У електрообладнанні поліграфічного виробництва зустрічаються різного роду виконавчі силові електромеханічні системи (ЕМС), до яких відносяться електродвигуни, електромагнітні муфти зчеплення і ковзання, електромагніти, нагрівачі, а також освітлювальні установки, що забезпечують виконання технологічного процесу друкування Для управління зазначеними ЕМС використовуються напівпровідникові пристрої, включені між мережею живлення і цими ЕМС Напівпровідниковий перетворювач – це статичне електромагнітне пристрій, що перетворює електричну енергію одного виду в електричну енергію іншого вигляду за допомогою періодично повторюваних процесів комутації струмів, що протікають через силові ключі (транзистори, тиристори, сімістори-тріаки) цих пристроїв Сукупність цих силових ключів утворює основну частину перетворювача, яка формує необхідну тимчасову залежність вихідної напруги (струму) Ця залежність утворюється з відрізків кривих напруги (струму) різних фаз при впливі на силові ключі сигналів управління, що генеруються схемою управління, за рахунок яких реалізується почергова провідність силових ключів цих фаз Напівпровідникові пристрої мають різні схемні рішення в залежності від їх функціонального призначення і роду струму ЕМС Наприклад, для керування двигунами постійного струму застосовуються керовані випрямлячі, для двигунів змінного струму – регулятори напруги і автономні інвертори і т п Основними елементами цих пристроїв є силові напівпровідникові ключі: діоди, транзистори, тиристори, сімістори, комутуючі кола постійного або змінного струму Успіхи технологічної індустрії виготовлення напівпровідникових приладів призвело до появи їх високих експлуатаційних характеристик Прикладом керованих силових приладів є біполярний транзистор з ізольованим затвором типу IGBT, тиристор, що замикається GTO і інтегрований керований коммутирующий тиристор IGCT Ці прилади випускаються на струми 10 .. 2400 А і більше, а комутовані ними напруги досягають 4500 В

IGBT – це транзистор, що представляє собою комутатор струму Він володіє високою щільністю струму, управляється напругою затвора і працює в релейному режимі (включено-виключено) Його структура і еквівалентна схема наведена на рис 21 Керований затвором канал зєднаний з двома областями провідності п- На поверхні епітаксійного шару завтовшки 60 мкм утворена чарункова структура провідності р + Внаслідок наявності додаткового р + шару забезпечується гарне проникнення носіїв заряду (дірок) в володіє провідністю п-епітаксіальний шар

Рис 21 Структура і еквівалентна схема IGBT

У IGBT поєднується високий опір затвора, малий час перемикання і малі втрати енергії у відкритому стані У нормальних умовах падіння напруги на резисторі R недостатньо для відкривання п-р-п транзистора і струм через нього дуже малий При збільшенні колекторного струму IGBT транзистора понад деякого порогового значення напруга на резисторі R збільшується Це призводить до відкриття п-р-п транзистора При цьому IGBУ-транзистор залишається некерованим до тих пір, поки його колекторний струм не стане менше порогового (ефект «засувки») Після цього відбувається насичення колекторно-емітерного переходу і транзистор включається Невеликі динамічні втрати IGBT зумовлюють їх застосування в зазначених вище силових пристроях Сучасні технології створення IGBУ-транзисторів спрямовані, в тому числі на зниження динамічних втрат дозволили отримати прилади, що працюють при частотах комутації порядку 100 кГц (WARP Speed) Прилади типу GTO і IGCT мають чотиришарову структуру При перемиканнях приладу типу GTO частина комутованого струму необхідно відводити в захисну (7-снабберную) ланцюг, підключену паралельно тиристору (рис 22)

Рис 22 Схема включення тиристора GTO

Це уповільнює зростання анодного напруги на тиристорі Великі втрати енергії в захисних ланцюгах приладу при комутації є його основним недоліком Цей фактор обмежує граничну частоту комутації GTO на рівні 250 .. 300 Гц У приладі IGCT керуючий електрод максимально наближений до відповідного переходу, що забезпечує дуже мале значення індуктивності між напівпровідникової структурою і керуючим електродом Це дає можливість вимикати тиристор низькою напругою, що не перевищує 20 В При створенні приладу типу IGCT була використана концепція жорсткого управління – тонке регулювання легуючих профілів, мезатехнологія, протонів і електронів опромінення для створення спеціального розподілу контрольованих рекомбінаційних центрів, технологія так званих «прозорих» і «тонких» емітерів, застосування буферного шару в і базової області Ця технологія робить вертикальну чотиришарову структуру IGCT більш тонкої, що призводить до зниження втрат на перемикання, а також створює монолітну інтегральну структуру з тиристора і захисного діода, включеного паралельно тиристору Крім цього така структура не чутлива до швидкості наростання прямого напруги du / dt при виключенні приладу і не потребує снабберной ланцюга Зниження втрат на перемикання збільшило частоту перемикання тиристора до декількох кілогерц, а потужність, необхідна для управління, знижена в пять разів, в основному, за рахунок «прозорою» конструкції анода При жорсткому управлінні тиристором всі сегменти катодного кристала одночасно отримують сигнал на замикання і обесточиваются На цьому етапі сегменти катода вже не впливають на подальше протікання процесу замикання, оскільки чотиришарова структура, яка існувала в провідному стані, перетворюється на тришарову структуру, аналогічну транзисторної, що закривається навіть при високому анодній напрузі У цьому випадку величина анодного струму визначається тільки струмом керуючого електрода Створений принцип управління підвищує швидкодію приладу при його замиканні, і накладає певні вимоги до системи управління СУ Вона повинна містити: включає контур, що складається з схеми формування відчиняю чого імпульсу і джерела сигналу для підтримки тиристора в закритому стані, і при цьому забезпечити гальванічну розвязку схеми управління та силового ланцюга вимкненого тиристора

