Comutatia tranzistorului IGBT. Circuite de testare si comanda.

Comutatia tranzistorului IGBT. Circuite de testare  si comanda.

Trecerea tranzistorului IGBT din starea blocata in stare de conductie se numeste comutatie directa. Comutatia directa se desfasoara sub efectul aplicarii tensiunii de comanda V_GEM, in circuitul grila - emitor al tranzistorului. Tensiunea de grila V_GE evolueaza exponential, dupa o lege care depinde si de rezistenta din circuitul de grila., R_g. Procesul de comutatie este caracterizat de doua intervale de timp distincte: timpul de intarziere sau de stocare, t_d, respectiv timpul de comutare propriu ­zisa sau timpul de crestere, t_r . Ca urmare, timpul de comutare directa, t_on, va fi:

t_on=t_d+t_r

Pierderile in timpul comutatiei directe evolueaza conform curbei P_ON. Valoarea acestor pierderi, pentru tensiune colector - emitor si curent de colector date, depinde de durata comutatiei, controlabila prin rezistenta din circuitul de grila, R_g.

Procesul de comutatie inversa, numit si de blocare. este evidentiat prin Figura 3.7.1. Asa cum rezulta din circuitul de masurare alaturat, Figura 3.7.2, blocarea tranzistoarelor IGBT este luata in considerare in conditiile unei sarcini rezistiv - inductive in circuitul de colector al dispozitivului semiconductor. Comutatia inversa are loc prin aplicarea tensiunii negative V_EGM circuitului grila - emitor a1 tranzistorului. Ca urmare tensiunea de grila V_GE va evolua catre noua sa valoare stationara tot exponential, constanta de timp fiind ajustabila cu ajutorul aceleiasi rezistente R_g;. Comutatia inversa a acestor tranzistoare are loc tot in doua etape, caracterizate prin urmatoarele intervale de timp: timpul de intarziere la blocare t_s , si timpul de comutare propriu-zisa sau de cadere, t_f. Timpul total de comutare, t_off va fi prin urmare:

t_off =t_s + t_f

Figura 3.7.2. Circuitul de testare al comutatiei inverse.

Nu este obligatorie folosirea unei tensiuni negative v_EGM pentru blocarea tranzistorului IGB'I'. Comutatia inversa poate avea loc si prin aducerea potentialului grilei la valoarea 0 corcspunzatoare potentialului emitorului. Avantaje legate in special de viteza de comutatie si de siguranta in functionare fac insa prima metoda preferabila.

Conform figurii 3.7.2, in paralel cu sarcina este prevazuta o dioda de curent invers. Aceasta nu exclude insa in intregime supratensiunile la bornele circuitului colector - emitor, caracterizate prin valoarea maxima v_CEM a tensiunii la blocare. Aceste supratensiuni sunt rezultatul prezentei inductivitatilor parazite din. circuit care nu pot fi eliminate in totalitate nici cu cea mai ingrijita proiectare a cablajului.

Curba marcata cu P_off in Figura 3.7.1 evidentiaza pierderile de putere in timpul comutatiei inverse, pierderi de putere care depind de timpul de comutare, deci pot fi influentate si ele prin valoarea rezistentei R_g de la iesirea etajului final de comanda al tranzistorului. In cazul tranzistoarelor IGBT o atentie deosebita trebuieste acordata faptului ca curentul de colector mai pastreaza o valoare redusa un timp relativ lung dupa terminarea procesului de comutare, cand tensiunea colector - emitor a atins deja valoarea sa de regim stationar, V_CE . Datorita acestui curent redus, numit in literatura tehnica de limba engleza 'tail current', pierderile totale de putere la revenirea inversa sunt apreciabil marite. 

Figura 3.7.3 se refera la un circuit de testare a regimului de scurtcircuit pentru tranzistoarele IGBT. Acest circuit corespunde unui chopper de un cadran la care sarcina este scurtcircuitata. In mod normal numarul scurtcircuitelor eliminabile prin comanda se indica in catalog si are o valoare limitata, ca urmare aparitia lor intr-un convertor trebuieste contorizata, asociat cu informarea sistemului de comanda al instalatiei, in vederea decuplarii automate in cazul repetarii evenimentului

Siguranta in functionare a convertoarelor electronice de putere cu tranzistoare IGBT se poate asigura prin folosirea circuitelor de comanda optime, asociat cu circuite corespunzatoare de protectie impotriva supratensiunilor si curentilor de scurtcircuit. Un convertor bine proiectat trebuie sa oferc un grad cat mai ridicat de autoprotectie, chiar si in cazul unor semnale de comanda gresite sau afectate de un nivel ridicat de zgomote. Tocmai din aceste motive in continuare se vor analiza detaliat principiile specifice de comanda si de protectie pentru circuitele electronice cu tranzistoare IGBT.

