Крім управління перемиканням силового модуля, другий за значимістю функцією драйвера є захист від аварійних режимів Драйвер повинен здійснювати наступні захисні функції: захист від наскрізного струму від падіння напруги джерел живлення (UVLO) від перевантаження по струму і короткого замикання від перевантажень від перегріву від виходу з насичення кожного силового ключа від перенапруги фільтрацію коротких імпульсів Найбільш небезпечними і поширеними аварійними ситуаціями, що приводять до струмових перевантажень, є: коротке замикання навантаження, пробій навантаження на корпус і одночасне включення транзисторів напівмоста через збій в схемі управління (рис 67)

рис 67 Режими короткого замикання: а – навантаження б – на корпус

Щоб визначити стан перевантаження і вжити адекватних заходів, потрібен якийсь час Затримка спрацьовування схеми необхідна і для виключення помилкових спрацьовувань, але час аналізу ситуації має бути безпечним, не призводить до перегріву або пробою силового кристала Пошкодження силового кристала може бути викликане перегрівом внаслідок високої потужності, що розсіюється пробоєм, що виникли у разі перехідних процесів статичним або динамічним защелкиванием перенапруженням при відключенні великого струму Перегрівом вважається перевищення температурою кристала силового транзистора граничного значення 7}тах Для кремнієвих чіпів – це 150 ° С Перегрів може бути викликаний наступними несправностями схеми: збільшення потужності розсіювання при перевантаженні по струму збільшення потужності розсіювання з-за помилки схеми управління або пошкодження драйвера несправність системи охолодження

Для сучасних IGBT інтервал часу, протягом якого вони здатні витримати режим к з, Як правило, не перевищує 10 мкс Щоб максимально швидко відреагувати на виникнення перевантаження і виключити зайві втрати потужності, в драйверах використовується моніторинг напруги насичення Ucesat Напруга насичення залежить від струму колектора, дана залежність наводиться в технічних характеристиках транзисторів і модулів і використовується для налаштування схеми

Драйвери повинні розрізняти два граничних значення струму: струм перевантаження (100% 1З), Починаючи з якого виробляється аналіз несправності і формується контрольний сигнал, струм короткого замикання (-120% 1З), За яким відбувається відключення Схеми управління затворами модулів не просто повинні відключати силові транзистори при виникненні перевантаження, відключення має бути організоване так, щоб режими роботи (струм, напруга, температура кристала) не виходили за межі, обумовлені областю безпечної роботи Транзистори MOSFET і IGBT, що мають ізольований затвор і керовані напругою, принципово є приладами, стійкими до к з при дотриманні певних умов і обмежень Для кращого розуміння процесів, що відбуваються при струмового перевантаження, необхідно розглянути поведінку силових транзисторів в режимі к з

У разі, коли транзистор включається на закороченими навантаження (рис 67, а), до нього перед включенням докладено повна напруга живлення Максимальний струм в ланцюзі колектора транзистора, а також швидкість його зміни di / dt визначаються напругою на затворі, импедансом ланцюга управління і крутизною транзистора Через наявність конденсаторів, встановлених паралельно шинам харчування, внутрішній опір джерела живлення практично не впливає на струм к з У момент включення струм в транзисторі наростає плавно через паразитних індуктивностей в ланцюзі З цієї ж причини напруга на колекторі має провал Після закінчення перехідного процесу до транзистора докладено повна напруга живлення, що призводить до розсіювання неприпустимо великої потужності в кристалі Режим к з потрібно перервати через деякий час, необхідне для виключення помилкового спрацьовування Це час зазвичай становить 1 .. 10 мкс Природно, що транзистор повинен витримувати перевантаження протягом цього часу

Для безпечної роботи модуля в аварійному режимі повинні виконаються наступні умови: режим к з повинен бути розпізнаний і відключений протягом не більше 10 мкс час між повторними включеннями в режимі к з має бути не менше 1 с за весь час роботи модуля кількість к з не повинно перевищувати 1000

