Curto-circuito do IGBT no sistema e sua proteção

Curto-circuito do IGBT no sistema e sua proteção

resumo

Este artigo discute brevemente várias proteções de curto-circuito do IGBT comumente usadas em sistemas de baixa tensão e de pequena e média potência, e apresenta principalmente o método de uso da detecção de Vce. O princípio de funcionamento da proteção contra curto-circuito e a racionalidade do projeto do circuito de proteção são explicados de forma sucinta.

Introdução ao esquema de proteção contra curto-circuito

No projeto comum de proteção contra curto-circuito, a amostragem de corrente tem principalmente três formas, respectivamente: detecção por resistor shunt do N-BUS (zero

Line), detecção por Hall na saída, detecção de tensão Vce.

gráfico 1

O sinal de tensão é usado por meio da conexão de um pequeno resistor para determinar o curto-circuito no circuito do barramento. Esse método tem alta precisão e sensibilidade, e pode proteger contra curto-circuito à terra; a desvantagem é que é adequado apenas para máquinas de baixa potência, pois para correntes altas a exigência de potência do resistor é muito elevada.

À medida que o tempo de resposta do sensor Hall continua a melhorar, ele não só tem a função de converter a magnitude da corrente, como também protege a corrente de curto-circuito por meio do circuito de hardware. Devido aos problemas no tempo de resposta da detecção Hall, a confiabilidade era relativamente menor do que nos outros dois métodos. O sensor Hall não é adequado porque é instalado no terminal de saída.

O método protege os transistores superior e inferior por meio.

A proteção fotocoplada do IGBT é obtida pela detecção da tensão C-E e, de acordo com a relação entre Vce e Ic, quando Ic sobe rapidamente, Vce acompanha. Quando o valor de Vce atinge a tensão do ponto de proteção, o acoplador óptico desliga-se sozinho e envia o sinal de erro ao DSP; todo o processo geralmente ocorre entre 5 e 10 us. Como essa proteção é muito sensível e tem baixa precisão, ela é adequada apenas para proteção contra curto-circuito. A Figura 2 mostra o diagrama de Vce e Ic do GD200HFL120C2S. Com o aumento de Vce, o aumento de IC também cresce. O Ic em +7V, na verdade, excede em muito a corrente de curto-circuito do módulo. Ao realizar o teste dinâmico de curto-circuito, L, Vg, tr, tf e outros parâmetros precisam de controle rigoroso e estável, e a corrente geralmente é controlada em 8 a 10 vezes Ic, conforme mostrado na Figura 3. No entanto, o curto-circuito é testado no sistema, e a corrente frequentemente sobe mais devido às características de comutação, à carga do circuito e à interferência.

Proteção comum contra curto-circuito em acoplador óptico de comando

(I) PC929

O PC929 é um acoplador óptico de comando amplamente usado na indústria de inversores, com função de proteção contra curto-circuito (o PC923 não tem proteção). Como sua corrente de pico de saída é apenas 0,4 A, para acionar IGBT de alta potência é necessário amplificar na etapa seguinte. A corrente do módulo que o PC929 consegue acionar depende da escolha do transistor. Desde que o PC929 consiga acionar o transistor e o transistor consiga acionar o IGBT, isso pode ser implementado.

A Figura 3 mostra o circuito interno de proteção do PC929:

1. Quando o IGBT é desligado, a tensão do pino 9 é puxada para zero.

2. Quando o IGBT é ligado, Vcc carrega o Cp através de Rc; com a tensão de carga ultrapassando +7V, ocorre a transmissão O2

Com o desligamento suave, o FS envia ao mesmo tempo o sinal de erro ao CPU; o FS é ativo em nível baixo, e a velocidade de carga do Cp é determinada por Rc e Cp.

3. Quando o IGBT é desligado, C é rapidamente puxado para baixo, e a velocidade de descida é muito maior que a velocidade de desligamento do IGBT.

Muita gente relata que o PC929 é propenso a disparos indevidos, mas o mecanismo desse problema não é muito claro. Alguns pensam que o tempo de proteção é curto demais, enquanto outros acham que a queda de tensão do IGBT é grande demais. Então vamos discutir a razão pela qual o PC929 dispara indevidamente, o que é muito importante para o projeto do circuito de proteção do IGBT.

Em teoria, quanto maior o Vce(sat), mais rápido o IGBT atinge a tensão de proteção de +7V na zona linear, o que está correto, mas não é a causa do disparo indevido. O valor de Ic correspondente à queda de tensão de saturação de +7V é muito maior do que a queda de tensão de saturação da corrente máxima de sobrecarga, enquanto a queda de tensão do chip comum é de apenas abaixo de 1V, e essa diferença não causará disparo indevido no estado sem curto-circuito.

