Sobrecorriente IGBT en motores industriales.

- Dec 22, 2018-

Sobrecorriente IGBT en motores industriales.

Protección de sobrecorriente IGBT

En términos de daños a la propiedad o consideraciones de seguridad, la protección IGBT para condiciones de sobrecorriente es la clave para la confiabilidad del sistema. Los IGBT no son un componente a prueba de fallas. Si fallan, pueden causar que el capacitor del bus de CC explote y que todo el controlador funcione mal. La protección de sobrecorriente se logra típicamente mediante la medición de corriente o la detección de desaturación. La figura 2 muestra estos consejos.

Para la medición de corriente, tanto el brazo del inversor como la salida de fase requieren dispositivos de medición como resistencias de derivación para manejar las fallas de disparo y las fallas del bobinado del motor. El circuito de disparo de ejecución rápida en el controlador y / o controlador de puerta debe apagar el IGBT a tiempo para evitar que el cortocircuito resista el tiempo. El mayor beneficio de este método es que requiere dos dispositivos de medición en cada brazo inversor y está equipado con todos los circuitos de aislamiento y acondicionamiento de señal relevantes. Esto se puede aliviar simplemente agregando una resistencia de derivación a la línea de bus de CC positiva y la línea de bus de CC negativa. Sin embargo, en muchos casos, hay resistencias de derivación de brazo en la arquitectura del controlador o resistencias de derivación de fase para servir al circuito de control de corriente y proporcionar protección contra sobrecorriente del motor; también son posibles para la protección de sobrecorriente IGBT, siempre que el tiempo de respuesta del acondicionamiento de la señal sea lo suficientemente rápido como para proteger el IGBT durante el tiempo de resistencia al cortocircuito requerido.

La detección de desaturación utiliza el IGBT como elemento de medición de corriente. Los diodos en el esquema aseguran que el voltaje del colector-emisor IGBT solo es monitoreado por el circuito de detección durante el encendido; durante la operación normal, el voltaje del colector-emisor es muy bajo (típicamente de 1V a 4V). Sin embargo, si se produce un evento de cortocircuito, la corriente del colector IGBT aumenta a un nivel que hace que el IGBT salga de la región de saturación hacia la región operativa lineal. Esto hace que la tensión del colector-emisor aumente rápidamente. Los niveles de voltaje normales descritos anteriormente se pueden usar para indicar la presencia de un cortocircuito, mientras que el nivel de umbral de disparo de desaturación está típicamente en la región de 7V a 9V. Es importante destacar que la desaturación también puede significar que el voltaje del emisor de la puerta es demasiado bajo y que el IGBT no está completamente impulsado a la región de saturación. Tenga cuidado al realizar el despliegue de detección de desaturación para evitar la activación falsa. Esto puede ocurrir especialmente durante la transición del estado IGBT apagado al estado IGBT cuando el IGBT no ha entrado completamente en la saturación. El tiempo de supresión generalmente se encuentra entre la señal de encendido y el tiempo de activación de detección de desaturación para evitar falsas detecciones. También se suele agregar un condensador de carga de la fuente de corriente o un filtro RC para crear una breve constante de tiempo en el mecanismo de detección para filtrar los espolones del filtro causados por la captación de ruido. Al seleccionar estos componentes del filtro, se requiere un compromiso entre la inmunidad al ruido y el tiempo de resistencia al cortocircuito IGBT.

Después de detectar una sobrecorriente de IGBT, otro desafío es apagar el IGBT en un nivel de corriente anormalmente alto. En condiciones normales de funcionamiento, el controlador de la puerta está diseñado para apagar el IGBT lo más rápido posible para minimizar las pérdidas de conmutación. Esto se logra mediante una menor impedancia del conductor y una resistencia de accionamiento de la puerta. Si se aplica la misma velocidad de apagado de la puerta en condiciones de sobrecorriente, el colector / emisor di / dt será mucho mayor porque la corriente variará mucho en un período de tiempo más corto. La inductancia parásita del circuito colector-emisor debido a la inductancia parásita de la unión del cable y las trazas de PCB puede causar un gran nivel de sobretensión para alcanzar instantáneamente el IGBT (porque VLSTRAY = LSTRAY × di / dt). Por lo tanto, es importante proporcionar una ruta de apagado de alta impedancia cuando se apaga el IGBT durante un evento de desaturación, lo que puede reducir di / dt y cualquier nivel de sobretensión potencialmente dañino.

Además de los cortocircuitos causados por fallas en el sistema, el inversor instantáneo también se produce en condiciones normales de operación. En este momento, la conducción IGBT requiere que el IGBT sea conducido a la región de saturación donde la pérdida de conducción es la más baja. Por lo general, esto significa que el voltaje de la puerta del emisor en el estado encendido es mayor que 12V. El apagado de IGBT requiere que el IGBT se dirija a la región de corte activa para bloquear con éxito la tensión alta inversa en el IGBT del lado alto cuando se enciende. En principio, esto puede lograrse reduciendo el voltaje del emisor de la puerta IGBT a 0V. Sin embargo, deben considerarse los efectos secundarios del transistor de gama baja en el brazo del inversor cuando se enciende.

Un cambio rápido en el voltaje en el nodo de conmutación durante el encendido hace que la corriente inducida capacitiva fluya a través de la capacitancia de puerta-colector Miller parásita IGBT de bajo nivel (CGC en la Figura 3). Esta corriente fluye a través del controlador de la puerta del lado bajo (ZDRIVER en la Figura 3) para desactivar la impedancia, lo que crea un aumento transitorio de voltaje en el emisor de la puerta IGBT del lado bajo, como se muestra. Si la tensión aumenta por encima del umbral de IGBT VTH, provocará un breve encendido del IGBT del lado bajo, lo que dará como resultado un traspaso transitorio del brazo del inversor, ya que ambos IGBT se encienden brevemente. Esto generalmente no destruye el IGBT, pero puede aumentar el consumo de energía y afectar la confiabilidad.

En general, hay dos formas de resolver el problema de conducción inductiva del inversor IGBT: utilizando una fuente de alimentación bipolar o una pinza Miller adicional. La capacidad de aceptar un suministro bipolar en el lado aislado del controlador de la puerta proporciona un margen adicional para los transitorios de voltaje inducidos. Por ejemplo, un riel negativo de –7.5V indica que se requiere un transitorio de voltaje inducido mayor que 8.5V para detectar la conducción no esencial. Esto es suficiente para evitar la conducción desviada. Otro método es reducir la impedancia de apagado del circuito de control de la puerta por un período de tiempo después de que se complete la transición de apagado. Esto se llama el circuito de la abrazadera de Miller. La corriente capacitiva ahora fluye a través del circuito de menor impedancia, que a su vez reduce la magnitud de la tensión transitoria. El uso de resistencias de compuerta asimétricas para encendido y apagado proporciona flexibilidad adicional para el control de velocidad de conmutación. Todas estas funciones de controlador de puerta tienen un impacto positivo en la confiabilidad y eficiencia del sistema en general.

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