Zabezpieczenia przeciwzwarciowe IGBT i SiC MOSFET

Tranzystory mocy IGBT i SiC MOSFET wykorzystywane w przekształtnikach energoelektronicznych przewodzą duże prądy oraz blokują wysokie napięcia, umożliwiając w ten sposób przetwarzanie mocy z wysoką sprawnością energetyczną. Struktury półprzewodnikowe tranzystorów mają niewielkie rozmiary, co czyni je wrażliwymi na uszkodzenia w skutek zwarć i przeciążeń.

Zabezpieczenia od skutków zwarć mogą być realizowane na kilka sposobów:

• indywidualnie – każdy tranzystor posiada odrębne zabezpieczenia, najczęściej zintegrowane na poziomie sterownika bramkowego (gate driver).
• grupowo – przekształtnik zabezpieczany jest jako całość z uwzględnieniem jego topologii, charakteru odbiornika itp. Najczęściej z wykorzystaniem sterownika głównego (np. procesora sygnałowego).

W urządzeniach średniej i dużej mocy powszechną praktyką jest łączenie obu tych podejść, stosując zabezpieczenia indywidualne przeciwzwarciowe oraz grupowe przeciążeniowe. W przekształtnikach niewielkich mocy (kilka/kilkanaście kW) często spotyka się jedynie zabezpieczenia grupowe, przede wszystkim ze względów ekonomicznych.

Opracowanie porusza problematykę przeciwzwarciowych indywidualnych zabezpieczeń tranzystorów mocy IGBT oraz SiC MOSFET.

IGBT a SiC MOSFET

Obie technologie łączy podobne zastosowanie ale dzieli wiele różnic w budowie. Tranzystor IGBT posiada właściwości zbliżone do tranzystora bipolarnego, podczas gdy SiC MOSFET jest tranzystorem polowym. W wiekszości przypadków, dla obu typów półprzewodników można stosować te same metody zabezpieczeń, mając na uwadze pewne istotne różnice.

Wytrzymałość zwarciowa

Parametr t_sc/t_psc (short-circuit withstand time), spotykany często w kartach katalogowych, określa maksymalny czas trwania zwarcia który nie powoduje uszkodzenia struktury tranzystora. Alternatywnie spotkać można wartość prądu I_sc wraz z limitem czasu t_p trwania takiego zdarzenia.

Dla IGBT parametr t_sc/t_psc mieści się w przedziale 6-10 µs, dla nowszych generacji.

Dla SiC MOSFET czas t_sc/t_psc jest znacznie krótszy i wynosi typowo ≤3 µs. Niestety, informacje na ten temat nie zawsze znajdują się w kartach katalogowych tranzystorów.

Wartość t_sc/t_psc ulega zmianie w funkcji warunków pracy tranzystora (np. blokowane napięcie, temperatura struktury). Warto zauważyć, że ilość takich zdarzeń w całym cyklu życia tranzystora jest zazwyczaj ograniczona. Przytoczone oznaczenia wartości czasów i prądów mogą się nieco różnić w zależności od producenta półprzewodnika.

Detekcja zwarcia

Do realizacji zabezpieczenia niezbędna jest informacja o aktualnej wartości prądu tranzystora. Można ją uzyskać na kilka sposobów:

• Bezpośrednio, poprzez pomiar prądu, najczęściej z wykorzystaniem bocznika (current shunt) w obwodzie emitera (IGBT) lub drenu (SiC MOSFET).
• Pośrednio, poprzez monitorowanie napięcia V_ce lub V_ds (DESAT, desaturation protection), z wykorzystaniem diody wysokonapięciowej i źródła prądowego.

W przypadku zabezpieczeń przeciwzwarciowych, metoda pomiaru dająca przybliżoną wartość prądu jest w zupełności wystarczająca.

Zasada działania zabezpieczenia “current shunt”

Prąd tranzystora można wyznaczyć w sposób bezpośredni:

I_c ≅ U_s / R_s

Komparator CMP porównuje napięcie V_desat z napięciem progowym V_th. Wyjściem komparatora jest sygnał logiczny zadziałania zabezpieczenia. Przykład pokazuje zabezpieczenie IGBT, dla tranzystora SiC MOSFET zasada działania jest identyczna.