Після виникнення стану перевантаження напруга на затворі знижується, що призводить до обмеження струму колектора Потім, якщо стан перевантаження не припиняється протягом 3 .. 5 мкс, напруга на затворі знижується до нуля При цьому зниження напруги на затворі проводиться за певним законом Таке «мяке» відключення необхідно для зменшення значення di / dt і зниження перехідного перенапруги при виключенні Траєкторія вимикання вибирається так, щоб напруга на колекторі силового транзистора ніколи не перевищувало граничного значення UCES Вбудована схема формування часу затримки перемикання (формувач Цг) Виключає одночасне відкривання транзисторів напівмоста і блокує перемикання напівмоста на час Цг:, Необхідне для закінчення перехідних процесів і виключення наскрізного струму Наявність теплового захисту не може гарантувати, що потужний кристал не вийде з ладу ні за яких умов При різкому збільшенні потужності втрат кристал може перегрітися до того, як розігріється підставу модуля і термодатчик Це може статися, наприклад, через збій контролера і підвищення частоти комутації або через появу брязкоту в ланцюзі управління Дребезг запобігають введенням імпульсних фільтрів, що не пропускають імпульси з тривалістю менше 500 ні Імпульсні фільтри разом з імпульсними ізолюючими трансформаторами виконують ще одну дуже важливу функцію Високі швидкості перемикання і великі значення наведеної перенапруги dU / dt можуть призводити до збоїв в роботі керуючого контролера Така ситуація часто спостерігається при використанні оптичної розвязки, так як оптичний барєр має порівняно велику перехідну ємність, через яку піки напруги можуть проникати в схему управління Імпульсні трансформатори набагато менш чутливі до шумів, ніж оптопари, а імпульсні фільтри драйверів пригнічують шумові сигнали як в прямому напрямку, так і в зворотному, не дозволяючи пікам наведеної напруги впливати на роботу керуючих контролерів Вбудовані в драйвер ізольовані джерела живлення також містять імпульсні трансформатори з низьким значенням прохідний ємності для підвищення перешкодозахищеності

Для швидкої реакції на аварійний стан необхідно аналізувати безпосередньо струм силового кристала Це – головне завдання керуючого драйвера Час аналізу режиму перевантаження силового транзистора при прямому вимірі може становити одиниці наносекунд Моніторинг струму поза кристала, наприклад, на виході силового перетворювача, значно збільшує час реакції У сучасних IPM застосовується поєднання «швидкого» і «повільного» моніторингу режиму перевантаження Ток силового транзистора може вимірюватися за допомогою Струмовимірювальні шунта, трансформатора струму або за допомогою вимірювання напруги насичення колектор-емітер Uce(on) Резистивні шунти використовуються в малопотужних перетворювачах, оскільки струм навантаження створює на них значні втрати потужності Ця проблема частково вирішується при застосуванні транзисторів, що мають спеціальні струмовимірні висновки Крім того, великим недоліком шунтів є неминуче наявність у них розподіленої індуктивності, що спотворює результати вимірювання, особливо при великих швидкостях зміни струму Застосування трансформаторів струму дозволяє отримати більш високу перешкодозахищеність, ніж при використанні шунтів, і, крім того, забезпечує гальванічну ізоляцію вимірювального сигналу Додатковий Струмовимірювальні емітер в IGBT формує так зване «струмове дзеркало» і дозволяє здійснювати вимірювання струму за допомогою малопотужних вимірювальних резисторів При нульовому опорі шунта, тобто коли емітери зєднані між собою, співвідношення струмів в силовому і вимірювальному емітері визначається відношенням обємних опорів емітерів При збільшенні номіналу шунта відбувається пропорційне падіння вимірюваного струму за рахунок негативного зворотного звязку Вимірювальний резистор з номіналом 1 .. 5 Ом забезпечує достатню точність і лінійність виміру і не створює додаткових втрат потужності

Залежність напруги насичення транзистора Ucesat від струму колектора /з дозволяє використовувати цей сигнал для захисту в аварійних режимах Вимірювання напруги насичення вимагає мінімальної кількості зовнішніх елементів і не створює втрат потужності Цей непрямий метод є найбільш використовуваним на практиці для захисту транзисторів від перевантаження по струму, завдяки своїй простоті і надійності Залежність Ucesat = / (%) для IGBT не є лінійної на відміну від MOSFET, що ускладнює застосування даного методу для вимірювання струму Для моніторингу напруги насичення доводиться використовувати швидкий високовольтний діод в ланцюзі колектора, що вносить деякі спотворення, обумовлені прямим падінням напруги на діод Крім того, напруга насичення має негативний температурний коефіцієнт і залежить від напруги на затворі Виміряна напруга насичення відкритого транзистора порівнюється з опорною напругою за допомогою компаратора Якщо Ucesat перевищує порогове значення, починає працювати схема захисту

Для надійного включення транзистора необхідно відключати схему захисту на час його відкривання Справа в тому, що після подачі відмикає напруги на затвор напруга колектор-емітер спадає з деякою затримкою Щоб схема захисту не сприйняла цей стан як перевантаження, а також для виключення помилкових спрацьовувань, час аналізу стану несправності зазвичай встановлюється в межах 1 .. 10 мкс Схема захисту повинна виключати вихід параметрів силового ключа за обмеження ОБР навіть в аварійних режимах роботи

