9/12/2012. Budicí obvody VPS - drivers. Budicí obvody VPS - drivers obsah prezentace. Požadavky na budicí obvody VPS. Budicí obvod

Transkript

1 Budicí obvody VPS - drivers Konstrukce polovodičových měničů Budicí obvody VPS - drivers obsah prezentace požadavky na budicí obvody VPS základní požadavek na budicí obvod - galvanické oddělení budicí obvody bez galvanického oddělení budicí obvody s galvanickým oddělením popis obvodů moderních budicích obvodů způsoby řízení budicích obvodů VPS specifikace parametrů budičů ukázka komerčně vyráběných budicích obvodů Požadavky na budicí obvody VPS mikroprocesorový řídicí systém Budicí obvod VPS galvanické oddělení řídicí části měniče generování definovaného řídicího signálu kontrolní obvody ochrana buzeného prvku 1

2 540v 270V -270V 9/12/2012 Základní požadavek na budicí obvod VPS GALVANICKÉ ODDĚLENÍ elektrické zařízení v průmyslu musí mít řídicí obvody uzemněny Možnosti galvanického oddělení Optočlen vždy se stínicí mřížkou; optickým přijímačem musí být fotodioda nikoli fototranzistor. Garance odolnosti proti rušení vlivem du/dt pouze do 5 10kV/ms, výjimečně 15kV/ms. Impulsní transformátory méně citlivé na šum, dosahují vyšší izolační schopnosti (4kV). V budičích je takto zabezpečen přenos informace i napájecí energie. Optické vlákno u měničů vysokých výkonů (MW) a u vysokonapěťových aplikací. Budicí obvody bez galvanického oddělení Elektrická zařízení neurčená pro průmyslové užití nejsou uzemněny řídicí obvody. Je možnost neprovádět galvanické oddělení řídicích signálů od výkonové části. Obvodová zem ŘS a celého zařízení je vztažena k záporné sběrnici U d. Celý systém je obvodově značně složitý a cenovou výhodu lze získat integrací do IO, které jsou však nespolehlivé a poruchové. 2

3 Budicí obvody bez galvanického oddělení oddělovací dioda plovoucí kondenzátor U F U BS - DC U CEon - DC Budicí obvod s galvanickým oddělením optočlenem izolační bariéra 2kV, 5OHz (po dobu 1 min) hlavní obvod budiče: optočlen zesilovač a tvarovač koncový stupeň Kapacita optočlenu mezi vysílačem a přijímačem 1pF. Je-li tato kapacita namáhána napěťovou strmostí du/dt, protéká jí impulsní parazitní kapacitní proud: při uvažování strmosti 20kV/ms a kapacitou 1pF dosáhne proud velikost 20mA! => nutnost použití optočlenu se stínící mřížkou. Budicí obvod s galvanickým oddělením optočlenem 3

4 Budicí obvod s galvanickým oddělením impulsním transformátorem Izolace Input1 (vrchní) nadproud Input2 (spodní) - Vstupní paměť - Potlačení rušení krátkých pulsů - Tvarovací obvod Output1 (vrchní) GND/0V GND/0V Výkonný budič TDT2 - blokování - mrtvý čas nadproud Zátěž Error kontrola Vs kontrola chyb paměť chyb Výkonný budič Output2 (spodní) Vs Integrováno v ASIC vstup primární strana sekundární strana výstup SEMITRANS IGBT modul Popis obvodů moderních budicích obvodů OBVODY NA PRIMÁRNÍ STRANĚ BUDIČE Vstupní Schmittův klopný obvod CMOS kompatibilní; tvarovací a zesilovací obvod; aktivní v log. 0 => IGBT sepnut Blokovací obvod a generátor mrtvých časů (dead time) obvod zajišťující blokování současného sepnutí obou tranzistorů v jednom půlmůstku. t dead = 2 8µs Potlačení krátkých pulsů obvod (filtr) potlačující pulsy kratší než 500ns. Kontrola napájecího napětí nastane-li pokles napětí, budič vyhlásí Error stav a zablokuje výstupní pulsy. Kontrola chyb a paměť chyb vyhodnocovací obvod, který zpracovává chyby (podpětí, zkrat tranzistoru) a v případě, že porucha odezní a oba vstupní signály jsou nastaveny do log. 0 (na dobu větší než 9µs) je budič automaticky restartován. Popis obvodů moderních budicích obvodů PULSNÍ TRANSFORMÁTORY vysoká izolační schopnost 2,5 4kV AC vyšší šumová imunita dva PTR v budiči pro galvanické oddělení signálu (obousměrně) a napájecího napětí DC/DC měnič 4

5 Popis obvodů moderních budicích obvodů OBVODY NA SEKUNDÁRNÍ STRANĚ BUDIČE Výstupní blok budiče tranzistory výstupního bloku jsou typu MOSFET, které jsou odděleně připojeny na vnější výstupy budiče. To zajišťuje, že vnějšími rezistory R gon a R goff lze měnit doby zapnutí a vypnutí. Je-li IGBT zapnut na výstupu budiče je +15V, v opačném případě -7V. Popis obvodů moderních budicích obvodů OBVODY NA SEKUNDÁRNÍ STRANĚ BUDIČE Sledování napětí U CE, saturační ochrana obvod monitorující napětí U CE na IGBT během sepnutí a v sepnutém stavu. Pokud je vnitřní referenční napětí U CEref překročeno (nadproud, zkrat IGBT), tranzistor je vypnut a je generován signál ERROR. Napětí U CEref může být přizpůsobeno metodě spínání tranzistoru (pomocí RC). Popis obvodů moderních budicích obvodů OBVODY NA SEKUNDÁRNÍ STRANĚ BUDIČE Sledování napětí U CE, saturační ochrana t bl blanking time doba potlačení ochrany 5