Zasada działania zabezpieczenia “DESAT”

Zabezpieczenie typu DESAT polega na monitorowaniu napięcia V_ce IGBT lub V_ds SiC MOSFET. Wartość tego napięcia odzwierciedla aktualną wielkość prądu (kolektora lub drenu) tranzystora. Zasada działania tego zabezpieczenia zostanie przedstawiona na przykładzie tranzystora IGBT.

Napięcie kolektora tranzystora względem emitera (V_ce) monitorowane jest za pośrednictwem diody D_desat zdolnej do blokowania wysokiego napięcia występującego na tranzystorze w stanie nieprzewodzenia. Podczas przewodzenia tranzystora, napięcie V_ce spada do wartości pojedynczych woltów a dioda D_desat wchodzi w stan przewodzenia za sprawą źródła prądowego I_desat. Tym samym napięcie kolektor-emiter tranzystora w ustalonym stanie przewodzenia wynosi:

V_ce = V_desat – V_fd

Gdzie V_fd to spadek napięcia na diodzie D_desat. Komparator CMP porównuje napięcie V_desat z napięciem progowym V_th (typowo 7..9V dla IGBT). Wyjściem komparatora jest sygnał logiczny zadziałania zabezpieczenia.

Ta metoda obarczona jest niedokładnością powodowaną rozrzutem charakterystyk tranzystora, w szczególności w skutek zmian temperatury oraz napięcia sterującego bramki. Niemniej jednak, jest to metoda w zupełności wystarczająca do zapewnienia zabezpieczenia przeciwzwarciowego.

Wyłączenie w stanie zwarcia

W sytuacji wykrycia zwarcia, tranzystor powinien zostać wprowadzony w stan nieprzewodzenia bez zbędnej zwłoki. W przypadku zwarcia, wartość prądu zwarciowego może przewyższać prąd nominalny nawet kilkukrotnie. W takiej sytuacji indukcyjności pasożytnicze, typowo występujące w obwodach napięciowych przekształtnika, posiadają znaczą ilość zgromadzonej energii (proporcjonalną do kwadratu wartości prądu). Nagłe przerwanie dużej wartość prądu z pewnością uchroni tranzystor od skutków zwarcia, ale może spowodować jego uszkodzenie w skutek przepięcia. W związku z tym stosuje się tzw. łagodne wyłączenie (soft turn-off), polegające na wydłużeniu czasu wyłączenia tranzystora celem obniżenia wartości przepięcia.

Bezpieczniki? Nie. Dlaczego?

Zastosowanie bezpieczników to najpopularniejszy sposób ochrony przed zwarciami i przeciążeniami powszechny np. w elektroenergetyce. Bezpiecznik topikowy przerywa obwód przepalając się w skutek traconej w nim mocy. Ale co jeżeli to nie bezpiecznik będzie najsłabszym ogniwem obwodu? Co jeżeli będzie nim tranzystor?

Całka Joule’a

Parametr ten opisuje ilość energii jaką element może przejąć i rozproszyć bez uszkodzenia. Istnieje wiele specjalistycznych wkładek bezpiecznikowych (np. ultraszybkie aR), niemniej jednak praktycznie zawsze zachodzi zależność:

I²t IGBT, SiC MOSFET   ≪   I²t bezpiecznika

Niezależnie od powyższego, na niekorzyść zastosowania bezpieczników przemawiają dodatkowo:

• konieczność wymiany wkładki po zadziałaniu zabezpieczenia,
• dodatkowe straty mocy wydzielane we wkładce,
• indukcyjność pasożytnicza wkładki, co jest szczególnie niekorzystne w obwodach napięciowych przekształtników.

W praktyce, nie spotyka się bezpieczników w roli ochrony tranzystorów mocy, przede wszystkim z uwagi na zbyt dużą wartość całki Joule’a bezpiecznika w relacji do półprzewodnika.

Podsumowanie

Zabezpieczanie tranzystorów przed skutkami zwarć to obszerny i złożony problem, trudny do wyczerpania na łamach krótkiego tekstu. Niemniej jednak, tym artykułem postaraliśmy się przybliżyć powyższą tematykę w zwięzłej formie, kładąc nacisk na najistotniejsze aspekty rozwiązań spotykanych w seryjnie produkowanych przekształtnikach energoelektronicznych.