В якості силових ключів середньої та великої потужності застосовуються в основному MOSFET і IGB-транзистори Це прилади з потенційним управлінням, струм затвора в статичних режимах у них практично відсутній (Рис 23)

Рис 23 Епюри напруги та струму при відмикання МОП-транзистора (а) і його еквівалентна схема (6)

Однак струми включення-виключення даних елементів можуть досягати значних значень через наявність паразитних ємностей затвора Основний вплив на динамічні властивості транзистора надають вхідна ємність «затвор-емітер» Cjes і ємність зворотного звязку «колектор-затвор» Coes, Звана також ємністю Міллера Їх величини істотно змінюються в залежності від напруги «колектор-емітер» Транзистори як навантаження драйверів можуть бути представлені конденсаторами ємністю в тисячі або десятки тисяч пикофарад При відкриванні транзистора необхідно його вхідну ємність зарядити, а при закриванні – розрядити Транзистори починають відкриватися, коли напруга на їх затворі щодо витоку перевищує порогове значення Порогова напруга 7/пор затвор-витік МОП-та / (/ / /-транзистора зазвичай становить 2 .. 4 В Тому для мінімізації опору каналу відкритого МОП-транзистора LCH (Вкл) або напруги насичення колектор-емітер Usat / (/ / /-Транзистора слід подавати на затвор відносно витоку (емітера) 10 .. 15 В Для гарантованого замикання транзистора достатньо, щоб 7 /зи = 0 Для прискорення замикання і запобігання відкривання за рахунок великого значення du dt слід подати напругу -3 .. -15 В Процес відмикання МОП-транзистора подачею драйвером відкриває потенціалу починається зарядом вхідний ємності ключа Сзи (Рис 23, а) Якщо на МОП-транзистор або IGBT не подали напругу (стік або колектор підключені), то заряд вхідний ємності відбуватиметься за затухаючої експоненті до рівня, відповідного ЕРС драйвера Едр (Рис 24)

Рис 24 Епюри напруги та струму при замиканні МОП-транзистора (а) і його еквівалентна схема (б)

У разі наявності на закритому транзисторі високого потенціалу та досягнення напругою Um порога відмикання (/пір почнеться розряд перехідною ємності Ссз, Викликаний зниженням напруги на стоці I /сі Це викликає збільшення струму стоку /з і падіння напруги на вихідному опорі драйвера / /др, Що призведе до збільшення тривалості процесу відмикання транзистора При замиканні ключа напруга на затворі спадає по експоненті, поки в момент Д (рис 24, а) напруга стік-витік не почне наростати Напруга на затворі встановлюється таким, що струм стоку підтримується практично незмінним (якщо навантаження в ланцюзі стоку має індуктивний характер) За рахунок ефекту Міллера швидкість збільшення напруги на стоці підтримується постійною на рівні, який залежить від струму стоку У момент L зростання напруги стоку закінчений і напруга затвор-витік продовжує зменшуватися по експоненті до значення ЕРС драйвера Едр, А струм стоку спадає до нуля

Для коректного управління силовими транзисторами, що складається в мінімізації часу його включення, в захисті від струмових перевантажень і перенапруг, в плавному виключенні транзистора в нормативних та аварійних режимах, застосовуються драйвери На рис 25 показаний типовий вихідний каскад драйвера з розділеними ланцюгами включення-виключення затвора, а також напруга на затворі Uge і струм затвора Ig модуля при включенні і виключенні

Рис 25 Вихідний каскад драйвера

Напруга на затворі транзистора Us# І струм затвора 1 е при включенні і відключенні транзистора

Масштаб для напруги – 5В/дел, для струму – 0,5 А / Дїв

Поділ режимів перемикання (на схемі показані резистори затвора Rgm і Rgoff) необхідно для мінімізації втрат перемикання і зниження рівня перехідних перенапруг Пік струму при включенні досягає в даному випадку 1,3 А, час включення складає приблизно 200 ні Ток і час tSM, Перемикання в загальному випадку повязані відомими співвідношеннями: Прое = 7, ·%, де Ое є сумарний заряду затвора Значення струму і часу включення визначаються величиною індексу ланцюга управління (сума Rgon і вихідного опору драйвера) і вхідний ємністю транзистора Після включення транзистора схема управління повинна підтримувати на затворі постійна напруга, необхідне для отримання мінімального напруги насичення Uce,sat, Тобто мінімальних втрат провідності Крім управління перемиканням силового модуля другий за значимістю функцією драйвера є захист від аварійних режимів

