Особенности применения IGBT в схемах с индуктивной нагрузкой

Осциллограммы переключения IGBT для мостовой схемы в режиме непрерывного тока в обмотке двигателя представлены на рис. 4.76.

Качественно картина процессов коммутации аналогична рассмотренному ранее варианту переключения мощного МДП-транзистора при индуктивной нагрузке (см. раздел 4.5.1).

а б

в

Рис. 4.76

Для практических расчетов используют интегральные характеристики потерь в виде энергетических параметров Е_ON и Е_OFF - Нарастание тока ключа при открытом демпферном диоде определяется скоростью заряда входной емкости и силовой крутизной:

(4.113)

Для относительно больших значений параметра крутизны, свойственных IGBT, скорость изменения коллекторного тока может достигать тысяч ампер на микросекунду. При данных скоростях значительно усиливается роль паразитных индуктивностей монтажа схемы. Это приводит, во-первых, к заметному провалу в кривой напряжения коллектор—эмиттер включающегося IGBT на этапе нарастания тока и, во-вторых, к всплеску обратного напряжения на демпферном диоде и закрытом IGBT. Если первый эффект можно рассматривать как положительный, уменьшающий энергию потерь при включении, то второй способен привести к пробою структуры диода, особенно при его резком выключении (рис. 4.77). Кроме того, высокочастотный колебательный процесс генерирует электромагнитные помехи, ухудшающие работу отдельных блоков электронных систем.

Рис. 4.77

Увеличение температуры перехода ключа, свойственное режиму двигательной нагрузки в переходном процессе включения, проявляется следующим образом:

1. Практически не влияет на скорость включения IGBT.

2. Увеличивает обратный заряд восстановления (при одновременном увеличении обратного тока Irr и времени восстановления trr), что увеличивает мощность потерь (рис. 4.78).

а б

Рис. 4.78

Коммутация тока в демпферный диод в переходном процессе выключения начинается в момент, когда напряжение на его аноде достигает величины напряжения питания плеча схемы моста. Перенапряжение в схеме обусловлено конечной скоростью включения диода и пропорционально величине паразитной индуктивности Ls. В момент времени, при котором входное напряжение запираемого ключа уменьшается до порогового значения, стадия быстрого уменьшения тока коллектора переходит в рекомбинационную фазу, сопровождающуюся характерным «хвостом» тока.

Влияние увеличения температуры структуры при выключении проявляется следующим образом:

1. Увеличивает амплитуду, и длительность хвостовой части тока (особенно заметно для приборов РТ-технологии) (рис. 4.79).

2.

а б

Рис. 4.79

2. Замедляет скорость нарастания напряжения на запираемом ключе (рис. 4.80).

Рис. 4.80

Обе зависимости определяются увеличением накопленного заряда носителей с ростом температуры. Рассмотренные режимы переключения IGBT при двигательной нагрузке определяют следующий перечень требований на применение:

1. Критическим фактором, определяющим предельный режим при включении, является перенапряжение на демпферном диоде. Всплеск перенапряжения необходимо фиксировать в пределах ОБР применением последовательного резистора RG в цепи затвора IGBT (рис. 4.81).

а б

Рис. 4.81

2. Рекомендуется снижать паразитную индуктивность монтажа схемы до уровня 100..150нГн (рис. 4.82).

3. Рекомендуется применение обратных диодов с «мягким» режимом восстановления (рис. 4.83).

Рис. 4.82 Рис. 4.83

4. Критическим фактором, определяющим предельный режим при запирании IGBT, является перенапряжение на ключе, что также требует снижения паразитных индуктивностей и возможно дополнительных цепей защиты (рис. 4.84).

Рис. 4.84