Surintensité IGBT dans les entraînements industriels
Protection contre les surintensités IGBT
En termes de dommages matériels ou de considérations de sécurité, la protection IGBT contre les surintensités est la clé de la fiabilité du système. Les IGBT ne sont pas un composant de sécurité. S'ils échouent, ils peuvent provoquer l'explosion du condensateur du bus CC et provoquer le dysfonctionnement de l'ensemble du pilote. La protection contre les surintensités est généralement obtenue par la mesure du courant ou la détection de la désaturation. La figure 2 montre ces conseils.
Pour la mesure du courant, le bras de l'onduleur et la sortie de phase nécessitent des dispositifs de mesure tels que des résistances de shunt afin de gérer les défauts de traversée et les défauts d'enroulement du moteur. Le circuit de déclenchement d'exécution rapide dans le contrôleur et / ou le pilote de grille doit éteindre l'IGBT à temps pour empêcher le temps de tenue du court-circuit. Le principal avantage de cette méthode est qu’elle nécessite deux dispositifs de mesure sur chaque bras d’onduleur et qu’elle est équipée de tous les circuits de conditionnement et d’isolation du signal appropriés. Cela peut être atténué en ajoutant simplement une résistance de shuntage à la ligne de bus positif et à la ligne de bus négative. Cependant, dans de nombreux cas, il existe des résistances de dérivation de bras dans l'architecture du pilote ou des résistances de dérivation de phase destinées à desservir la boucle de commande de courant et à fournir une protection contre les surintensités de moteur; ils sont également possibles pour la protection contre les surintensités IGBT - à condition que le temps de réponse du conditionnement du signal soit suffisamment rapide pour protéger l'IGBT pendant la durée de tenue au court-circuit requise.
La détection de désaturation utilise l'IGBT lui-même comme élément de mesure du courant. Les diodes du schéma garantissent que la tension collecteur-émetteur IGBT est uniquement surveillée par le circuit de détection lors de la mise sous tension; en fonctionnement normal, la tension collecteur-émetteur est très basse (typiquement 1V à 4V). Cependant, si un événement de court-circuit se produit, le courant du collecteur IGBT monte à un niveau qui entraîne l'IGBT en dehors de la région de saturation et dans la région de fonctionnement linéaire. Cela provoque une augmentation rapide de la tension collecteur-émetteur. Les niveaux de tension normaux décrits ci-dessus peuvent être utilisés pour indiquer la présence d'un court-circuit, tandis que le niveau de seuil de déclenchement de désaturation se situe généralement dans la région de 7V à 9V. Il est important de noter que la désaturation peut également signifier que la tension grille-émetteur est trop basse et que l’IGBT n’est pas totalement entraîné dans la région de saturation. Faites attention lors du déploiement de la détection de désaturation pour éviter les faux déclenchements. Cela peut notamment se produire pendant la transition de l'état IGBT désactivé à l'état activé IGBT lorsque l'IGBT n'est pas complètement entré en saturation. Le temps de suppression se situe généralement entre le signal d'activation et le temps d'activation de la détection de désaturation afin d'éviter les fausses détections. Un condensateur de charge de source de courant ou un filtre RC est également généralement ajouté pour créer une constante de temps courte dans le mécanisme de détection afin de filtrer les parasites du filtre provoqués par la capture de bruit. Lors de la sélection de ces composants de filtre, un compromis est nécessaire entre l’immunité au bruit et le temps de tenue au court-circuit IGBT.
Après avoir détecté une surintensité IGBT, un autre défi consiste à éteindre l'IGBT à un niveau de courant anormalement élevé. Dans des conditions de fonctionnement normales, le pilote de grille est conçu pour éteindre l'IGBT aussi rapidement que possible afin de minimiser les pertes de commutation. Ceci est obtenu par une impédance d'attaque et une résistance d'attaque de porte plus faibles. Si le même taux de déconnexion de la porte est appliqué pour les conditions de surintensité, le nombre de capteurs / émetteurs di / dt sera beaucoup plus grand, car le courant variera considérablement dans une période de temps plus courte. L’inductance parasite du circuit collecteur-émetteur due à l’inductance parasite de la liaison des fils et des traces de PCB peut amener un niveau de surtension important à atteindre instantanément l’IGBT (car VLSTRAY = LSTRAY × di / dt). Par conséquent, il est important de fournir une voie de désactivation à haute impédance lors de la désactivation de l'IGBT lors d'un événement de désaturation, ce qui peut réduire les variations di / dt et les niveaux de surtension potentiellement dommageables.
En plus des courts-circuits provoqués par des défaillances du système, le passage instantané de l'onduleur se produit également dans des conditions de fonctionnement normales. A ce stade, la conduction IGBT nécessite que l'IGBT soit conduit dans la région de saturation où la perte de conduction est la plus faible. Cela signifie généralement que la tension grille-émetteur à l'état passant est supérieure à 12V. La désactivation IGBT nécessite que l’IGBT soit piloté vers la région de coupure active afin de bloquer avec succès la haute tension inversée sur l’IGBT haut côté lorsqu’elle est activée. En principe, cela peut être réalisé en abaissant la tension porte-émetteur IGBT à 0V. Cependant, les effets secondaires du transistor bas de gamme sur le bras de l’onduleur lorsqu’il est allumé doivent être pris en compte.
Un changement rapide de la tension au niveau du nœud de commutation lors de la mise sous tension provoque le passage du courant capacitif induit à travers la capacité de collecteur grille Miller de type IGBT bas de gamme (CGC sur la figure 3). Ce courant circule dans le circuit d'attaque de grille côté bas (ZDRIVER sur la figure 3) afin de désactiver l'impédance, ce qui crée une augmentation transitoire de la tension au niveau de l'émetteur de grille IGBT côté bas, comme indiqué. Si la tension dépasse le seuil de tension IGBT VTH, cela provoque une brève activation de l'IGBT côté bas, ce qui entraîne un passage transitoire du bras de l'inverseur, car les deux IGBT sont activés brièvement. Cela ne détruit généralement pas l'IGBT, mais peut augmenter la consommation d'énergie et affecter la fiabilité.
En général, il existe deux manières de résoudre le problème de conduction inductive de l’onduleur IGBT - en utilisant une alimentation bipolaire ou une pince de Miller supplémentaire. La possibilité d'accepter une alimentation bipolaire du côté isolé du pilote de grille offre une marge supplémentaire pour les transitoires de tension induits. Par exemple, un rail négatif de -7,5 V indique qu’une tension transitoire induite supérieure à 8,5 V est nécessaire pour détecter une conduction parasite. Cela suffit pour prévenir la conduction parasite. Une autre méthode consiste à réduire l'impédance de désactivation du circuit de commande de porte pendant une période après la fin de la transition de désactivation. C'est ce qu'on appelle le circuit de fixation Miller. Le courant capacitif passe maintenant à travers le circuit à impédance inférieure, ce qui réduit l'amplitude du transitoire de tension. L'utilisation de résistances à grille asymétriques pour l'activation et la désactivation offre une flexibilité supplémentaire pour le contrôle du taux de commutation. Toutes ces fonctions de pilote de porte ont un impact positif sur la fiabilité et l'efficacité du système global.
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