Паралельне включення IGBT транзисторів

Журнал РАДІОЛОЦМАН, лютий 2013

Alan Ball, ON Semiconductor

PowerPulse

З ростом потужності силового обладнання підвищуються вимоги до електроніки управління високовольтної і потужнострумової навантаженням. У потужних імпульсних перетворювачах, де елементи працюють одночасно з високими рівнями напруг і струмів, найчастіше потрібна паралельне з'єднання силових ключів, таких, наприклад, як IGBT транзистори, добре працюють в подібних схемах.

Існує безліч нюансів, які необхідно враховувати при паралельному включенні двох і більше IGBT. Один з них - з'єднання затворів транзисторів. Затвори паралельних IGBT можуть підключатися до драйверу через загальний резистор, окремі резистори або комбінацію загального і окремих опорів (Малюнок 1). Більшість фахівців сходяться на думці, що обов'язково потрібно використовувати окремі резистори. Однак існують вагомі аргументи на користь схеми з загальним резистором.

В першу чергу при розрахунку схеми з паралельними IGBT потрібно визначити максимальний струм управління транзисторами. Якщо обраний драйвер не може забезпечити сумарний базовий струм декількох IGBT, доведеться ставити окремий драйвер на кожен транзистор. В цьому випадку індивідуальний резистор буде у кожного IGBT. Швидкодії більшості драйверів досить, щоб забезпечити інтервал між імпульсами включення і виключення в кілька десятків наносекунд. Це час цілком пропорційно з часом перемикання IGBT, що становить сотні наносекунд.

При використанні одного драйвера предметом обговорення може бути конфігурація резисторів в ланцюгах затворів. Недоліком схеми з окремими резисторами (Малюнок 1а) є можливість збільшення розкиду часу перемикання внаслідок того, що керуючі напруги затвор відстежуватимуть вихідні сигнали драйвера. Навіть якщо імпульси управління, що подаються на резистори з драйвера, будуть абсолютно ідентичні, відмінності в зарядах затворів в сукупності з опорами затворів і імпеденсамі провідників друкованої плати приведуть до розбіжностей часів наростання, спаду і затримки сигналів на затворах IGBT. Проте, багато хто виступає на захист індивідуальних резисторів, оскільки останні мінімізують ймовірність виникнення паразитної генерації між IGBT.

Причиною генерації може стати паразитная індуктивність плати (зазвичай в ланцюзі емітера) в поєднанні з ємністю затвора і посиленням транзисторів. Мінімізація індуктивності в ланцюзі емітера грає важливу роль в запобіганні паразитного генерації.

Загальний резистор (Малюнок 1б) гарантує, що потенціали затворів обох IGBT в будь-який момент часу буде практично однаковими, маючи лише незначний розкид, обумовлений варіаціями паразитних імпедансів плати. При перехідних процесах це може зменшити різницю в рівнях втрат і сприяти більш рівномірному розподілу струму між транзисторами. З точки зору режиму по постійному струму не має значення, чи використовуються окремі резистори або один загальний, оскільки, в кінцевому рахунку, затвори всіх IGBT заряджаються до напруги зсуву. Аргументи на користь загального резистора можна знайти і в інших джерелах, але наведені там рекомендації не можна використовувати як загальні вказівки у випадку з окремими резисторами в ланцюгах затворів.

Для тестування різних конфігурацій резисторів з 22 випускаються ON Semiconductor IGBT типу NGTB40N60IHL були обрані два транзистора з найбільшим взаємним розкидом параметрів. Їх втрати при включенні становили 1.65 мДж та 1.85 мДж, а втрати при виключенні 0.366 мДж та 0.390 мДж, відповідно. Транзистори розраховані на робочу напругу 600 В і струм 40 А.

При використанні одного загального драйвера з окремими 22-омнимі резисторами, спостерігалося яскраво виражене розбіжність кривих струму в момент вимикання через невідповідність швидкостей перемикання, нерівності порогів, крутизни і зарядів затворів двох приладів. Заміна двох резисторів одним загальним з опором 11 Ом в будь-який момент часу зрівнює потенціали на затворах обох IGBT. У такій конфігурації істотно зменшується перекіс струмів в момент вимикання. З точки зору неузгодженості по постійному струму конфігурація резисторів значення не має.

Оскільки до розробки і збірки реального прототипу визначити, чи виникне між приладами паразитная генерація, неможливо, рекомендується використовувати комбіновану схему включення резисторів в ланцюгах затворів (Малюнок 1в).

Комбінована схема забезпечує гнучкість підбору опорів резисторів, засновану на обліку паразитних імпедансів реальної схеми. Якщо в схемі із загальним резистором спостерігається генерація, активну частину повного опору кола затвора можна розділити на окремий і загальний компонент. Для отримання оптимальних характеристик опору індивідуальних резисторів повинні, наскільки можливо, перевищувати значення опору затвора, але залишатися в межах, при яких виключається ризик виникнення генерації. Ця схема легко може бути приведена у відповідність з конкретними умовами експлуатації і використовуватися в якості самостійного функціонального блоку. Таким способом можна забезпечити максимальну близькість потенціалів на затворах IGBT в моменти перемикання, але з урахуванням небезпеки виникнення генерації краще додати невеликі індивідуальні опору.

Оптимізація параметрів потужних схем з паралельним включенням силових ключів дозволяє підвищити надійність пристрою і поліпшити його робочі характеристики. Розглянуті в статті схеми управління затворами IGBT - один з чинників підвищення ефективності потужних комутаційних вузлів перетворювальної техніки.