CC BY
127Компоненты и технологии, № 1'2005 Компоненты
Драйверы и силовые модули ЮБТ
для мегаваттных преобразователей
Проблема управления мегаваттными нагрузками (от сотен киловатт до десятков мегаватт) требует для своего решения применения высоковольтных особомощных ЮБТ, а также драйверов, способных управлять такими транзисторами. Российская компания «Электрум АВ», специализирующаяся на интеллектуальных системах силовой электроники, предлагает свое решение для управления высоковольтными (до 6500 В) сильноточными (до 2400 А) ЮБТ.
Сергей Волошин
Проблемы управления высоковольтными особомощными ЮВТ-транзисторами могут быть сформулированы следующим образом:
1. Необходимо осуществить высоковольтную гальваническую изоляцию между цепями управления и выходными цепями. В зависимости от напряжения питания силовых управляющих транзисторов и возможных перенапряжений в линиях питания, связанных с индуктивностью монтажа и самой нагрузки, предельнодопустимое напряжение ЮВТ может быть 1700, 3300, 4500, 6500 В. Соответственно, уровень напряжения изоляции для драйверов должен составлять 4000, 10000, 15000, 20000 В переменного тока (1 мин). Столь высокие изоляционные напряжения могут быть обеспечены только применением волоконно-оптических развязок (ВОЛС) сигналов управления и сигналов состояния драйвера. Применение ВОЛС, обладающих высокой скоростью передачи сигнала, помогает решить еще две проблемы:
• проблему помехозащищенности, которая в случае коммутации особомощных токовых сигналов становится очень актуальной, так как высокие напряженности электрического поля, порождаемые такими токовыми сигналами, способны наводить в электрических цепях особомощные помехи. ВОЛС обеспечивают передачу сигналов по оптоволоконным линиям, не подверженным воздействию электромагнитных полей;
• проблему обеспечения необходимого быстродействия. Типичные частоты, которые используются при управлении транзисторами в особомощных преобразователях, лежат в диапазоне 1-10 кГц. Соответственно, драйверы управления должны работать на такой же частоте. Однако времена нарастания и спада напряжения на затворе транзистора должны быть минимальными (100-200 нс) с целью снижения динамических потерь в процессе включения и выключения транзистора, которые
для таких мощных транзисторов (транзисторных модулей, содержащих в своем составе десятки ЮБТ, включенных параллельно) могут достигать очень больших значений, превышающих даже статические потери на транзисторе (2400 Ах2 В=4,8 кВт).
2. Необходимо обеспечить такой режим работы транзистора, который будет соответствовать его «области безопасной работы», для чего драйвер должен постоянно отслеживать падение напряжения на транзисторе (пропорционально протекающему току), напряжение на его коллекторе и напряжение на затворе. «Правильные» значения этих параметров соответствуют нормальной, надежной работе транзистора и преобразователя в целом. Для этого в драйвере должны быть предусмотрены:
• контроль напряжения питания драйвера, так как это напряжение определяет уровни вторичных источников, обеспечивающих отпирающие и запирающие уровни на затворе транзистора, а также опорные уровни компараторов, обеспечивающих контроль необходимых параметров управляемого транзистора и самого драйвера;
• контроль уровня напряжения на коллекторе в проводящем состоянии и отключение транзистора при превышении этого параметра некой критичной величины, причем такое выключение должно быть достаточно плавным;
• контроль уровня напряжения на коллекторе транзистора при его запирании. Увеличение этого напряжения свыше предельно допустимого может привести к выходу транзистора из строя. Для предотвращения этого в драйвере предусмотрена функция защиты, работающая таким образом, что при превышении напряжением на коллекторе некой критической величины транзистор отпирается до тех пор, пока напряжение на коллекторе не придет в норму.
3. При коммутации больших нагрузок встает еще одна проблема, решение которой должен обеспечить
Компоненты и технологии, № 1'2005
Компоненты
Рис. 1. Структурная схема драйвера
драйвер. Эта проблема заключается в том, что большие скорости изменения напряжений и токов (ШМ1, Ш/Л) в нагрузке создают аварийные перегрузочные ситуации в драйвере за счет распространения энергии по паразитным цепям драйвера. Для предотвращения этого применяются специальные методы конструирования и схемотехники, снижающие до минимума величины паразитных элементов, а следовательно, и риск повреждения драйвера. Специальные меры принимаются в драйвере для защиты от электромагнитных импульсов и синусоидального электромагнитного поля, неизбежно возникающего при работе на мощные индуктивные нагрузки, например электродвигатели.
