حفاظت اتصال کوتاه و اضافه جریان در IGBT

در بازار درایور موتورهای صنعتی همواره تمایل زیادی برای راندمان بالاتر به همراه با افزایش قابلیت اطمینان و استحکام وجود دارد. تولیدکنندگان قطعات نیمه هادی قدرت به طور مداوم مرزهای مربوط به تلفات رسانایی و زمان کلیدزنی را جابه جا می کنند. بعضی از پارامترهایی که باعث کاهش تلفات رسانایی در IGBT می شوند عبارتند از : افزایش  سطح جریان اتصال کوتاه، اندازه قالب کوچکتر، کاهش ظرفیت حرارتی و زمان قابل تحمل اتصال کوتاه. این موضوع اهمیت بالای مدارات گیت درایور و ویژگی تشخیص و حفاظت در برابر اضافه جریان را نشان می دهند.  در این مقاله مباحث مربوط به حفاظت اتصال کوتاه موثر و قابل اطمینان در درایور موتورهای صنعتی مدرن، همراه با مثال های کاربردی از یک گیت دایور به کار رفته در کنترل موتور 3 فاز ارائه می شود.

انواع اتصال کوتاه در محیط های صنعتی

درایور موتورهای صنعتی می توانند در یک محیط نسبتا خشن با دمای بالا، حالت گذرا شبکه، اضافه بار مکانیکی، سیم بندی اشتباه و… کار کنند. تعدادی از این وقایع می توانند باعث عبور جریان زیادی از مدار قدرت درایور موتور شوند. سه نمونه از شرایط رایج اتصال کوتاه در تصویر زیر نشان داده شده است:

این خطاها به صورت زیر هستند:

1. خطای تداخل IGBT ها (shoot-through): این شرایط زمانی اتفاق می افتد که IGBT های موجود در یکی از پایه های اینورتر به دلیل دریافت پالس اشتباه، به طور همزمان روشن شوند، این خطا می تواند به دلیل تداخلات الکترومغناطیسی و یا اشکال در عملکرد کنترلر باشد. این اتفاق همچنین می تواند به دلیل فرسودگی و خرابی یکی از IGBT های موجود در ساق اینورتر اتفاق بیافتد.
2. اتصال کوتاه فاز به فاز: این شرایط می تواند در اثر خرابی عایق مابین سیم پیچ های موتور به دلیل فرسودگی، افزایش دمای بیش از حد و یا افزایش بیش از اندازه ولتاژ باشد.
3. اتصال کوتاه فاز به زمین: این شرایط می تواند در اثر خرابی عایق مابین سیم پیچ موتور و بدنه اتفاق بیافتد، مجددا به دلیل فرسودگی عایق، افزایش دمای بیش از حد و یا افزایش بیش از اندازه ولتاژ موتور است.

به طور کلی موتورها برای مدت نسبتا طولانی توانایی تحمل جریان بسیار بالا را دارند (میلی ثانیه تا ثانیه با توجه به نوع و اندازه موتور)، در حالی که IGBT ها که در بخش قدرت اکثر درایورهای صنعتی وجود دارند، توانایی تحمل جریان اتصال کوتاه در بازه زمانی میکروثانیه را دارند.

مدت زمان اتصال کوتاه قابل تحمل در IGBT

مدت زمان تحمل وضعیت اتصال کوتاه در IGBT به میزان بهره و ظرفیت حرارتی IGBT مرتبط می باشد. بهره بالاتر باعث تحمل جریان اتصال کوتاه بالاتر در IGBT می شود، بنابراین IGBT های با بهره پایین تر جریان اتصال کوتاه کمتری دارند. با این حال، بهره بالاتر تلفات هدایتی کمتری ایجاد می کنند، بنابراین باید مصالحه ای بین آنها برقرار گردد. با پیشرفتی که در تکنولوژی ساخت IGBT ها ایجاد شده طراحی ها بدین سمت رفته که مقدار جریان اتصال کوتاه افزایش و در نتیجه مدت زمان تحمل اتصال کوتاه کاهش یافته است. به علاوه پیشرفت تکنولوژی باعث کاهش سایز ماژول های IGBT شده است اما کاهش سایز به معنی کاهش ظرفیت حرارتی نیز میشود که زمان تحمل اتصال کوتاه را نیز کاهش می دهد. همچنین مدت زمان اتصال کوتاه قابل تحمل در IGBT وابستگی شدیدی به ولتاژ کلکتور-امیتر دارد، ولتاژ باس DC درایور های مدرن نسبت به قبل بالاتر رفته است. در گذشته مدت زمان اتصال کوتاه قابل تحمل در IGBT در محدوده 10 میکرو ثانیه قرار داشت، اما در سال های اخیر این زمان به سمت 5 میکرو ثانیه و در بعضی شرایط به کمتر از 1 میکرو ثانیه نیز رسیده است. علاوه براین، زمان تحمل اتصال کوتاه از قطعه ای به قطعه ای دیگر متفاوت است، بنابراین توصیه می شود که در مدارات محافظ IGBT حاشیه اضافی برای زمان تحمل اتصال کوتاه در نظر گرفته شود.

