Защита от перегрузки по току IGBT и короткого замыкания в промышленном двигателе

Промышленные двигатели имеют относительно низкую рабочую среду, высокую температуру, переходные процессы в сети переменного тока, механическую перегрузку, ошибки проводки и другие непредвиденные ситуации. Некоторые из этих событий могут привести к возникновению больших сверхтоков в силовой цепи двигателя. На рисунке 1 показаны три типичных события короткого замыкания.

1 - инвертор. Это может быть связано с неправильным открытием одного из двух IGBT плеч инвертора, что может быть вызвано электромагнитными помехами или сбоем контроллера. Это также может быть связано с одним из IGBT на износ / отказ IGBT, вызванный нормальным IGBT, удерживающим действие переключателя.

2 относительно короткая фаза. Это может быть связано с ухудшением производительности, слишком высокой температурой или событиями перенапряжения, приводящими к диэлектрическому пробою между пробоем, вызванным изоляцией.

3 - короткое замыкание фазы к земле. Это может быть также связано с ухудшением производительности, слишком высокой температурой или событиями перенапряжения, приводящими к обмоткам двигателя и электрической изоляции между корпусом, вызванным пробоем. В общем, двигатель может поглощать очень большие токи в течение относительно длительного времени (от миллисекунд до секунды, в зависимости от размера и типа двигателя); однако IGBT - промышленные двигатели приводят основную часть инверторной ступени - короткое замыкание. Время допуска - микросекунда.

Допуск на короткое замыкание IGBT

IGBT время выдерживания короткого замыкания и его крутизны или усиление и тепловая мощность чипа IGBT. Более высокий коэффициент усиления приводит к увеличению тока короткого замыкания в IGBT, поэтому ясно, что IGBT с более низким коэффициентом усиления имеет более низкий уровень короткого замыкания. Однако более высокий выигрыш также приводит к снижению потерь проводимости в государстве, и, следовательно, должны быть сделаны компромиссы. Разработка технологии IGBT стимулирует тенденцию к увеличению уровня тока короткого замыкания, но уменьшает время выдерживания короткого замыкания. Кроме того, достижения в области технологий приводят к меньшему размеру чипа, уменьшенному размеру модуля, но уменьшению теплоемкости и еще более короткому времени выполнения.

Кроме того, существует большая связь с напряжением коллектора-эмиттера IGBT, поэтому промышленный привод стремится к более высокому уровню напряжения шины постоянного тока, параллельно уменьшая время выдерживания короткого замыкания. Раньше этот временной интервал составлял 10 мкс, но тенденция последних лет находилась в направлении 5 мкс3, а некоторые условия достигали 1 мкс.

Кроме того, время выдерживания короткого замыкания для разных устройств также весьма различно, поэтому для схем защиты IGBT обычно рекомендуется иметь дополнительные поля, построенные с более чем номинальным временем выдерживания короткого замыкания.

Максимальная токовая защита IGBT

Независимо от материального ущерба или соображений безопасности защита IGBT от перегрузки по току является ключом к надежности системы. IGBT не являются отказоустойчивым компонентом, и если они не работают, они могут привести к взрыву конденсатора шины постоянного тока и привести к сбою всего диска. Защита от перегрузки по току обычно достигается с помощью измерения тока или определения десатурации. На рисунке 2 показаны эти методы.

Для измерения тока как рычаг инвертора, так и выход фазы требуют, чтобы измерительные устройства, такие как шунтирующие резисторы, справлялись с прямолинейными отказами и сбоями обмотки двигателя. Схема перехода быстрого запуска в контроллере и / или драйвер ворот должны быть отключены вовремя, чтобы предотвратить время простоя короткого замыкания. Наибольшее преимущество этого метода состоит в том, что для каждого преобразователя требуется два измерительных устройства и оснащено всеми соответствующими схемами кондиционирования и изоляции сигналов. Это можно уменьшить, добавив шунтирующий резистор в положительную линию шины постоянного тока и отрицательную линию шины постоянного тока. Однако во многих случаях в архитектуре привода имеется либо шунтирующий резистор, либо фазовый шунтирующий резистор для обслуживания токового контура управления и обеспечения максимальной токовой защиты двигателя; они также возможны для максимальной токовой защиты IGBT - при условии, что время реакции на формирование сигнала достаточно быстро, чтобы защитить IGBT в требуемое время выдерживания короткого замыкания.