Pentru un singur tranzistor bipolar cu comanda prin camp din configuratia unui convertor electronic de putere circuitul de comanda adecvat rezulta din Figura 3.7.4. Se presupune ca sistemul de reglare si comanda al convertorului se bazeaza pe un microcalculator, (PC, microcalculator specializat, DSP, transputer, etc.). Impulsurile propriu-zise de comanda sunt generate de un circuit specializat pentru modulare in durata a impulsurilor, PWM si sunt transferate in circuitul de comanda al tranzistorului prin intermediul unui transformator de impulsuri in vederea separarii galvanice. Folosirea de optocuploare in acest scop este de asemenea larg raspandita. Separarea galvanica este vital necesara intrucat pe de o parte circuitul electronic de putere este afectat de serioase zgomote de natura electrica si pe de alta parte potcntialul emitorului tranzistorului IGBT comandat poate fi variabil in timpul functionarii convertorului. Circuitul de comanda al tranzistorului contine un etaj de comanda prefinal si unul final. Etajul de comanda prefinal preia semnalul de comanda si il transfera amplificat etajului final daca nu se constata un regim de avarie in vecinatatea tranzistorului. Etajul de comanda final comanda tranzistorul in astfel de conditii incat sa rezulte comutatia optima in circuitul colector - emitor. Impulsul de comanda se poate suprima sau intrerupe daca temperatura jonctiunii depaseste valorile admisibile, daca in stare blocata a tranzistorului tensiunea colector ­emitor nu este suficient de mare si in conductie nu este atinsa starea complet saturata sau, in ultima instanta, daca se sesizeaza un curent de scurtcircuit in circuitul colector - emitor. Pentru a se exploata posibilitatea tranzistoarelor IGBT de a elimina prin comanda curentii de scurtcircuit, semnalele de eroare se transfera in timp minim direct etajului prefinal de comanda. Circuitele integrate moderne pentru comanda tranzistoarelor IGBT returneaza, cu separare galvanica semnalul de eroare si catre microcalculatorul care comanda convertorul, sau intregul proces, pentru contorizare si decuplare definitiva daca abaterea apare de mai multe ori in mod succesiv. Evident realizarea circuitului de comanda in configuratia prezentata este relativ dificila du utilizarea tranzistoarelor IGBT nu se poate concepe fara circuite integrate de comanda specializate. Acestea exista pe piata, producatorii de tranzistoare oferind circuitele de comanda adecvate produselor lor.

Proiect: Echipamente si instalatii de stingere a incendiului - prescriptii generale Eseu: Specificatie tehnica - fitinguri canalizare sudate din pvc

Figura 3.7.4 pune in evidenta un circuit de comanda pentru tranzistoare IGBT la care semnalul aplicat in circuitul grila - emitor este prelucrat de un amplificator integrat si transferat in grila printr-un etaj final cu tranzistoare bipolare complementare. Se foloseste sursa dubla de tensiune continua pentru a mentine negativata grila tranzistorului IGBT in timpul starii de blocare. Intre iesirea etajului final si grila se afla o singura rezistenla R_g constanta de timp a circuitului de comanda fiind aceeasi atat pentru procesul de saturare cat si pentru procesul de blocare. Formele de unda care caracterizeaza evolutia tensiunii si curentului din grila in cazul folosirii circuitului descris mai sus, sunt prezentate prin Figura 3.7.5. Prin modificarea valorii rezistentei R_g se poate ajusta durata de stabilire a regimului quasistationar in circuitul de grila si prin aceasta optimiza in mod relativ comutatia tranzistorului.

Este foarte important sa revenim mai detaliat asupra problemelor pe care le ridica rezistenta R_g din circuitul de grila al tranzistorului IGBT intrucat aceasta influenteaza intr-o masura hotaratoare procesele de comutatie directa si inversa. Pentru optimizarea comutatiei tranzistoarelor bipolare cu comanda prin camp s-au dezvoltat circuite de comanda cu performante superioare in care etajul final de comanda este astfel conceput incat doua rezistente diferite, R_GF respectiv R_GR impun independent constantele de timp de incarcare respectiv de descarcare a capacitatii grila - emitor.

