Защита от перегрузки в MOSFET драйверах

Одними из главных элементов, которые применяются в мощных импульсных преобразователях (источниках питания), являются силовые транзисторы IGBT и MOSFET. Их уникальные статические и динамические характеристики позволяют создавать приборы, которые имеют выходную мощность в сотни кВт при минимальных габаритах и КПД, превышающем 95%.

IGBT и MOSFET транзисторы имеют схожие характеристики управления, поскольку общим является изолированный затвор. Так как данные транзисторы имеют отрицательный температурный коэффициент тока короткого замыкания, появилась возможность создавать транзисторы, устойчивые к короткому замыканию.

Падение напряжения управления до значения, при котором транзистор может перейти в линейный режим и выйти из строя из-за перегрева кристалла, является опасным для ключевых элементов с управляющим электродом.

Отсутствие тока управления в статических режимах и общее низкое потребление по цепям питания позволяет отказаться от гальванически изолированных схем управления на дискретных элементах и создать интегральные схемы управления - драйверы. В настоящее время ряд фирм выпускает большой ассортимент таких устройств, управляющих одиночными транзисторами, полумостами и мостами - двух и трехфазными. Кроме обеспечения тока затвора они способны выполнять и ряд вспомогательных функций, таких, как защита от перегрузки по току, падения напряжения управления и ряд других.

Далее рассматриваются способы использования серийных драйверов для режимов защиты.

Режим короткого замыкания

Режим КЗ

Рис.1.

Причины возникновения токовых перегрузок бывают различные. Чаще всего это аварийные случаи, такие как пробой на корпус или замыкание нагрузки.

Перегрузка может быть вызвана и особенностями схемы, например, переходным процессом или током обратного восстановления диода оппозитного плеча. Данные перегрузки должны быть устранены схемотехническими методами: применением цепей формирования траектории (снабберов), выбором резистора затвора, изоляцией цепей управления от силовых и др.

Включение транзистора при коротком замыкании в цепи нагрузки.

Режим КЗ

Рис.2

Принципиальная схема и эпюры напряжения, соответствующие режиму короткого замыкания, приведены на рис. 1а и 2. Данные графики получены при анализе реальных схем с помощью специального программного обеспечения. Для анализа были использованы усовершенствованные модели транзисторов MOSFET и макромодели IGBT и драйверов.

Максимальный ток в цепи коллектора транзистора ограничен напряжением на затворе и крутизной транзистора. В следствии наличия емкости в цепи питания, внутреннее сопротивление источника питания не влияет на ток короткого замыкания. В момент включения ток в транзисторе нарастает плавно из-за паразитной индуктивности LS в цепи коллектора (средний график на рис.2). По этой же причине напряжение имеет провал (нижний график). После окончания переходного процесса к транзистору приложено полное напряжение питания, что приводит к рассеянию колоссальной мощности в кристалле. Режим КЗ нужно прервать через определенное время, которое необходимо для исключения ложного срабатывания. Это время обычно составляет 1-10мкс. Естественно, что транзистор должен выдерживать перегрузку в течение этого времени.

Короткое замыкание нагрузки у включенного транзистора.

Принципиальная схема и эпюры напряжения, соответствующие этому режиму, приведены на рис. 1 и 3. Как видно из графиков, процессы в этом случае происходят несколько иначе. Ток, как и в предыдущем случае ограниченный параметрами транзистора, нарастает со скоростью, определяемой паразитной индуктивностью Ls (Средний график на рис.3). Перед тем,как ток достигнет установившегося значения, начинается увеличение напряжения Vce (нижний график). Напряжение на затворе увеличивается за счет эффекта Миллера (верхний график). Соответственно возрастает и ток коллектора, который может превысить установившееся значение. В этом режиме помимо отключения транзистора необходимо предусмотреть и ограничение напряжения на затворе.

Режим КЗ

Рис.3.

Как было отмечено ранее, установившееся значение тока КЗ определяется напряжением на затворе. Однако снижение этого напряжения приводит к повышению напряжения насыщения и, следовательно, к увеличению потерь проводимости. Устойчивость к КЗ тесно связана и с крутизной транзистора. IGBT с высоким коэффициентом усиления по току имеют низкое напряжение насыщения, но небольшое допустимое время перегрузки. Как правило транзисторы, наиболее устойчивые к КЗ имеют высокое напряжение насыщения и, следовательно, высокие потери.

Допустимый ток КЗ IGBT гораздо выше, чем у биполярного транзистора. Обычно он равен 10-кратному номинальному току при допустимых напряжениях на затворе. Ведущие фирмы, такие как International Rectifier, Siemens, Fuji выпускают транзисторы, выдерживающие без повреждения такие перегрузки. Этот параметр оговаривается в справочных данных на транзисторы и называется Short Circuit Ration., а допустимое время перегрузки - tsc - Short Circuit Time.

Быстрая реакция схемы защиты весьма полезна для большого количества применений. Применение таких схем защиты в сочетании с высокоэффективными IGBT повышают эффективность работы схемы без снижения надежности.