Рассмотрим теперь эти вопросы подробнее. Структурная схема драйвера показана на рис. 1.
Схема управления затвором транзистора состоит из волоконно-оптического приемника и усилителя-формирователя сигнала управления затвором транзистора с необходимыми элементами защит и блокировок. Уровни напряжений, необходимых для работы драйвера, формируются встроенным БСЮС-преоб-разователем, преобразующим напряжение питания драйвера ( + 15 В), которое подается в схему через самовосстанавливающийся предохранитель, обеспечивающий защиту драйвера от токовой перегрузки, в напряжения +18 и -7 В, необходимые для отпирания и запирания затвора транзистора, и напряжение +60 В, из которого формируются опорные уровни компараторов, обеспечивающих контроль напряжения + 18 Ви контроль напряжения насыщения транзистора.
Таблица
Предельно допустимое напряжение на транзисторе, В Предельно допустимый длительный токтранзистора, А Максимальный порог срабатывания защиты по напряжению насыщения, В Уровень защиты от перенапряжения на транзисторе, В
6500 200 5-1200 4400
6500 400 5-1200 4400
6500 600 5-1200 4400
4500 400 5-680 3000
4500 600 5-680 3000
4500 900 5-680 3000
3300 800 5-50 2200
3300 1200 5-50 2200
3300 1500 5-50 2200
1700 1200 5-30 1400
1700 1800 5-30 1400
1700 2400 5-30 1400
Схема контроля напряжения насыщения (рис. 2) содержит компаратор с пороговым напряжением 30-60 В для транзистора с предельно допустимым напряжением 1700 В (для транзисторов на 3300 В, 4500 В и 6500В порог компарирования выше и может достигать нескольких сотен вольт).
Типичные величины критичных уровней напряжения насыщения и допустимых уровней перенапряжения приведены в таблице для различных по величине предельно допустимого тока и напряжения транзисторов.
Цепь контроля должна обладать, с одной стороны, высоким быстродействием, с другой, защищать низковольтные элементы драйвера от повреждения высоким коллекторным напряжением транзистора. Для этого она выполнена на высоковольтных быстровосста-навливающихся диодах с малым временем восстановления (несколько десятков наносекунд). Цепь контроля напряжения насыщения содержит источник тока и специальный конденсатор Сзад, время заряда которого от этого источника определяет время «блокировки» срабатывания схемы защиты при включении транзистора, когда уровень напряжения насыщения может существенно превышать установленные пороги. Это время составляет 5-9 мкс. При превышении порога напряжения насыщения или снижения напряжения + 18 В ниже допустимого уровня (12 В) драйвер через время не более 5-6 мкс начнет выключение транзистора. Такое выключение бу-
дет происходить плавно за 5-6 с. Напряжение на затворе транзистора при этом изменится от ~ (+18 В) до ~ (-7 В), что обеспечит надежное запирание транзистора и отсутствие больших перенапряжений на коллекторном выводе транзистора. Для снижения возможных перенапряжений служит еще один защитный блок драйвера. Этот блок (рис. 3) следит за уровнем напряжения на коллекторе транзистора и приоткрывает транзистор при достижении критической величины этого напряжения (рис. 4).
При этом автоматически происходит снижение напряжения на коллекторе транзистора до допустимого уровня. При возникновении «аварийных» ситуаций, связанных с напряжением насыщения или напряжением питания на выходе состояния (этот выход при нормальном режиме работы выдает постоянный сигнал в волоконно-оптическую линию, структурная схема которой представлена на рис. 5), прекращается свечение светодиода и в систему управления поступает сигнал о не--------------------------------- 25
Компоненты и технологии, № 1'2005
Компоненты
Рис. 5. Структурная схема оптоволоконной развязки
Рис. 6. Драйвер, установленный на силовой модуль
исправности. Восстановление нормальной работы драйвера возможно только при подаче переменного фронта сигнала управления после периода времени около 70 мс. Конструктивно драйверы выполнены в виде печатной платы с установленным на ней модулем драйвера. Монтаж драйвера осуществляется непосредственно на контакты силового модуля. Внешний вид драйвера, установленного на силовой модуль, показан на рис. 6.