Cresterea valorii rezistentei R_GF are drept consecinte: pierderi marite in tranzistor la saturare, pierderi marite la revenirea inversa a diodei supresoare, pierderi totale de comutatie marire, timp de stocare marit la revenirea directa, viteza de variatie a tensiunii colector - emitor dv/dt redusa si curent invers maxim diminuat in dioda supresoare. La alegerea valorii rezistentei R_GF trcbuie gasit un compromis intre urmatoarele elemente:

- pierderile totale de comutatie directa admisibile in tranzistorul IGBT si pierderile de blocare in dioda supresoare;

timpul maxim admisibil de stocare la saturare raportat la curentul maxim comutat si frecventa maxima de comutatie;

curentul invers maxim in dioda supresoare si curentul maxim comutat.

Figura 4.11. Schema electronica de principiu pentru circuitul de comanda al unui tranzistor IGBT.

In cazul rezistentei R_GR, marirea valorii sale are drept rezultat urmatoarele consecinte relativ la procesul de blocare si performantele generale a1e tranzistorului IGBT: cresc pierderile dc comutatie la blocare in tranzistor, creste timpul de intarziere la blocare, creste timpul de cadere, scade viteza de variatie a tensiunii colector - emitor, dv/dt, scad varfurile de tensiune la blocare si, in sfarsit, creste sensibilitatea la variatii rapide de tensiune a tranzistorului blocat. La dimensionarea valorii rezistentei R_GR va trebui gasit un compromis intre urmatoarele elemente:

Figura 7.5.. Tensiunea si curentul in circuitul grila - emitor al trazistorului

pierderile totale la blocarea tranzistorului si intarzierea admisibila la blocare care influenteaza curentul maxim comutat si frecventa maxima de lucru;

supratensiunea maxima admisibila la curentul maxim comutat, eventual scurtcircuit;

sensibilitatea admisibila la dv/dt.

Figura 7.5. Influenta rezistentei din circuitul de comanda asupra timpilor de comutatie.

Informativ se poate preciza ca la tranzistoarele IGBT actuale cataloagele recomanda pentru cele doua rezistente valori cuprinse intre 3,3 si 27 ohm, dar nu mai mari decat 50 ohm. De asemenea se mai recomanda ca rezistenta R_GR sa nu depaseasca cu mai mult de 18 ohm valoarea rezistentei R_GF.

In continuare se prezinta cateva circuite de comanda la care se pot optimiza independent procesele de comutatie directa si inversa a tranzistorului prin componente adecvat alese in circuitul de grila, [21.]. Figura 4.14 se refera la un circuit in care etajul prefinal este realizat cu un circuit amplificator integral iar etajul final se bazeaza pe un circuit cu tranzistoare in contra timp.

Varianta explicitata de Figura 7.5. are un singur etaj care foloseste un circuit integrat specializat pentru comanda tranzistoarelor bipolare cu comanda prin camp.

Figura 7.5. Principiul comenzii tranzitorului cu circuit integrat specializat.

Circuitul prezentat in Figura 7.5. are din nou o configuratie in doua etaje, primul bazat pe un amplificator integrat iar al doilea folosind tranzistoare complementare. O caracteristica comuna a tuturor circuitelor de comanda indicate este aceea ca folosesc, pentru fiecare tranzistor IGBT comandat cate doua surse de tensiune continua flotante. Acest fapt se constituie ca un dezavantaj, daca luam in considerare faptul ca un convertor modern poate avea un numar relativ mare de ventile in configuratia sa. Pe de o parte aceste surse de tensiune pot apela la un singur transformator de inalta frecventa cu un numar adecvat de secundare si stabilizare locala. Investitia este acceptabila daca se ia in considerare consumul de putere practic neglijabil al circuitelor de comanda propriu-zise.

Pe de alta parte, acolo unde acest lucru este posibil, se recomanda circuitul de comanda din Figura 7.5., care are caracteristic faptul ca tensiunea de alimentare necesara se ia chiar din circuitul de tensiune continua de alimentare a partii clectronice de putere in care functioneaza tranzistorul.