بخش اول
این راهنما به فرایند طراحی و انتخاب کلید ماژول IGBT در طراحی درایو (اینورتر – موتور) می پردازد.
برای طراحی یک اینورتر یا درایو نه تنها ملاحظات مربوط به کلید IGBT باید توجه کنیم بلکه باید ملاحظات بار ، گذراهای خط ،فرکانس کلید زنی و تلفات توان را نیز باید درنظر بگیریم.
ساختار ماژول:
اگر مقایسه ای بین کلید ماژول IGBT نسبت به نوع Discrete آن داشته باشیم اینطور به نظر می رسد که در نوع ماژول برای اتصال ویفر نیمه هادی به ترمینال های بیرونی از bonding wire استفاده می کنند که در این حالت از اتصال مستقیم مسی (DBC) استفاده شده است . ترمینال های قدرت به این نقاط متصل می شوند که از نظر مکانیکی این اتصالان ناهموار می باشند. بیشترین نقاط آسیب دیده همین نقاط bonding wire است که ذوب شده و از هم باز می شوند یا لحیم ها دچار شکستگی می شوند. نوع ماژول وقتی کلید می سوزد ، کلید مدار باز شده ولی در نوع Discrete اتصال کوتاه می گردد. در نوع Discrete هر بخش گرماگیر یا هیت سینک مجزا می خواهد ، چون گرما به طور یکنواخت پخش نمی شود و شاید نیاز به دمنده هوا نیز باشد ولی در نوع ماژول هیت سینک در صفحه زیرین بوده و کار خنک سازی را راحت تر می کند.
در شکل بالا ، یک ماژول نیمه پل Half Bridge (HB) را نشان می دهد که با استفاده از ۳تا از این HBها می توان یک پل سه فاز را تشکیل داد. در ماژول های جدید که در نرخ ۶۰۰ ولت و ۱۲۰۰ ولت پیشنهاد شده اند ، ولتاژ لینک DC در ناحیه۳۰۰ تا ۷۰۰ ولت در نظر گرفته می شوند. دمای عملکرد ماژول بین رنج منفی ۵۵ درجه سانتیگراد تا ۱۲۵درجه سانتیگراد با ماکزیمم دمای پیوند ۱۵۰ درجه می باشد.
انتخاب قطعه برای انتخاب مازول IGBT این اطلاعات اولیه می تواند به مجموعه ای ساده از سوالات در هنگام طراحی درایو یا اینورتر پاسخ داد. این موارد به شرح زیر است :
۱- جریان اتصال کوتاه
۲- مدت زمان اتصال کوتاه
۳- حداکثر جریان فاز ماشین
۴- حداکثر ولتاژ لینک DC
۵- حداکثر دمای پیوند
۶- حداکثر فرکانس سوئیچینگ یا کلید زنی
۷- حداکثر دمای محیط
۸- بسته بندی ماژول (Packaging)
۹- سطحی کیفی
با دانستن این پارامتر ها نرخ جریان کلید می تواند انتخاب شود. پکیج پیشنهادی کمپانی سایز ماژول بسته بندی شده را ارائه داده است ( ۳۴میلیمتر در ۶۲میلیمتر)
۱- نرخ جریان اتصال کوتاه :
اینورتر های بزرگ اغلب اندازه فیلتر کوچکتری دارند و ممکن است پیشنهاد شود که خروجی نیمه پل IGBTدر بیرون پک بسته بندی قرار بگیرد. این کاربرد ها نیاز به جریان اتصال کوتاه نامی قطعات دارند. تمامی ملاحظات معمولاً در اینورتر ها در نظر گرفته نمی شود. اینورتر معمولاً یک سلف سری در خروجی خود و یا یک فیلتر خازنی فاز به زمین برای حذف مولفه های فرکانسی دارد. این سلف di/dtکلید های IGBTکه از خازن های لینک DC دریافت می کند را محدود می کند.
سلف عنصر داخلی است و کاربر نمی تواند آنرا در ترمینال های خروجی Bypass کند.با این حال در عمل به مقدار ۵تا ۱۶میکروثانیه نرخ جریان اتصال کوتاه در IGBTنیاز نیست. هیچ راهی برای دستکاری پیک جریان سلف های فیلتر خروجی توسط کاربر وجود ندارد. امپدانس سلف انتخاب شده بگونه ایست که در فرکانس پایه خروجی پایین می باشد و معمولاً کمتر از ۱درصد است و به اندازه ایست که در فرکانس کلید زنی در بار های کم ، ریپل جریان کم باشد.
برای درایو موتور های الکتریکی ، آخرین طبقه خروجی مبدل HBاغلب مستقیماً در اختیار کاربر نهایی است و ممکن است کاربر نهایی یکی از طبقات HBرا به برخی ترمینال ها اتصال کوتاه کند. شاید به ترمیتال زمین یا فاز دیگر یا ترمینال لینک DCو یا هر ترمینال کنترلی متصل کند. در این شرایط IGBTدچار نقص فنی می شود. اغلب نیاز است که این جریان اتصال کوتاه اندازه گرفته شود این اندازه گیری مدتی طول می کشد . جریان خروجی نیاز دارد که اندازه گرفته شود و قسمت کنترل باید به استانه اضافه جریان پاسخ دهد. در این صورت
درایور گیت باید فرمان خاموشی IGBTرا صادر کند. اگر در دمای ماکزیمم مدت زمان تاخیر خاموشی IGBT بزرگ باشد (در حد ۱۵۰۰نانو ثانیه) و اگر مدت زمان درایور گیت عایق شده در بدترین شرایط ۵۰۰نانو ثانیه در نظر بگیریم ، در بدترین حالت کنترلر در ۲۰۰۰نانو ثانیه وقفه ایجاد کرده و با زمان نشست ۱میکرو ثانیه در سنسور جریان باید کلید IGBTحداقل ۵میکروثانیه بتواند جریان اتصال کوتاه را تحمل کند. در درایور های بزرگتر وقفه اتصال کوتاه می تواند تا ۷میکرو ثانیه طول بکشد . در این موارد قطعات باید ۱۰میکرو ثانیه جریان اتصال کوتاه را تحمل کنند.
پروفیل یا نمودار های جریان در ماشین القایی قفسه سنجابی تا حدودی قابل اطمینان هستند ولی نیاز به ماکزیمم جریان بار داریم. تا کلید های IGBTرا بر اساس این سطوح جریان انتخاب کنیم نه بر اساس توان خروجی ماشین. اگر کلید IGBT ولتاژ کلکتور امیتر Vce آن اشباع ثابتی دارد ، تلفات قطعه متناسب با جریان جاری شده در حضور این ولتاژ است. قطعه محدودیت دما در هنگام عبور ماکزیمم جریان از آن خواهد داشت . ماکزیمم جریان بار یا موتور مجبور است با توجه به این محدودیت کاهش یابد. این که آیا از طرف درایو یا از طرف بار یا موتور بررسی می شود، بدترین حالت فعلی تعیین می کند که چه اندازه ای از قطعه مورد نیاز است.
ادامه دارد …