حفاظت اتصال کوتاه IGBT

محافظت IGBT در برابر اضافه جریان یکی از بخش های مهم در قابلیت اطمینان سیستم است. IGBT ها جزء قطعاتی نیستند که دارای خرابی امن(fail-safe) باشند و خرابی آنها می تواند باعث انفجار خازن باس DC و یا خرابی کل درایور شود. محافظت در برابر اضافه جریان در واقع به معنای اندازه گیری مستمر جریان یا تشخیص عدم اشباع (desaturation detection) است. این تکنیک ها در شکل 2 نشان داده شده اند. قطعاتی که برای اندازه گیری جریان استفاده می شوند مانند مقاومت های شنت حتما باید هم در مسیر پایه های اینورتر(inverter leg) و هم در فازهای خروجی وجود داشته باشند تا خطاهایی مانند اتصال کوتاه شذن ساق اینورتر و خطای سیم پیچی موتور را پوشش دهند. مدارات محافظ به کار رفته در کنترلر و گیت درایور باید با سرعت عمل بالایی، IGBT را قبل از رسیدن به زمان تحمل اتصال کوتاه خاموش کنند.. اصلی ترین ایراد این روش نیاز به استفاده از دو المان اندازه گیری در هر ساق اینورتر است. (به همراه مدار های ایزولاسیون، تشخیص خطا و کنترل) با این حال در موارد بسیاری، در طراحی مدار اینورتر از یک مقاومت شنت سری در مسیر هر ساق اینورتر و یا در مسیر فاز، به منظور کنترل حلقه جریان موتور استفاده می شود.در صورتی که سرعت پاسخ دهی سیگنال بالاتر از زمان تحمل جریان اتصال کوتاه IGBT باشد، می توان از آنها برای حفاظت اتصال کوتاه IGBT هم استفاده کرد.

روش تشخیص عدم اشباع، از خود IGBT به عنوان ابزاری برای اندازه گیری جریان استفاده می کند. دیودهایی که در شماتیک وجود دارند باعث میشوند که ولتاژ کلکتور امیتر IGBT تنها هنگامی که روشن است خوانده شود د این شرایط این ولتاژ حدود 1 تا 4 ولت است. با این حال در صورتی که اتصال کوتاه اتفاق بیافتد، جریان کلکتور IGBT به گونه ای افزایش می یابد که IGBT را از ناحیه اشباع خارج کرده و وارد ناحیه خطی می کند. این اتفاق باعث افزایش شدید ولتاژ کلکتور امیتر می شود. از ولتاژ فوق می توان برای تشخیص وجود اتصال کوتاه استفاده کرد، همچنین ولتاژ آستانه برای عدم اشباع تقریبا برابر با 7 تا 9 ولت می باشد.

نکته مهم دیگر این است که، عدم اشباع نشان می دهد که ولتاژ گیت امیتر بسیار کم می باشد و IGBT به طور کامل وارد ناحیه اشباع نشده است. برای جلوگیری از تشخیص های اشتباه باید دقت زیادی در تشخیص عدم اشباع ترانزیستور به خرج داد. این موضوع مخصوصا زمانی که IGBT بین حالت روشن و خاموش تغییر وضعیت می دهد و کاملا وارد ناحیه اشباع نشده است، اهمیت بالایی دارد. برای جلوگیری از تشخیص نادرست، معمولا بین زمان روشن شدن سیگنال گیت و نقطه ای که تشخیص عدم اشباع فعال می شود، یک تایم خالی در نظر گرفته می شود. به منظور فیلتر کردن خطاهایی که در اثر وجود نویزها ایجاد می شود، معمولا یک فیلتر RC، یک ثابت زمانی کوتاه به مکانیزم تشخیص اضافه می کنند. برای انتخاب المان های این فیلتر باید مصالحه ای بین مصونیت در برابر نویز و همچنین عکس العمل مناسب در زمان قابل تحمل اتصال کوتاه IGBT برقرار باشد.

