Обнаружение и снижение токов перегрузки

Обнаружение токов перегрузки

На рис.3.57 показана цепь источника напряжения инвертора. Здесь точки измерения обозначены в тех местах, где обнаружены перегрузки по току.

Рис. 3.57

Токи перегрузок можно разделить на:

Перегрузка по току: обнаруживается в точках 1-7

Замыкание плеча: обнаруживается в точках 1-4 и 6-7

Замыкание в нагрузке: обнаруживается в точках 1-7

Замыкание земли: обнаруживается в точках 1, 3, 5, 6 или вычислением разности между точками 1 и 2

Принципиально, контролируемые токи коротких замыканий требуют быстрой реакции на управление выходным состоянием драйвера, поскольку транзистор закроется в течение 10 мкс после замыкания. Для этого токи перегрузки можно контролировать в точках 3, 4, 6 и 7 (с ОСР-драйверами также в точке 5, см.п. 3.5.8).

Измерения в точках 1-5 можно выполнять при помощи шунтов (напр. интегрированных в MiniSKiiP) или индуктивных измерительных трансформаторов тока (напр. в OCP-SKiiP и MiniSKiiP).

Измерительные шунты:

• простой способ измерения,
• требует силовой шунт с малым сопротивлением (10.100 мОм) и малой индуктивностью,
• измерительный сигнал высоко чувствительный к помехам,
• измеряемые значения без изоляции потенциалов.

Измерительные трансформаторы тока

• более сложная конструкция по сравнению с измерительным шунтом,
• восприимчивость к помехам измерительного сигнала меньше, чем с измерительным шунтом,
• имеются измеряемые значения с изоляцией потенциалов.

В контролируемых точках 6 и 7 токи перегрузки обнаруживаются прямо на выводах IGBT/MOSFET. Здесь методами защиты являются контроль v_CEsat или v_DS(on) (непрямой метод измерения) и измерение тока, если используется sense-IGBT (прямой метод измерения). На рис.3.58 показаны принципиальные схемы.

Рис. 3.58. Обнаружение токов перегрузки
а) измерение тока
b) контроль v_CEsat

В sense-IGBT sense-эмиттер состоит из нескольких ячеек, через которые протекает два параллельных тока плеча. Информация поступает при протекании коллекторного тока через измерительный резистор. При RSence= 0 коэффициент разделения тока между двумя эмиттерами идеальный, соответствующий соотношению числа чувствительных ячеек к общему числу ячеек. Если R_Sence возрастает, проходящий через измерительную цепь ток будет уменьшаться при помощи обратной связи измерительного сигнала. Поэтому сопротивление R_Sence должно быть в пределах 1-5 Ом для получения предельно точного измерения тока коллектора.

Если пороговое значение тока выключения только немного больше номинального тока транзистора, контроль тока не должен влиять на включение IGBT, из-за значительного импульса тока обратного восстановления диода (при жесткой коммутации). Для очень высоких sense-сопротивлений (R_Sence --> ) измеряемое напряжение соответствует напряжению насыщения коллектор-эмиттер, и измерение тока работает как контроль v_CEsat.

Контроль v_CEsat:

Контроль v_CEsat использует соотношение между током коллектора и прямым напряжением, которое приводиться в справочных данных транзистора (выходная характеристика).

Напряжение коллектор-эмиттер контролируется при помощи быстрых высоковольтных диодов и сравнивается с номинальным значением. Быстрый процесс обеднения транзистора благоприятствует ускорению обнаружения короткого замыкания. Если транзистор не обедняется по причине повреждения (напр. если есть перегрузка по току и немного возросший ток повреждения земли), применение контроля v_CEsat для обнаружения сбоев будет ограничиваться.

Для гарантированного мягкого включения IGBT при нормальной работе, контроль v_CEsat должен задерживаться до того времени, как напряжение коллектор-эмиттер упадет ниже номинального значения (см.п. 3.5.4). Поскольку в течение этого периода нет защиты от короткого замыкания, время задержки не должно превышать 10 мкс.

Температурная зависимость выходной характеристики, а также параметра распределения негативно влияет на v_CEsat контроль. Однако существенное преимущество по сравнению с измерением тока sense-IGBT в том, что эта концепция защиты применима к любому стандартному IGBT/MOSFET.

Уменьшение токов перегрузки

Улучшенную защиту транзисторного ключа можно получить при уменьшении или ограничении высоких токов перегрузки, особенно по отношению к коротким замыканиям и низкоимпедансным токам перегрузки в цепях общего провода.

Как изложено в п. 3.6.2, короткое замыкание типа II вызовет динамическую перегрузку по току из-за возрастания напряжения затвор-эмиттер по причине высокого dv_CE/dt. Амплитуду тока короткого замыкания можно снизить ограничением напряжения затвор-эмиттер. Варианты схем даны в п. 3.6.3.2.

Кроме ограничения динамических токов короткого замыкания, стационарные токи коротких замыканий также можно снизить ограничением напряжения затвор-эмиттер (см.рис.3.56b в п. 3.6.2). Это уменьшит потери мощности транзистора на время короткого замыкания. В то же время уменьшится перенапряжение с выключением меньшего тока короткого замыкания. Принцип показан на рис.3.59.

Рис. 3.59. Снижение токов короткого замыкания путем ограничения напряжения затвор-эмиттер

Эта схема защиты ограничивает стационарные токи короткого замыкания до значения примерно трех номинальных токов в модулях, описанных в [281].

<-- Предыдущая страница

Оглавление

Следующая страница -->