Технические решения, примененные в рассмотренном драйвере, позволили реализовать принципиально новый класс приборов силовой электроники — монолитный высоковольтный модуль мощного биполярного транзистора с полевым управлением (ЮБТ), который является усилителем-формирователем токовых импульсов с частотой до 10 кГц и обеспечивает следующие функции контроля и защиты транзисторов:
1. Контроль напряжения насыщения на коллекторе управляемого транзистора.
2. Запрет контроля напряжения насыщения на силовом транзисторе при активном состоянии управляемого транзистора на время 1 мкс.
3. Контроль уровня питающих напряжений драйвера (встроенный компаратор с порогом 11 В).
4. Блокировка управления на время аварии
(Икэ>5 В).
5. Наличие инверсного входа (вход блокировки).
6. Наличие встроенного БСЮС-преобразова-теля.
7. Автосброс схемы по управляющему сигналу (без времени блокировки).
8. Плавное аварийное выключение управляемого транзистора за 3 мкс.
Электрические параметры ключа:
• Напряжение питания — 5 В.
• Ток потребления (£=10 кГц) — 500 мА.
• Порог срабатывания защиты по снижению напряжения питания — 3,5 В.
• Порог срабатывания защиты по напряжению насыщения транзисторов — 5 В.
• Задержка включения-выключения — 1 мкс.
• Время нарастания и спада — 100 нс.
• Задержка появления сигнала «авария» — 1 мкс.
• Задержка срабатывания защиты по напряжению насыщения — 1 мкс.
• Максимальная частота переключения — 10 кГц.
• Напряжение питания коллекторной цепи — 2500 В.
• Максимальное напряжение на коллекторе транзистора — 3300 В.
• Напряжение изоляции (пиковое значение 1 мин) — 7000 В.
• Энергия включения — 85 мДж.
Параметры составных элементов ключа:
1. Транзистор:
• Максимальное напряжение в закрытом состоянии — 3300 В.
• Максимальный постоянный ток коллектора — 10 А.
• Максимальный ток короткого замыкания— 100 А.
• Максимальное время короткого замыкания — 10 мкс.
• Максимальное напряжение насыщения — 3,5 В.
2. Диод:
• Максимальное повторяющееся обратное напряжение — 3300 В.
• Максимальный постоянный ток — 10 А.
• Максимальный повторяющийся прямой ток — 100 А.
• Время обратного восстановления —
800 нс.
• Энергия обратного восстановления —
145 мДж.
Типовые характеристики транзистора и диода силового модуля приведены на рис. 7-9.
Рассматриваемые силовые модули применяются в системах, где требуются очень высокие (несколько десятков киловольт) напряжения питания для получения больших мощностей сигналов, в частности в высоковольтных модуляторах. Такая возможность обеспечивается благодаря способности таких модулей работать в последовательных цепочках из многих подобных ключей, что обусловлено наличием активного регулирования состояния транзистора по затворной цепи, рассмотренного выше, при описании драйвера. Эта функция исключает возможные перенапряжения на транзисторах последовательной цепочки и позволяет получить модули с рабочим напряжением до 100 кВ. В настоящее время специалисты фирмы «Электрум АВ» работают над созданием монолитного малогабаритного (70x110x30 мм) модуля с рабочим напряжением 20 кВ и рабочим током 10 А. Для обеспечения возможно-
150
100
50
-50
-100
-150
і
г
Ґ
К 2 !
2100
1400
700
-700
-1400
-2100
0 2 4 6
Время, мкс
1 — график тока
2 — график напряжения
Рис. 8. Характеристика обратного восстановления диода
сти работы нескольких таких модулей на одну нагрузку разрабатывается также высоковольтный (до 25 кВ) модуль диода Шоттки, который может обеспечить рабочий ток до 10 А и частоту коммутации до 100 кГц.