بعد از تشخیص اضافه جریان IGBT، چالش بعدی خاموش کردن IGBT در یک سطح جریان غیرطبیعی و بالا می باشد. در شرایط عادی، گیت درایور به گونه ای طراحی شده تا IGBT را در کمترین زمان ممکن که تلفات سوئیچ زنی مینیمم شود، خاموش کند. این موضوع به وسیله امپدانس پایین درایور و مقاومت کوچک گیت درایور به دست می آید. در صورتی که همان سرعت خاموش شدن گیت برای شرایط اضافه جریان، مقدار di/dt در جریان کلکتور امیتر را به طور قابل ملاحظه ای در زمان اتصال کوتاه افزایش میدهد. اندوکتانس نشتی که مابین اتصالات کلکتور-امیتر و ترک های PCB وجود دارد، می تواند باعث ایجاد ولتاژ بالایی بر روی IGBT شود(VL=L*di/dt). به همین خاطر، برای کاهش مقدار di/dt و ولتاژهای مخرب بالا مهم است تا در زمان عدم اشباع از مسیرهایی با امپدانس بالاتر برای خاموش کردن IGBT استفاده کنیم.

خاموش کردن IGBT با ولتاژ منفی در گیت

جدای از بحث خطا و عبور جریان اتصال کوتاه از IGBT، در شرایط کار عادی نیز ممکن است IGBT های موجود در یک ساق اینورتر برای لحظات کوتاهی هر دو با هم روشن شوند. این موضوع IGBT ها را از بین نمیبرد اما باعث ایجاد تلفات بالایی مشود و به تدریج عمر سیستم را کاهش میدهد. اما این امر چگونه رخ میدهد؟ یک ساق اینورتر را در نظر بگیرید که IGBT های آن با ولتاژ گیت 12 تا 15 ولت روشن میشوند و با ولتاژ 0 ولت خاموش میشوند.

مثلا هنگامی که سوییچ پایینی خاموش است و ترانیستور بالایی روشن میشود به ناگهان ولتاژ کلکتور IGBT پایینی بالا میرود. به دلیل وجود خازن کلکتور-گیت، بخشی از این اضافه ولتاژ بر روی گیت ترانزیستور پایین اعمال میشود و میتواند ولتاژ گیت را لحظه ای به حدود 3 تا 4 ولت نیز برساند که باعث هدایت ترانزیستور میشود. برای جلوگیری از این موضوع IGBT ها را با ولتاژ منفی خاموش میکنند نه با ولتاژ صفر ولت.

مثال عملی

مثال کاربردی مربوط به یک اینورتر سه فاز می شود که توان آن از طریق برق AC و یکسوساز نیم موج تامین می شود. در این نمونه ولتاژ DC ورودی 320V هست، اگرچه سیستم می تواند تا ولتاژ 800V نیز به کار گرفته شود. بار یک موتور القایی با توان 0.5 اسب بخار در حالت عملکردی معمولی با روش کنترلی حلقه باز V/Hz است. IGBT های به کار رفته از نوع 1200V, 30A, IRG7PH46UDPBF از برند international rectifier می باشند. کنترلر  ADSP-CM408F Cortex®-M4F که یک پردازنده سیگنال مختلط از Analog Devices می باشد. اندازه گیری جریان توسط ماژول های ایزوله AD7403 انجام گرفته است و همچنین گیت درایور ایزوله توسط ADuM4135 که یک گیت درایور مغناطیسی ایزوله با قابلیت تشخیص عدم اشباع می باشد، همچنین یک کلمپ میلر و سایر امکانات مربوط به حفاظت از IGBT، پیاده سازی شده است. تست اتصال کوتاه به صورت دستی و با ایجاد اتصال کوتاه مابین فازهای موتور و یا بین یک فاز موتور و منفی باس DC ایجاد می شود. اتصال کوتاه به زمین در این تست انجام نگرفته است.

حفاظت های اضافه جریان و اتصال کوتاه IGBT با استفاده از روشهای مختلفی در سخت افزار آزمایشی پیاده سازی می شوند.