Десенсибилизирующее обнаружение использует сам IGBT как текущий элемент измерения. Диод в схеме гарантирует, что напряжение на коллекторе-эмиттере IGBT контролируется только схемой обнаружения во время проводимости. Во время нормальной работы напряжение коллектора-эмиттера очень низкое (обычно от 1 В до 4 В). Однако, если происходит событие короткого замыкания, ток коллектора IGBT поднимается до уровня, на котором IGBT привода выходит из зоны насыщения и входит в линейную рабочую область. Это приводит к быстрому увеличению напряжения коллектор-эмиттер. Вышеуказанный нормальный уровень напряжения может быть использован для обозначения того, что существует короткое замыкание, а пороговый уровень перехода десатурации обычно находится в области от 7 до 9 В. Важно, что десатурация также указывает на то, что напряжение затвора-эмиттера слишком низкое, а IGBT полностью не приводится в область насыщения. Для предотвращения ложных срабатываний, тщательно выполните развертывание обнаружения десатурации. Это может произойти, в частности, когда IGBT еще не полностью ввел состояние насыщения из состояния отключения IGBT в состояние включения IGBT. Время гашения обычно находится между сигналом включения и временем активации обнаружения десатурации, чтобы избежать ложного обнаружения. Как правило, добавляется зарядный конденсатор источника тока или RC-фильтр для генерации короткой постоянной времени в механизме обнаружения для фильтрации побочных переходов фильтра, вызванных выбором шума. При выборе этих фильтрующих элементов требуется компромисс между помехоустойчивостью и временем выдерживания короткого замыкания IGBT.

После обнаружения перегрузки по току IGBT еще одна задача - отключить IGBT на аномально высоком уровне тока. В нормальных условиях эксплуатации драйвер ворот предназначен для того, чтобы как можно быстрее закрыть IGBT, чтобы минимизировать потери при переключении. Это достигается за счет более низкого импеданса драйвера и резистора привода затвора. Если к условию максимального тока применяется одна и та же скорость выключения затвора, то величина излучателя-коллектора будет намного больше, потому что ток сильно меняется в течение короткого периода времени. Паразитная индуктивность схемы коллектор-эмиттер из-за пайки проволокой и индуктивности поперечной обмотки печатной платы может привести к тому, что большой уровень перенапряжения достигнет IGBT (из-за VLSTRAY = LSTRAY × di / dt). Поэтому важно обеспечить высокоимпедансный путь отключения, когда IGBT отключается во время события десатурации, что уменьшает di / dt и все потенциально разрушительные перенапряжения.

В дополнение к системной ошибке, вызванной коротким замыканием, мгновенный инвертор через то же самое произойдет при нормальных рабочих условиях. На этом этапе IGBT включает IGBT в область насыщения, где потери проводимости являются самыми низкими. Обычно это означает, что напряжение затвора-эмиттера во включенном состоянии больше 12 В. Для отключения IGBT требуется, чтобы IGBT направлялся в рабочую зону отсечения, чтобы успешно блокировать обратное высокое напряжение на обоих концах, когда высокий IGBT-сторона. В принципе, цель может быть достигнута путем снижения напряжения затвора-эмиттера IGBT до 0 В. Однако необходимо учитывать побочные эффекты транзистора с низкой стороны на плече инвертора.

Быстрое изменение напряжения коммутирующего узла при включении приводит к емкостному чувствительному току, протекающему через низкорасположенную IGBT-паразитную емкость коллектора-затвора Miller (CGC на рисунке 3). Ток протекает через драйвер ворот низкой стороны (ZDRIVER на рисунке 3), чтобы отключить импеданс на эмиттере с шинами IGBT с низкой стороны, чтобы создать увеличение переходного напряжения, как показано. Если напряжение повышается выше порогового напряжения IGBT VTH, это вызовет короткий поворот на IGBT с низкой стороны, чтобы сформировать переходный переходник инвертора - потому что оба IGBT включены кратковременно. Это, как правило, не разрушает IGBT, но это может увеличить потребление энергии, влияя на надежность.

В общем, есть два способа решения индуктивной задачи инвертора IGBT - использование биполярного источника питания или дополнительного зажима Miller. Возможность принимать биполярную мощность при изоляции драйвера ворот обеспечивает дополнительный запас для индуцированных переходных процессов напряжения. Например, отрицательный рельс -7,5 В указывает на то, что для определения ложной проводимости требуется индуктивный переход напряжения более 8,5 В. Этого достаточно для предотвращения ложной проводимости. Другим методом является уменьшение импеданса выключения схемы драйвера затвора в течение определенного периода времени после завершения преобразования выключения. Это называется цепью зажима Miller. Емкостный ток теперь протекает через схему нижнего импеданса, что, в свою очередь, уменьшает величину переходных процессов напряжения. Использование асимметричных резисторов затвора для проведения и выключения обеспечивает дополнительную гибкость для управления скоростью переключения. Все эти функции драйвера ворот оказывают положительное влияние на общую надежность и эффективность системы.