Sobrecorrente IGBT em motores industriais
Proteção contra sobrecorrente IGBT
Em termos de danos à propriedade ou considerações de segurança, a proteção IGBT para condições de sobrecorrente é a chave para a confiabilidade do sistema. IGBTs não são um componente à prova de falhas. Se eles falharem, podem fazer com que o capacitor do barramento de CC exploda e cause mau funcionamento de todo o driver. A proteção contra sobrecorrente é normalmente obtida pela medição de corrente ou detecção de dessaturação. A figura 2 mostra essas dicas.
Para a medição de corrente, tanto o braço do inversor quanto a saída de fase requerem dispositivos de medição, como resistores de derivação para lidar com falhas de disparo e falhas de enrolamento do motor. O circuito de trip de execução rápida no controlador e / ou driver de gate deve desligar o IGBT a tempo para evitar que o curto-circuito suporte o tempo. O maior benefício deste método é que ele requer dois dispositivos de medição em cada braço do inversor e está equipado com todos os circuitos de condicionamento e isolamento de sinal relevantes. Isso pode ser aliviado simplesmente adicionando um resistor shunt à linha de barramento CC positiva e à linha de barramento CC negativa. No entanto, em muitos casos, existem resistores de shunt de braço na arquitetura do driver ou resistores de shunt de fase para atender ao loop de controle de corrente e fornecer proteção de sobrecorrente do motor; eles também são possíveis para proteção contra sobrecorrente de IGBT - contanto que o tempo de resposta do condicionamento de sinal seja rápido o suficiente para proteger o IGBT durante o tempo de espera de curto-circuito necessário.
A detecção de dessaturação usa o próprio IGBT como um elemento de medição de corrente. Os diodos no esquema garantem que a tensão do coletor-emissor IGBT seja monitorada apenas pelo circuito de detecção durante a ativação; durante a operação normal, a voltagem coletor-emissor é muito baixa (tipicamente 1V a 4V). No entanto, se ocorrer um evento de curto-circuito, a corrente do coletor IGBT subirá para um nível que direcione o IGBT para fora da região de saturação e para a região de operação linear. Isso faz com que a tensão do coletor-emissor aumente rapidamente. Os níveis normais de tensão descritos acima podem ser usados para indicar a presença de um curto-circuito, enquanto o nível do limiar de disparo de dessaturação é tipicamente na região de 7V a 9V. É importante ressaltar que a dessaturação também pode significar que a voltagem do gate-emissor é muito baixa e o IGBT não é totalmente direcionado para a região de saturação. Tenha cuidado ao executar a implantação da detecção de dessaturação para evitar disparos falsos. Isso pode ocorrer especialmente durante a transição do estado desligado IGBT para o estado IGBT quando o IGBT não entrou totalmente na saturação. O tempo de apagamento é geralmente entre o sinal de ativação e o tempo de ativação da detecção de dessaturação para evitar detecções falsas. Um capacitor de carregamento de fonte de corrente ou filtro RC também é tipicamente adicionado para criar uma constante de tempo curto no mecanismo de detecção para filtrar os estímulos de filtro causados pela captação de ruído. Ao selecionar esses componentes do filtro, é necessário um compromisso entre a imunidade ao ruído e o tempo de resistência a curto-circuito do IGBT.
Depois de detectar uma sobrecorrente do IGBT, um outro desafio é desligar o IGBT em um nível de corrente anormalmente alto. Em condições normais de operação, o driver de porta é projetado para desligar o IGBT o mais rápido possível para minimizar as perdas de comutação. Isto é conseguido por uma menor impedância do acionador e resistência ao acionamento do portão. Se a mesma taxa de desligamento de porta for aplicada para condições de sobrecorrente, o coletor / emissor di / dt será muito maior porque a corrente irá variar muito em um período de tempo mais curto. A indutância parasita do circuito emissor-coletor devido à indutância parasita da ligação do fio e dos traços do PCB pode causar um grande nível de sobretensão para atingir instantaneamente o IGBT (porque VLSTRAY = LSTRAY × di / dt). Portanto, é importante fornecer um caminho de desligamento de alta impedância ao desligar o IGBT durante um evento de dessaturação, o que pode reduzir di / dt e quaisquer níveis de sobretensão potencialmente danosos.
Além dos curtos-circuitos causados por falhas do sistema, a passagem instantânea do inversor também ocorre em condições normais de operação. Nesse momento, a condução do IGBT requer que o IGBT seja direcionado para a região de saturação onde a perda de condução é a menor. Isso geralmente significa que a voltagem do gate-emissor no estado on é maior que 12V. O desligamento do IGBT requer que o IGBT seja direcionado para a região de interrupção ativa para bloquear com sucesso a alta voltagem reversa no IGBT do lado alto quando ele é ligado. Em princípio, isso pode ser conseguido diminuindo a tensão do emissor-porta IGBT para 0V. No entanto, os efeitos colaterais do transistor low-end no braço do inversor quando ele é ligado devem ser considerados.
Uma rápida mudança na voltagem no nó de comutação durante a ativação faz com que a corrente induzida capacitiva flua através da capacitância coletor de gate parasita Miller IGBT low-end (CGC na Figura 3). Essa corrente flui através do driver da porta do lado inferior (ZDRIVER na Figura 3) para desligar a impedância, criando um aumento de tensão transiente no emissor da porta IGBT do lado inferior, conforme mostrado. Se a tensão subir acima da tensão limite do IGBT VTH, causará uma breve ligação do IGBT no lado inferior, resultando em uma passagem transitória do braço do inversor - porque ambos os IGBTs são ligados brevemente. Isso geralmente não destrói o IGBT, mas pode aumentar o consumo de energia e afetar a confiabilidade.
Em geral, existem duas maneiras de resolver o problema de condução indutiva do IGBT do inversor - usando uma fonte de alimentação bipolar ou um grampo Miller adicional. A capacidade de aceitar um suprimento bipolar no lado isolado do acionador de porta fornece margem adicional para transientes de tensão induzidos. Por exemplo, um trilho negativo de –7,5 V indica que um transiente de tensão induzida maior que 8,5 V é necessário para detectar uma condução espúria. Isso é suficiente para impedir a condução perdida. Outro método é reduzir a impedância de desligamento do circuito do acionador de porta por um período de tempo após a conclusão da transição de desligamento. Isso é chamado de circuito de pinça Miller. A corrente capacitiva agora flui através do circuito de menor impedância, o que, por sua vez, reduz a magnitude do transiente de tensão. O uso de resistores de porta assimétricos para ligar e desligar fornece flexibilidade adicional para controle de taxa de comutação. Todas essas funções de driver de porta têm um impacto positivo na confiabilidade e eficiência do sistema geral.
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