Силовые ключи с интегрированной системой защиты

Одной из основных тенденций развития современных силовых ключей, основанной на достижениях монолитной и гибридной технологий, является объединение в едином корпусе прибора функций переключателя, его управления и защиты. Данные приборы, получившие название «разумные» (Smart) или интеллектуальные (Intelligent), позволяют избавиться от громоздких и неэкономичных дополнительных цепей защиты, среди уже достаточно широкого перечня подобных приборов можно выделить следующие основные группы:

1. Силовые ключи с одной или несколькими встроенными системами защиты. Для управления данными приборами требуется применение внешнего драйвера. Эти ключи, называемые также самозащищенными, обеспечивают защиту от перенапряжений, токовых-перегрузок и температурных воздействий.

2. Силовые ключи с интегрированными функциями защиты и управления.

Данные приборы получили название силовых интегральных схем (Power Integrated Circuits) и, как правило, разрабатываются для конкретной области применения, например в ключевых источниках электропитания, или схемах управления электродвигателями на мощности до единиц киловатт.

3. Силовые интеллектуальные модули IPM (Intelligent Power Modules.).

Данные схемы строятся на базе IGBT-ключей для применения в преобразователях на десятки и сотни киловатт мощности нагрузки.

Детальное рассмотрение всех функций и возможностей этих интересных и перспективных приборов может составить отдельную книгу, поэтому остановимся только на основных моментах, относящихся к защитным свойствам «разумных» ключей.

Одним из главных недостатков биполярных транзисторов является необходимость удаления избыточного накопленного заряда при выключении, Это сопровождается увеличением временного параметра, называемого временем рассасывания. При достаточно глубоком насыщении ключа время рассасывания может увеличиваться до единиц, а то и десятков микросекунд.

Это не только ухудшает динамические свойства транзистора, но и может приводить к режимам перегрузки, например, в схемах мостовой конфигурации. Для решения проблемы используют цепи нелинейной обратной связи, что существенно усложняет схемотехнику устройства (как минимум четыре дополнительных диода на ключ), или применяют систему пропорционального токового управления, что дополнительно нагружает систему формирователя импульсов. В серии транзисторов PowerLux-D2 фирмы «ON-Semiconductor» данная проблема решена на интегральном уровне. Если в многоячейковой структуре биполярного транзистора (см. главу 2) диффузию верхнего эмиттерного слоя проводить только в каждой второй ячейке, получится прибор, эквивалентная схема которого показана на рис. 3.46.

Данная схема представляет собой ненасыщенный ключ, в котором при начале положительного смещения в цепи коллекторного перехода открывается регулирующий транзистор, автоматически отводящий избыток базового тока управления.

На базе рассмотренных ранее SENSE-структур силовых транзисторов создаются ключи с защитой от токовой перегрузки.

а б Рис.3.46

Принцип защиты основан на применении дополнительного транзистора, включенного параллельно входной цепи силового ключа и управляемого от SENSE-вывода его структуры. Пример данной токовой защиты показан на рис. 3.47 для мощного МДП-транзистора серии SMARTDISCRETES фирмы «ON-Semiconductor». В режиме токовой перегрузки смещение на резисторе R2, через который течет ток, пропорциональный основному, увеличивается до уровня отпирания защитного транзистора.

При этом происходит закорачивание входной цепи силового ключа. Аналогичный принцип защиты от режима короткого замыкания и развития триггерного эффекта используется в NLU-IGBT-ключах фирмы "Fuji Electric" (NLU-Non Latch Up) (рис. 3.48). В данных приборах в корпус силового ключа встроен дополнительный кристалл защитного МДП-транзистора, пороговое напряжение которого согласовано с допустимым уровнем токовой перегрузки. Применение интегрированной защитной схемы позволяет увеличить длительность пребывания IGBT в режиме короткого замыкания до 25...30 мкс.

Встроенные системы защиты от перенапряжений основаны на ограничительных свойствах диодов со стабилитронной характеристикой. Данные диоды размещаются в корпусе силового ключа параллельно входной, проходной или выходной цепи (рис. 3.49).

В качестве датчиков температуры кристалла силового ключа используются различные температурочувствительные элементы (Temperature Sensor), сигнал от которых используется для прерывания сигналов управления, при превышении температурой допустимого значения. Применяют как специальные датчики температуры в виде термопары с относительно быстрой постоянной времени (до 250 мс), которые приклеиваются непосредственно к кристаллу силового ключа (рис. 3.50), так и температурочувствительные полупроводниковые элементы, например, диоды в структуре мощных МДП-транзисторов серии TempSENSE фирмы «IR» (рис. 3.51).

В качестве примера силовой интегральной схемы, в которой объединены все приведенные варианты интегрированных систем защиты, на рис. 3.52 представлен МДП-ключ серии PROFET фирмы «Infineon Technologies». Данный прибор имеет также встроенный драйвер, который управляется от информационного сигнала ТТЛ-уровня.

Рис. 3.47 Рис. 3.48

В режиме короткого замыкания МДП-ключ автоматически выключается, если длительность перегрузки превышает 40 мкс. Температурный датчик также обеспечивает выключение драйвера при увеличении перегрева структуры свыше 150°С. Диаграмма, иллюстрирующая работу систем защиты при токовой и температурной перегрузке, представлена на рис. 3.53.

Рис. 3.49 Рис. 3.50

Для защиты от перенапряжения МДП-ключ снабжен стабилитронами, включенными параллельно выходной и проходной цепи основного транзистора. Корпус прибора, кроме того, обеспечивает повышенную стойкость к воздействию зарядов электростатического электричества.

На рис. 3.54 представлен пример еще одного МДП-ключа, выполненного в виде силовой интегральной схемы серии IR6000 фирмы «IR».

Схема содержит встроенный драйвер и системы токовой и температурной защиты и может применяться в устройствах электронного зажигания ламп, а также для управления двигательной нагрузкой на мощность в несколько сотен ватт. Системы защиты МДП-ключа рассчитаны на максимальный выходной ток 7 А и температуру не выше 75°С.

Рис. 3.51

Рис. 3.52

Рис. 3.53

На рис. 3.55 показаны осциллограммы управляющего напряжения транзистора и выходного тока при нормальном пусковом режиме и при режиме с токовой перегрузкой при работе на электронную лампу.

Структурная схема силового интеллектуального модуля IPM представлена на рис. 3.56.

Данная система выполняет следующие защитные функции:

1. Контроль за уровнем напряжения питания преобразователя.

2. Защита от токовой перегрузки.

3. Защита от режима короткого замыкания.

4. Температурная защита.

Рис. 3.54

По сигналу перегрузки от любой из перечисленных систем защиты драйвер прерывает подачу импульсов управления во входную цепь IGBT, При этом на выходе системы индикации режима перегрузки появляется информационный сигнал. В IPM третьего поколения применяется ускоренная система контроля режима токовой перегрузки, которая позволяет обнаружить аварийный процесс в течение интервала менее 100 нс. На рис. 3.57 показаны осциллограммы, иллюстрирующие прерывание тока короткого замыкания при использовании стандартного драйвера с функцией токовой защиты и при работе системы защиты IPM. Ускоренный режим обнаружения и отключения токовой перегрузки практически не сопровождается выбросами перенапряжений в схеме ключа.

а б

Рис. 3.55

Рис. 3.56

а б

Рис. 3.57