Рубрики
Оборудование

Угнетение эффекта Миллера в схемах управления MOSFET / IGBT

Угнетение эффекта Миллера в схемах управления MOSFET / IGBT Гери О Одной из главных заморочек, с которой нередко приходится сталкиваться разработчикам преобразователей частоты, является

Угнетение эффекта Миллера в схемах управления MOSFET / IGBT Гери О

Одной из главных заморочек, с которой нередко приходится сталкиваться разработчикам преобразователей частоты, является появление сквозного тока в полумостовых каскадах, вызванное неверным отпиранием транзистора из-за наличия емкости Миллера в структуре IGBT. В предлагаемой статье анализируются технические и экономические нюансы 4 разных методов угнетения эффекта паразитного включения транзистора, предпосылкой которого является емкость Миллера «коллектор — затвор».

В большинстве случаев IGBT с рабочим напряжением 1200 В употребляются в трехфазных инверторах промышленных приводов. Для схожих применений сначала требуется надежная электронная изоляция и малый уровень шумов. Не считая того, силовая часть инвертора должна отлично управляться и иметь специальную схему защиты, обеспечивающую надежное функционирование изделия. В типовых схемах промышленных приводных инверторов наличие емкости Миллера в модулях IGBT может привести к появлению сквозных токов при огромных скоростях переключения dV/dt транзисторов. Этот эффект не один раз наблюдался разработчиками, в особенности при использовании драйверов с однополярным выходным напряжением (0/+15 В). Большая скорость переключения IGBT (высочайшее значение dV/dt) приводит к появлению тока в цепи затвора. При высочайшей скорости переключения этот ток будет протекать через емкость Миллера, расположенную меж коллектором и затвором транзистора. Данный эффект способен вызвать неверное открывание IGBT и возникновение сквозного тока через оба транзистора полумоста, следствием которого может быть выход их из строя.

При открывании IGBT верхнего плеча напряжение «коллектор – эмиттер» обратного транзистора миниатюризируется со скоростью dVCE/dt. Фронт этого напряжения наводит ток, протекающий через емкость Миллера, затворный резистор и выходной каскад драйвера, что делает падение напряжения на активном сопротивлении в цепи затвора (рис. 1). Если образующийся потенциал превзойдет пороговое напряжение затвора IGBT VGE (th), произойдет неверное открывание транзистора.

Угнетение эффекта Миллера в схемах управления MOSFET / IGBT

Нужно принять во внимание, что для порогового напряжения отпирания характерен отрицательный температурный коэффициент (обычно, он составляет несколько мВ/°C), и данное напряжение падает по мере нагрева кристаллов IGBT. Соответственно с ростом температуры возрастает возможность неверного открывания транзистора из-за тока, наведенного фронтом напряжения VCE.

В технической литературе приводится три традиционных метода преодоления обозначенной трудности:

  • разделение резисторов включения и выключения RGon/RGoff в цепи затвора;
  • включение конденсатора меж затвором и эмиттером;
  • внедрение отрицательного напряжения запирания.

Существует очередное, обычное и действенное решение, заключающееся в активном ограничении наведенного на затвор напряжения.

Разделение резисторов включения и выключения в цепи затвора

Величина резистора включения RGon в цепи затвора IGBT значительно оказывает влияние на его динамические свойства. Повышение RG уменьшает изменение напряжения и тока в цепи затвора, но сразу приводит к росту утрат включения Eon. Разбитые резисторы в цепи затвора RGon/RGoff показаны на рис. 2.

Угнетение эффекта Миллера в схемах управления MOSFET / IGBT

Понизить возможность неверного включения можно за счет понижения номинала резистора RGoff в цепи выключения затвора. Внедрение наименьшего значения RGoff позволяет также понизить утраты выключения Eoff. Но в данном случае растет и скорость выключения dI/dt, что приводит к появлению перенапряжений и осцилляций в цепи коллектора из-за наличия паразитной распределенной индуктивности силовых шины LS. При неудачной конструкции шин значение LS возможно окажется так велико, что перенапряжение ΔV, пропорциональное скорости выключения и индуктивности ΔV = LS — dI/dt, способно привести к пробою транзистора. Чтоб избежать этого, в ряде всевозможных случаев приходится использовать IGBT с огромным значением рабочего напряжения VCE.

