может уменьшить паразитную индуктивность, что в свою очередь уменьшит значение перенапряжения и время активного ограничения.

На рисунке 8 показана осциллограмма работы активного ограничения на оценочной плате. Анализ результатов показывает, что энергия, проходящая через TVS-диод во время ограничения перенапряжения, имеет достаточно низкий уровень и не наносит вреда TVS-диоду.

Рис. 8. Осциллограмма работы активного ограничения

Рис. 8. Осциллограмма работы активного ограничения

Время выброса или длительности импульса обычно находится на уровне микросекунд, в рассматриваемом случае оно составляет примерно 2 мкс. Ток через TVS-диод при активном ограничении небольшой, пиковое значение на осциллограмме 1,04 А, среднее значение тока импульса примерно 0,5 А. При напряжении ограничения 656 В мощность импульса составит 328 Вт (656 В × 0,5 А). На рисунке 9 показан график зависимости пиковой мощности импульса от его времени длительности для TVS-диодов серии TPSMB производства Littelfuse, при условии, что размер области медных проводников платы, рассеивающих тепло с выводов TVS-диода, равен 8х8 мм. Согласно этому графику, при длительности импульса 2 мкс пиковая импульсная мощность TVS-диода – около 10 кВт. Это означает, что TVS-диод способен выдержать кратковременный ток во время активного ограничения.

Рис. 9. Зависимость пиковой мощности TVS от длительности импульса

Рис. 9. Зависимость пиковой мощности TVS от длительности импульса

Следует иметь в виду, что модуль IGBT или транзистор управляются драйвером затвора, соответственно, различное схемотехническое решение драйвера приведет к различным результатам. Обычно значение сопротивления в цепи затвора имеет решающее значение для управления током коммутации транзистора, и более низкое сопротивление может привести к более высокому току через супрессор.

Высоковольтный TVS-диод является важным компонентом для активного ограничения всплесков перенапряжений во время выключения IGBT и помогает обеспечить надежную работу IGBT в безопасном и активном режимах. Компания Littelfuse предлагает широкий ассортимент высоковольтных диодов TVS 3,3…650 В, позволяющих разработать оптимальное решение защиты IGBT на принципе активного ограничения. 

Литература

  1. Using High Voltage TVS Diodes in IGBT Active Clamp Applications
  2. TPSMB Series – AEC-Q101 qualified SMB TVS for high voltage up to 650V/ 600W
  3. Полупроводниковая защита: обзор основных серий TVS-диодов от Littelfuse
  4. Основные параметры и аспекты применения дискретных IGBT
•••

Наши информационные каналы

О компании Littelfuse

Компания Littelfuse является ведущим мировым производителем компонентов и устройств для защиты электрических и электронных цепей любого рода. Поставляемые компанией компоненты и системы, во многих случаях являются жизненно важными для устройств в практически всех отраслях и видах продукции: от бытовой электроники и автомобилей до электроэнергетики. Littelfuse предлагает наиболее широкий и полный спектр компонентов и систем защиты цепей на рынке электронных компонентов. Компания расширяет и н ...читать далее

Товары
Наименование
TPSMB480A-A (LTL)
TPSMB510A-A (LTL)
TPSMB51CA (LTL)
TPSMB530A-A (LTL)
TPSMB54A-VR (LTL)
TPSMB56A (LTL)
TPSMB58CA (LTL)
TPSMB60A-VR (LTL)
TPSMB64A-VR (LTL)
TPSMB68CA (LTL)
TPSMB70A-VR (LTL)
TPSMB75CA (LTL)
TPSMB8.0A-VR (LTL)
TPSMB82A (LTL)
TPSMB9.0A-VR (LTL)
TPSMB90CA-VR (LTL)
TPSMB100CA (LTL)
TPSMB10CA (LTL)
TPSMB110CA (LTL)
TPSMB11CA (LTL)