Драйвери повинні здійснювати наступні захисні і сервісні функції:

– захист від наскрізного струму і формування часу затримки перемикання транзисторів напівмоста tdi,

– фільтрація коротких імпульсів

– нормування фронтів вхідних сигналів

– захист від падіння напруги джерел живлення (UVLO)

– захисту від перевантаження по струму і короткого замикання

– захист від перевантажень

Найбільш небезпечними і поширеними аварійними ситуаціями, що приводять до струмових перевантажень, є коротке замикання (КЗ) навантаження, пробій навантаження на корпус і одночасне включення транзисторів напівмоста через збій в схемі управління 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 і не приводити до перегріву або пробою силового кристала Для сучасних IGBT інтервал часу, протягом якого вони здатні витримати режим КЗ не перевищує 10 мкс Щоб максимально швидко відреагувати на виникнення перевантаження і виключити зайві втрати потужності, в драйверах використовується моніторинг напруги насичення Uce,sat Напруга насичення залежить від струму колектора Структура блоку моніторингу напруги насичення наведена на рис 26

Рис 26 Структура блоку моніторингу напруги насичення

Вимірювання напруги насичення Uce,sat та аналіз стану перевантаження починаються тільки після подачі на затвор відмикає напруга в іншому випадку висока напруга на колекторі закритого транзистора буде сприйнято як несправність Блок формування затримки tsc виробляє імпульс, блокуючий схему аналізу несправності на 3 .. 5 мкс після подачі імпульсу управління затвором Якщо після закінчення цього часу рівень напруги насичення виявиться вище заданого порога, напруга управління відключається і формується сигнал помилки ERROR Захист від виходу транзистора з насичення здійснюється за рахунок моніторингу напруги Uce,sat Використання напруги «колектор-емітер» відкритого транзистора в якості сигналу перевантаження має багато достоїнств: цей спосіб є досить швидкодіючим, не схильним до дії електромагнітних перешкод (як у випадку індукційних датчиків струму), він не призводить до додаткових втрат потужності (на відміну від схем захисту з використанням резистивних шунтів) При використанні даного типу захисту від перевантаження її необхідно блокувати протягом деякого часу (blanking time) після подачі відмикає напруги на затвор транзистора, і виконується це комутатором SW Пояснюється така затримка тим, що між моментом включення транзистора і його входом в насичення існує затримка, що дорівнює сумі часу затримки включення Сої і часу включення tr Весь цей час на колекторі присутня досить висока напруга, яке може бути сприйнято схемою захисту, як перевантаження по струму Необхідний час заборони і необхідний рівень Ucesat, При якому повинно відбутися відключення транзистора, залежить від типу транзистора Це визначається з довідників за графіком залежності Uce =f(Jc ) · Для можливості «адаптації» схеми до параметрів конкретного силового модуля в драйверах використовуються підлаштовані елементи Rce, Зсе Для зниження ймовірності помилкового спрацьовування захисту в драйверах опорна напруга не завжди, воно змінюється за експоненціальним законом з постійною часу т = 0,5 мкс .. 1 мс, обумовленою номіналом Зсе У сталому стані опорна напруга приймає значення Ucesat = 10 В, яке задається за допомогою Rce Мінімальний час заборони спрацьовування захисту tmin є функцією опорного напруги UceSat і постійної часу т Розглянемо режим плавного відключення SSD транзистора Він необхідний у тих випадках, коли через наявність розподілених індуктивностей силових шин рівень перенапруги при миттєвому відключенні транзисторів неприпустимо високий Значення перенапруги AU визначається значенням індуктивності шини Ls і швидкістю зміни струму при відключенні diJdt: AU = Ls(Dildt) Режим SSD дозволяє зменшити значення перенапруги за рахунок зниження швидкості вимикання, що досягається використанням додаткового резистора затвора Rgoff Ток при відключенні транзистора завжди перевищує порогове значення струму спрацьовування захисту через наявність затримки, крім часу затримки він залежить від значення сумарної паразитної індуктивності в ланцюзі, де сталося коротке замикання, і типу кристала IGBT Для транзисторів з гомогенною структурою ток КЗ Isc може досягати значення Isc = 8/з ном, Де /зном – Номінальний струм колектора (для стандартних епітаксійних IGBT Isc = 10 /сном) Природно, що при відключенні настільки високих струмів з великою швидкістю рівень перенапруги може перевищити допустиме значення, що привести як до пробою транзистора, так і до помилкового відкриванню транзистора в непрацюючому плечі через наявність ємності Міллера Введення режиму SSD підвищує втрати при аварійному відключенні Використання в напівпровідникових структурах кристала Trench і SPT IGBT через їх властивості до «самообмеження» струму КЗ призводить до рівня струму, що не перевищує 6-кратне значення номінального струму Для цих модулів режим SSD не рекомендується, оскільки миттєве відключення вважається для них безпечним

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