Таким макаром, основной задачей при проектировании силового импульсного каскада является нахождение компромисса меж динамическими чертами и надежностью, поиск рационального сочетания характеристик схемы управления, динамических утрат и неопасного уровня переходных перенапряжений. Поиск оптимума предполагает, что безупречного решения тут быть не может.

Конденсатор в цепи «затвор – эмиттер»

Установка дополнительного конденсатора меж затвором и эмиттером IGBT (рис. 3) безизбежно оказывает влияние на его динамические характеристики. При установке Cge возрастает суммарный заряд затвора, нужный для заслуги порогового напряжения отпирания IGBT. Емкость Cge ослабляет воздействие эффекта Миллера, заряжаясь создаваемым им током и препятствуя таким макаром появлению тока в цепи затвора.

Угнетение эффекта Миллера в схемах управления MOSFET / IGBT

Но описанный метод очень изредка употребляется на практике, так как повышение емкости в цепи затвора приводит к увеличению мощности, рассеиваемой схемой управления, и росту утрат переключения IGBT.

Отрицательное напряжение запирания IGBT

Отрицательное напряжение VGoff для неопасного выключения IGBT более нередко употребляется в массивных схемах, работающих с токами более 100 А (рис. 4). Такое решение является более обычным и надежным, потому что при наличии достаточного отрицательного напряжения на затворе паразитный импульс, наведенный через емкость Миллера, не способен сдвинуть потенциал VG до порогового значения.

Угнетение эффекта Миллера в схемах управления MOSFET / IGBT

Но применение данной схемы несколько увеличивает цена преобразователя, потому что просит дополнительного источника питания и увеличивает утраты схемы управления. Вот поэтому такое решение, обычно, не употребляется в маломощных инверторах.

Активное угнетение эффекта Миллера

Естественным методом предотвращения неверного срабатывания из-за эффекта Миллера является активное ограничение напряжения на затворе IGBT (рис. 5). Схема реализуется при помощи наружного биполярного p-n-p транзистора, замыкающего цепь «затвор – эмиттер» при достижении напряжением VGE определенного значения. В данном случае ток, наводимый через емкость Миллера, шунтируется открывающимся транзистором и течет через него, минуя цепь затвора IGBT.

Угнетение эффекта Миллера в схемах управления MOSFET / IGBT

В отличие от обрисованных выше схем с раздельными резисторами затвора и конденсатором Cge, при использовании способа активного угнетения эффекта Миллера удается ограничивать напряжение затвора на неопасном уровне при всех режимах работы. Таким макаром, данная схема может рассматриваться как более универсальное средство борьбы с неверными срабатываниями, применимое для использования фактически в всех импульсных преобразователях. Единственным и естественным недочетом данного решения является необходимость установки дополнительного транзистора и некого количества пассивных компонент, что приводит к некому увеличению цены схемы управления.

1-ые два метода, описанные в данной статье, используются в главном для относительно маломощных применений с током менее 25 А, когда цена готового устройства в значимой мере находится в зависимости от цены девайсов. Внедрение отрицательного напряжения запирания затвора и способ активного ограничения являются хорошими решениями для более массивных преобразовательных устройств, таких как промышленные приводы, источники бесперебойного питания, массивные преобразователи частоты, в каких надежность и безотказность имеют решающее значение.

Вариант устройства с шунтированием цепи «затвор – эмиттер» для угнетения эффекта Миллера аппаратно является более дешевеньким, чем схема с отрицательным напряжением выключения IGBT. Но в применениях с током более 100–120 А, обычно, употребляются готовые драйверы с интегрированным источником отрицательного напряжения и двуполярным выходным сигналом, что исключает необходимость в применении каких-то наружных узлов. Все же, в ряде всевозможных случаев в преобразователях большой мощности, в каких инсталлируются силовые ключи с очень высочайшим значением емкости Миллера, может появиться необходимость в применении режима активного ограничения.

В умственных силовых модулях IGBT, популярность которых в последние годы непреклонно вырастает, схема активного ограничения эффекта Миллера, обычно, является интегрированным узлом драйвера, встроенным совместно с другими необходимыми видами защит: от перегрузки по току (OCP, DESAT) и падения напряжения управления (UVLO). Возможность внедрения схожих умственных силовых ключей высочайшей степени интеграции позволяет упростить процесс разработки и понизить цена готовых изделий для широкого класса промышленных и бытовых применений силовой электроники.