Quando o IGBT é normalmente ligado, a principal causa do erro de falsa proteção é o tempo de queda de Vce quando o IGBT abre, e o tempo de carga de Cp. Veja a Figura 4.

A fonte Vcc carrega o Cp por meio de Rc, com a tensão de carga de Ucp.

Se Vce descer ao longo do caminho a, então Vce já caiu abaixo de +7V antes de Ucp atingir +7V, e então a tensão do pino 9 não aparece acima de +7V.

Se Vce descer pelo caminho c, então Vce ainda estará acima de +7V quando Ucp atingir +7V, e então a detecção de tensão do pino 9 aparecerá acima de +7V, acionando a proteção contra curto-circuito.

Conclusão: para evitar acionamento incorreto na abertura, você pode estender um pouco o tempo de carga ou tornar a velocidade de abertura um pouco mais rápida.

(2) 316J

O 316J também é amplamente usado no acionamento de IGBT e no acoplamento óptico com detecção de Vce. A maior diferença em relação ao PC929 é que o 316J consegue acionar diretamente o módulo de 150A sem a necessidade de transistores. Em termos de mecanismo de proteção, ele também é muito semelhante ao PC929. Veja a Figura 5: quando o IGBT é desligado, o DESAT (14) é puxado para o terra por meio de um MOSFET de alta velocidade; o MOSFET é desligado após a abertura do IGBT, e o pino 14 é carregado por meio da fonte de corrente interna e do capacitor, e a tensão aumenta acima de +7V, protegendo o 316J. O PC929 carrega o capacitor com Vcc através de resistência; o 316J carrega o capacitor diretamente por meio da fonte de corrente interna. Como o capacitor é carregado por uma fonte de corrente constante, o tempo de carga também pode ser calculado com mais precisão:

t = CV / I, selecione C = 100p

t = 100p * 7V / 250uA = 2,8us

Isso significa que o Vce deve cair abaixo de +7V dentro de 2,8us, ou haverá atraso.

gráfico 6

Introdução ao experimento de proteção contra curto-circuito

A proteção contra curto-circuito pode ser dividida em curto-circuito alternado e curto-circuito relativo, de acordo com a forma do curto-circuito. Mas, independentemente do tipo de curto-circuito, para haver fluxo de corrente, é preciso formar um loop; portanto, no projeto da proteção contra curto-circuito, a detecção pode ser feita em qualquer ponto do circuito, embora, claro, o efeito não seja o mesmo. Em geral, escolhemos detectar a tensão Vce

porque ela é relativamente eficaz e confiável.

No teste de proteção contra curto-circuito de fase na indústria de inversores, há a condição de primeiro curto-circuito e depois acionamento, e a de primeiro acionamento e depois curto-circuito. A condição do primeiro é relativamente simples: a saída já está em curto-circuito e, quando o sinal de abertura chega, a corrente começa a subir; a segunda condição é mais complexa, pois, quando o sistema já está em operação, a posição do curto-circuito pode estar em qualquer ponto do ciclo de trabalho, de modo que a forma de onda de cada curto-circuito também é muito diferente. Então, qual corrente de proteção é maior? Após o teste no sistema, verificamos que, durante a operação, a corrente no curto-circuito pode subir mais, porque, quando o IGBT abre em curto-circuito, Vg é elevado mais, e o Ic na região linear é afetado principalmente por Vg.

Ires = Cres * dv / dt

△Vg = Ires * (Rg + Rint)

I c =K (V g -V t h )2

A Figura 7 mostra a forma de onda de curto-circuito medida no testador dinâmico. Verificamos que, depois de Isc subir de forma constante, ele é limitado pelo próprio chip. A tensão de gate Vg não foi muito perturbada durante todo o processo.

A Figura 8 mostra a forma de onda de curto-circuito do módulo de 1200 V / 50 A no conversor de frequência.

- -t 1: dv / d t afeta continuamente V g; I sc está em subida, e a inclinação é determinada pelo indutor de carga parasita L, Isc=K (Vg-Vth) 2

- -t2: dv / dt deixa de afetar Vg, Vg diminui e Isc diminui com Vg.

- -t3: Vg está estável e Isc está estável.

- -t4: IGBT desligado, Isc reduzido, Vce=Vdc + di / dt * Lbus, portanto há sobretensão.