6 Způsoby řízení budicích obvodů VPS Vlastnosti spínání tranzistorů MOSFET a IGBT jsou velkou měrou ovlivňovány rychlostí nabíjení vstupních kapacit tranzistoru C GE + C CG. Teoreticky je nabíjení kapacit řízeno pomocí odporu, napětí či proudu. Způsoby řízení budicích obvodů VPS Rychlost spínání je nastavována odporem R G při konstantním řídicím napětí, tak že se snižující se hodnotou R G se zkracuje spínací čas. Nevýhody: velikosti kapacit IGBT mají vlit na velikost spínacích časů a ztrát, není plná kontrola na hodnotami di/dt a du/dt. Řízení IGBT vnucením napětí na řídicí gate elektrodu eliminuje nedostatky řízení volbou odporu. Spínací rychlost tranzistoru je přímo definována hodnotou du/dt. Proudové řízení IGBT využívá pozitivní a negativní generátor proudu a definuje nabíjení gate kapacit. V praxi je proudové řízení využíváno pro řízení vypnutí v případech proudového přetížení či zkratu obvodu. Typické napěťové v GE a proudové i G charakteristiky moderního budiče VPS 6

7 Typické napěťové v GE a proudové i G charakteristiky moderního budiče VPS Při výpočtu požadovaného výkonu budiče potřebného pro sepnutí IGBT, hraje klíčovou roli náboj gate elektrody, který je charakterizován ekvivalentními vstupními kapacitami. C ies = C GE + C GC vstupní kapacita C oes = C GC + C CE výstupní kapacita C res = C GC zpětná převodní kapacita Millerova kapacita Charakteristiky během zapínání IGBT 7

8 určení vstupního náboje Q G IGBT - odečtením z charakteristiky z datalistu IGBT určení vstupního náboje Q G IGBT matematickým výpočtem (v případě, že není k dispozici charakteristika V G =f(q G )) kde kapacitní konstantu k c lze vyjádřit jako: kde Q G(ds) a C ies jsou hodnoty z datalistu IGBT a V G(on) a V G(off) jsou zapínací a vypínací řídicí napětí IGBT potom pro Q G platí: určení výstupního výkonu budiče substituce výkon budiče pro jeden kanál bude: pro zjednodušený výpočet s využitím kapacity C ies lze použít: 8

9 proud řídicí (gate) elektrodou klíčový požadavek na IGBT budič je dostatečný proud pro nabití vstupních kapacit IGBT, tak aby bylo zaručeno jeho zapnutí a vypnutí. Náboj řídicí elektrody je definován kde celková kapacita řídicí elektrody je substituce potom pro zjednodušený výpočet s využitím kapacity C ies lze použít: špičkový proud řídicí (gate) elektrodou velikost gate proudu závisí va hodnotách odporů R G(on) a R G(off). Při výpočtu dle následujícího vzorce je nutné počítat ještě s odporem R G(int). Reální hodnota proudu bude ve skutečnosti vlivem indukčností nižší. Výběr vhodného budiče Budič musí poskytnout potřebný gate proud (výstupní výkon, výstupní proud). Maximální střední hodnota výstupního proudu budiče musí být vyšší než vypočtená hodnota. Maximální špičkový gate proud budiče musí být větší nebo roven vypočtenému špičkovému proudu. Výstupní kapacita budiče musí být schopna dodat náboj potřebný k nabití kapacit IGBT. V datalistu budičů Semikron je udáno maximální nabití na jeden puls. Z ostatních parametrů je důležitá hodnota izolačního napětí a du/dt. 9

10 Integrované budicí obvody bez galvanického oddělení Budicí obvody VPS s galvanickým oddělením a proudovou ochranou Budicí obvody VPS s galvanickým oddělením a proudovou ochranou 10

11 Budicí obvody VPS s galvanickým oddělením a proudovou ochranou Budicí obvody VPS s galvanickým oddělením a proudovou ochranou IR zobrazení budiče Budicí obvody VPS s galvanickým oddělením a proudovou ochranou 11

12 Budicí obvody VPS s galvanickým oddělením a proudovou ochranou Reference Vondrášek, F.: Výkonová elektronika svazek 6, Projektování výkonových polovodičových měničů vybrané stati, ZČU Plzeň 2008 Wintrich, A.: Application Manual Power Semiconductors, SEMIKRON International GmbH 2010 Vorel, P., Patočka, M.:Budiče výkonových tranzistorů MOSFET a IGBT, VUT Brno Vaculík, P.: Střídač hlavního pohonu elektromobilu s vodním chlazením, diplomová práce, VŠB-TU Ostrava 2007 SEMIKRON: Application Note IGBT Driver Calculation AN CT-Concept Technologie AG děkuji za pozornost Konstrukce polovodičových měničů 12