• اندازه گیری جریان باس DC(خطای shoot-through در اینورتر)
• اندازه گیری جریان فاز موتور(خطای سیم پیچی موتور)
• تشخیص عدم اشباع گیت درایور(تمامی خطاها)

در مدار اندازه گیری جریان باس DC، برای جلوگیری از تاثیر خطا لازم است تا یک فیلتر کوچک اضافه گردد، چون جریان باس DC به صورت غیر پیوسته و همراه با نویزهای زیادی است. برای این منظور یک فیلتر RC با ثابت زمانی 3 میکرو ثانیه به کار گرفته شده است. وقتی اضافه جریان تشخیص داده شد، تاخیرهای موجود برای خاموش کردن IGBT عبارتند از تاخیرهای مربوط به آپ امپ، مقایسه گرها، ایزوله کننده سیگنال، پاسخ زمانی در ADSP-CM408F و تاخیر انتشار در گیت درایور. این موارد روی هم باعث اضافه شدن 0.4 میکرو ثانیه تاخیر و در نتیجه ایجاد تاخیر زمانی 3.4 میکرو ثانیه در خاموش شدن IGBT در هنگام خطا می شوند، که در بازه ثابت زمانی تعداد زیادی از IGBT ها قرار دارد. زمان بندی مشابه با استفاده از AD7403 به اندازه گیری جریان فاز موتور اعمال می شود که با فیلترهای سینک تشخیص اضافه بار در پردازنده ADSP-CM408F در ارتباط است. این ها با یک فیلتر سینک با ثابت زمانی در حدود 3 میکروثانیه به خوبی عمل می کنند. تاخیرهای زمانی باقی مانده سیستم مربوط به اتصالات داخلی بخش تولید سیگنال PWM و تاخیر انتشار در گیت درایور می باشد، در نظر داشته باشید که فیلتر سینک اضافه بار در داخل پروسسور قرار دارند.

در شکل زیر تاخیر بین ارسال سیگنال سخت افزاری، سیگنال خروجی PWM و شکل موج واقعی پیوند گیت-امیتر در IGBT بالایی در یکی از پایه های اینورتر نمایش داده شده است. تاخیر کل برای شروع خاموش کردن IGBT تقریبا برابر با 100ns می باشد.

تشخیص عدم اشباع گیت درایور می تواند سریع تر از روش تشخیص اضافه جریان عمل کند و این موضوع برای محدود کردن میزان افزایش جریان اتصال کوتاه اهمیت دارد، بدین ترتیب قابلیت اطمینان سیستم با افزایش سرعت حفاظت اضافه جریان افزایش می یابد. این موضوع در شکل شماره 7 نشان داده شده است. زمانی که خطا اتفاق می افتد، جریان به سرعت شروع به افزایش می کند، در حقیقت مقدار افزایش جریان خیلی بیشتر از چیزی است که دستگاه اندازه گیری نشان می دهد، چون از یک پراب با پهنای باند محدود به  20 آمپر برای نمایش استفاده شده است. مدار عدم اشباع سطح ولتاژ 9V را دریافت کرده و گیت درایور شروع به خاموش شدن می کند. کاملا مشخص است که کل مدت زمان اتصال کوتاه کمتر از 400 نانو ثانیه است. دم بلندی که در جریان وجود دارد، ناشی از انرژی القایی مزاحمی می باشد که به واسطه عبور جریان از دیود موازی در IGBT پایین عبور می کند. افزایش اولیه در ولتاژ عدم اشباع در طول روشن شدن میتواند باعث تشخیص نادرست عدم اشباع در طول حالت گذرای ولتاژ کلکتور-امیتر شود. این پارامتر را می توان با افزایش ثابت زمانی فیلتر عدم اشباع و اضافه کردن زمان خالی، حذف کرد.

خلاصه

تشخیص اضافه جریان و اتصال کوتاه و خاموش کردن در زمان بسیار کوتاه، با توجه به اینکه ثابت زمانی اتصال کوتاه در IGBT به کمتر از 1 میکرو ثانیه رسیده است، اهمیت بسیار بالایی دارد. قابلیت اطمینان درایور موتورهای صنعتی به طور مستقیم به مدارات حفاظتی IGBT ها مرتبط است. در این مقاله برخی از روش ها و رویکردها برای دستیابی به این موضوع را بیان کردیم.