منبع تغذیه سوئچینگ

ملاحظات طراحی و انتخاب کلید ماژول IGBT (بخش سوم)

315

درایور گیت

این قسمت بخش مشکل طراحی است. از نقطه نظر قدرت ، بهره بین مدار درایور گیت و قطعات خروجی تعجب آور است. اساساً مدار درایور گیت یک ولتاژ ۱۵+ ولت را به GE ترمینال های IGBT برای روشن شدن آن اعمال می کند. و سپس مقدار ناچیز منفی را برای خاموش کردن قطعه اعمال خواهد کرد. بیشتر IGBT ها ولتاژ آستانه ۵ ولت و ۱۵ ولت برای روشن شدن و ۰ ولت برای خاموش شدن استفاده می کنند. اگر یک مبدل HB مطابق شکل ۳ داشته باشیم وقتیکه کلید را روشن می کنیم ، یک طرف کلید به سطح high تقریباً ولتاژ لینک DC و طرف دیگر سطح صفر که ولتاژی در حدود ۰ ولت یا Vce sat می رسد. مدل کلید IGBT در واقعیت بین تمامی ترمینال های گیت امیتر و کلکتور خازن پراکندگی وجود دارد که قابل اغماض نیستند. هنگامی که کلید بالای روشن است خازن Coes از ۲ ولت (Vce sat) تا ولتاژ کامل لینک DC شارژ می شود. این شارژ سریع به خازن های Cres و Cies نیز در کلید پایینی اعمال می شود. اما اگر تغییرات ولتاژ به اندازه کافی سریع باشد و امپدانس حالت خاموش درایو به اندازه کافی بزرگ باشد، Cres می تواند شارژ کافی را به Ciss برساند تا کلید پایین به حالت قبل باز گردد.

بیشتر اینورتر ها از رویکرد یک PWM مرکزی استفاده می کنند. اگر جریان بار در مد پیوسته خود باشد ، دیود یک کلید در یک قطب به وسیله روشن شدن کلید مخالف در قطب ، کوموتاسیون جریان به سختی روی می دهد.

کموتاسیون سخت در اینورتر بسیار شبیه به اندازه گیری تستر دو پالسه است که برای تعیین E_off،E_on و Q_rr از IGBT ها و FREDدیود های موازی مربوطه استفاده می شود. تست های دو پالسه می تواند با سطوح پایین تر از متوسط برای تایید درایور گیت ، اندوکتانس های پارازیتی و خازن های لینک DC و باس DC انجام شوند .

تستر دو پالسه (مورد استفاده برای اندازه گیری تلفات کلید زنی)

در شکل ۱۱ شماتیک تستر دو پالسه نشان داده شده است. پالس اول به عنوان soak time یا زمان شروع افزاینده (t1) برای سلف بار که در شکل ۱۰ و ۱۳ دیده می شود ، شناخته شده است. زمان بندی برای این است که یک پالس قابل قبول معمولاً در رنج ۲۰ تا ۵۰ میکروثانیه با اندازه سلف مطابق با شیب مقدار جریان مناسب در این زمان اعمال شود. زمان مرده بین پالس ها برای نگه داشتن جریان در مقدار فعلی خود معمولاً کوچک و در رنچ ۵ تا ۱۰ میکرو ثانیه است. (زمان t2 در شکل ۱۰ و ۱۳) . در خلال این مدت زمان مرده قطب بگونه ای که دیود FRED در حال هدایت است (شکل ۱۰ و ۱۳ زمان t3) . در شروع پالس دوم ، دیود FRED توسط کلید مخالف با اعمال ولتاژ لینک DC ، کلید زنی سخت انجام شده است (نمودار ۱۰ و ۱۳ زمان t4). این عمل باعث بازیابی معکوس سریع می شود. اگر ولتاژ برروی کلید IGBT همرای با جریان اندازه گیری شود ، تلفات Eon تلفات بازیابی معکوس در دیود مخالف را شامل می شود. به اضافه اینکه جریان و ولتاژ دیود FRED در هم ضرب شده و با Err مجتمع می شوند ، جریان مجتمع شده برای Qrr ، ta ، tb و Irr و مقادیر di/dt مرتبط با آن می تواند اندازه گیری شود. این تست داده های مورد نیاز دیود را تعیین می کند.