Ток к з другого типу (рис 67, б) обмежується параметрами транзистора і наростає зі швидкістю, яка визначається паразитної індуктивністю і напругою живлення Udc-Він створює динамічну перевантаження по струму через збільшення напруги на затворі, наведеної через ємність Міллера Ccg високим значенням dUceldt Для зниження кидка струму в цьому випадку необхідно обмежувати напругу на затворі, безперервно аналізуючи струм колектора Зменшення напруги затвор – емітер корисно і в разі перевантаження першого роду, оскільки при цьому знижуються втрати потужності на час аналізу режиму перевантаження і відключення транзистора

Захист від перенапруги Активний спосіб обмеження перенапруг заснований на тому, що енергія, накопичена в індуктивності шини L /f, Скидається безпосередньо в силовий транзистор (рис 68)

Для цього в ланцюзі колектор – затвор »(Сток – затвор) встановлюється граничний елемент Z, наприклад, стабілітрон При досягненні напругою заданого рівня стабілітрон починає проводити струм iz, В результаті чого силовий транзистор відкривається Діод Ds необхідний для того, щоб запобігти протікання струму драйвера в ланцюг колектора при відкриванні транзистора Стабілітрони, встановлені в ланцюзі затвор – емітер запобігають пробою затвора Особливістю даного режиму є робота транзистора в лінійній зоні При цьому струм, що протікає в ланцюзі колектора, призводить до додаткового нагрівання транзистора, оскільки він не знаходиться в режимі насичення Втрати потужності створюються також струмом, що протікає через пороговий елемент Природно, чим вище на-

Проста схема, показана на рис 69, а, може бути використана тільки в пристроях з невисоким рівнем обмеження, наприклад, низьковольтних вторинних джерелах живлення У варіантах 69, б верб використовується властивість MOSFET / IGBT витримувати без пошкодження режим лавинного пробою Найбільш економічною, надійною і придатною для високовольтних застосувань є схема 69, р

Рис 69 Типи порогових елементів, що здійснюють

пряжение обмеження, тим вище потужність, що розсіюється на ньому Вибір типу порогового елемента залежить від режимів роботи схеми Варіанти схем, які здійснюють динамічне обмеження напруги, наведені на рис 69

Наведені порогові елементи працюють при напругах обмеження Ud до 750 В і щільності струму iz, Що досягають близько 160 А / см

Активне обмеження напруги створює такі особливості: просте схемне рішення, що дозволяє обмежувати перенапруги незалежно від причини їх виникнення силовий транзистор розсіює енергію перенапруги не потрібно застосування снабберних ланцюгів рівень напруги обмеження не залежить від робочої напруги не вимагається додаткове джерело напруги Основним способом обмеження швидкості перемикання силового транзистора di / dt, du / dt і, відповідно, зниження індукованих при перемиканні перенапруг, є динамічне управління струмом затвора Найбільші рівні перенапруги виникають при виключенні транзисторів в режимі к з, так як швидкість зміни струму di / dt при цьому максимальна Найбільш оптимальними з точки зору мінімізації втрат і рівнів перенапруги є схеми, що здійснюють управління струмом затвора залежно від du / dt Захищати від перенапруги необхідно не тільки силові висновки ключів, а й керуючу ланцюг затвора, так як перенапруження, що виникає на колекторі, неминуче буде впливати на затвор через ємність Міллера Драйвери мають схему захисту від падіння напруги управління UVLO Вона необхідна для запобігання лінійного режиму роботи транзистора і зазвичай має рівень спрацьовування 8 .. 11 В Схема контролю UVLO стежить за всіма напруженнями, які подаються на модуль або виробляються вбудованим конвертором DC / DC При зменшенні будь-якого з них нижче заданого порогу відключаються силові транзистори і видається сигнал несправності Для скидання сигналу несправності необхідно, щоб зникла причина, що викликала несправність, і всі логічні входи модуля перебували в стані логічного нуля протягом часу treset

Як приклад на рис 610 показана схема підключення драйвера МС33153 з використанням його для захисту по напрузі насичення

Як приклад на рис 611 показана схема підключення драйвера МС33153 з використанням його для захисту по струму

Рис 611 Захист по струму емітера

В обох схемах використані оптопари для гальванічної розвязки сигналу управління і сигналу помилки

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р