برای مشخصه های کلید زنی سخت ، ممکن است لازم باشد با تنظیم di/dt در حالت روشن بودن با تنظیم Ron (di/dt دراین حالت دیود های FRED را مجبور به روشن شدن می کند.) . برای مثال اگر ringing زیاد در کلید زنی سخت به وجود می آید ، بعدا خود را به عنوان یکی از مشکلات EMI نشان می دهد. برای مقابله با این قضیه می توان با افزایش Ron ، di/dt را کاهش داد. یا راه دیگر اضافه کردن اسنابر به خروجی قطب باس DC می باشد. بیشتر دیتاشیت های کلید های IGBT مقدار Qrr برای دیود FERD در یک جریان Irr ارائه می دهند. با این کار ، دیود با tb سریعتر و Irr بزرگتر تبدیل به دیود سریعتر در مقایه با tb بزرگتر که دیود نرم تری است ، تبدیل می شود.

برای اندازه گیری تلفات روشن بودن کلید ها به هر دو پالس تست دوبرابر کننده پالس نیاز داریم. جریان و ولتاژ کلید را در هم ضرب می کنیم و تلفات را حساب می کنیم. تلفات روشنایی شامل هدایت دیود کلید مخالف نیز می شود. اندازه گیری تلفات روشن بودن و خاموش بودن یک ماژول IGBT در شکل زیر نشان داده شده است. برای اندازه گیری تلفات خاموشی تنها یکی از پالس ها کفایت می کند. بازیابی معکوس بسیار مشابه با خاموش شدن است، فقط با اندازه گیری هایی که روی کلید مخالف انجام می شود (در این حالت دیود به سختی کوموتاسیون می کند)

با توجه به نمودار شماره ۱۸ ، وقتی Ron 18 اهم است نوسانات بسیار کوچک بوده است . در واقعه برای داشتن سرعت روشن شدن بالا و داشتن فرایند بازیابی معکوس سریع باید یک مصالحه ای داشت.در حالی که پالس دهنده دوگانه به سختی کوموتاسیون واقعی و شرایط عملکرد در حالت ماندگار را نشان می دهد آن را به عنوان یک ابزار عالی برای تکرار پالس قدرت و دیدن و کاهش تلفات خاموش و روشن شدن با تنظیم Ron و Roff را فراهم می کند. علاوه بر این، بررسی مستقیم هر ringing را در فرایند بازیابی معکوس فراهم می کند.

ممکن است Ron را کاهش دهیم تا تلفات روشن بودن در IGBT کاهش یابد. تاثیر این تلفات در شکل زیر نشان داده شده است. اگر Ron به میزان Roff کاهش یابد آنگاه ringing در شکل موج ها زیاد می شود.

توجه داشته باشید که کاهش در Ron بر روی انرژی خاموشی تاثیری ندارد. di/dt کند تر روشن شدن آهسته تر را درپی دارد. همچنین Qrr دیود FERD به اندازه Irr ، di/dta و di/dtb کاهش می یابد. برای اینکه ringing نداشته باشیم انرژی حالت روشن بودن کلید ها با کلید زنی آهسته تر ، افزایش می یابد.

طراحی مدار اسنابر

برای طراحی مدار اسنابر باید درک درستی از محل قرارگیری سلف ها و خازن های پارازیتی داشته باشیم.بهترین روش برای محاسبه المان های پارازیتی ابتدا محاسبه فرکانس نوسانات ringing است. سپس از این نقطه یک خازن به ظرفیت Coes/2 از خروجی قطب تا خازن لینک DC اضافه کنید و تغییرات فرکانس را بدست آورید.