magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

digi key lidAz ipari vezérlőberendezések árának és energiafogyasztásának csökkentésére a tervezők újabban nagyfrekvenciájú, nagyáramú, szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorokat használnak. Ezek egyre növekvő mértékben épülnek a fémoxid-félvezetős térvezérelt tranzisztorok (MOSFET-ek) helyett a gyorsabb szigetelt kapus bipoláris tranzisztorokra (IGBT-kre), amelyek gyorsabb kapcsolást tesznek lehetővé, így növelhető a fajlagos teljesítmény. A jó hatásfokú és biztonságos működés érdekében azonban a tervezőknek pufferáramköröket kell elhelyezniük a szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlőegységének kimenete és az IGBT teljesítménytranzisztorok között.

 

A bipoláris tranzisztorokkal felépített totemoszlop-kapcsolású áramköröket tartalmazó, diszkrét alkatrészekből felépülő kapcsolások képesek elvégezni ezt a pufferelő szerepet, de az ilyen megoldások jellemzően nem védettek a nagy áram- és feszültséglökések ellen. Ezenkívül nem képesek a digitális vezérlőegység kisfeszültségű kimenőjelének az IGBT-k megfelelő meghajtásához szükséges nagyobb feszültségek és áramerősségek irányába történő szinteltolására. Egy ilyen áramkör hozzáadása emellett lassítja és bonyolítja is a tervezési folyamatot, helyet igényel, és bővíti az anyaglistát is.
Ezen problémák megoldása érdekében a szénkefe nélküli egyenáramú motorokat használó megoldásokhoz tervezett integrált áramkörös, nagyfrekvenciás kapuvezérlők új generációja kombinálja az IGBT-k meghajtásához szükséges puffer- és erősítő áramköröket, és egyúttal tartalmaz valamilyen védőáramkört is.
A hatékonyság növelését szolgáló tulajdonságok mellett ezek az eszközök kevesebb perifériaeszközt igényelnek, és alacsonyabb az üzemi hőmérsékletük is. A kisebb helyigényük tovább növeli a nagyfrekvenciás motor fajlagos teljesítményét, ráadásul helytakarékos is.

 

digi key 1

1. ábra  Háromfázisú, szénkefe nélküli egyenáramú motor jellegzetes zárt szabályozóhurka, meghajtóegysége és fél H-hídba kötött teljesítménytranzisztorai. Ez a szabályozórendszer Hall-érzékelőket használ visszacsatoló áramkörként, de az érzékelő nélküli rendszerek szintén népszerűek (A kép forrása: Texas Instruments)

 

A szénkefe nélküli egyenáramú motorok meghajtóegységei – alapismeretek

Az alkalmazott villanymotorok egyik gyakori típusa a háromfázisú egyenáramú villanymotor, amelyben a forgórész mozgását a tekercsek megfelelő sorrendben történő gerjesztésével (kommutáció) előállított forgó mágneses tér idézi elő. A forgórész sebessége arányos a motor működési frekvenciájával. Az indulóáram, nyomaték és teljesítmény szabályozását az üzemi alapfrekvenciára ültetett (szuperponált) impulzusszélesség-moduláció (PWM) végzi.
A nagyfrekvenciás működéssel több előny is jár. Csökken például a brummáram – a váltakozó áramú bemenőjel egyenirányítása után visszamaradó egyik jellemző –, ami viszont csökkenti a szűréshez szükséges passzív alkatrészek méretét és árát. A nagyfrekvenciás működés csökkenti az egyenetlen elektromotoros erőt (EMF) is, amely a motor tekercseire adott nem egészen tökéletesen szinuszos bemenőjel következménye – ezáltal csökken a motor rezgése és kopása. Általában véve a nagyfrekvenciás kapcsolás növeli a fajlagos teljesítményt, így kisebb fizikai méretű motort lehet használni ugyanakkora kimenőteljesítmény eléréséhez.
Bár többféle megoldás létezik, de a nagyfrekvenciás működés tipikus zárt hurkú szabályozórendszere az alábbiakból áll:

  • egy fordulatszám-szabályozó bemenőjel, egy vezérlőegység, amely a meghajtóegység számára a megfelelő impulzusszélesség-modulált (PWM) jelet előállítva szabályozza a

  • motor kommutációját, az alacsony- és magasoldali teljesítménytranzisztorokat kapcsoló meghajtóegység, 

  • a motor gerjesztőtekercseit árammal ellátó, fél H-hídba kapcsolt teljesítménytranzisztorok.

Érzékelővel szabályozott szénkefe nélküli egyenáramú motorok esetén a szabályozóhurok a motor tengelyének forgását figyelő Hall-szenzortól kapott visszacsatoláson át záródik (1. ábra). Az érzékelő nélküli típusok az elektromotoros ellenerőből (BEMF) számolják ki a motor helyzetét. (Az érzékelős és érzékelő nélküli háromfázisú, szénkefe nélküli egyenáramú motorok teljes zárt hurkú szabályozórendszerének tervezésével kapcsolatos további tudnivalók a Digi-Key alábbi cikkeiben olvashatók: How to Power and Control Brushless DC Motors (A szénkefe nélküli egyenáramú motorok áramellátása és vezérlése), Why and How to Sinusoidally Control Three-Phase Brushless DC Motors (Miért érdemes és hogyan lehet szinuszosan szabályozni a háromfázisú, szénkefe nélküli egyenáramú motorokat) és Controlling Sensorless BLDC Motors via Back EMF (Az érzékelő nélküli szénkefe nélküli egyenáramú motorok szabályozása az elektromotoros ellenerő felhasználásával).)
A szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorok tervezésének kulcseleme a meghajtóegység. Ez általában egy teljesítményerősítő, amely a szénkefe nélküli egyenáramú motor vezérlőegységének kis teljesítményű jelét fogadja, és ebből nagyáramú meghajtó bemenőjelet állít elő a magas- és alacsonyoldali, fél H-hídba kapcsolt teljesítmény-IGBT tranzisztorok kapui számára. Mindazonáltal a nagyfrekvenciás működéshez tervezett meghajtóegységek legújabb változatai nagy integráltsági fokúak, és sokkal többre is képesek.

 

digi key 2

2. ábra  Ez a diszkrét elemekből felépített, MOSFET meghajtására tervezett, bipoláris rétegtranzisztorokat használó totemoszlop-kapcsolású áramkör kiválóan működik, de megfordítja a feszültség fázisait (invertálja a feszültséget), keresztvezetési (shoot through) áramok jellemzik, és nincs semmilyen védelme (A kép forrása: Texas Instruments)

 

Az integrált IGBT-kkel épített meghajtóegységek előnyei

IGBT-s meghajtóegységet diszkrét alkatrészekből is lehet építeni. A 2. ábrán egy teljesítménytranzisztor meghajtására tervezett, bipoláris rétegtranzisztorokat használó totemoszlop-kapcsolású áramkör látható. Ebben a kapcsolásban egy hagyományosabb MOSFET szerepel, de a kialakítás IGBT-vel is működik.
Ennek az áramkörnek két legfőbb hátránya a megfordított fázisú kimenőfeszültség és az, hogy van némi keresztvezetési áram a kapufeszültségek tranziensei alatt. Ezenkívül nyitáskor és záráskor (mielőtt a bipoláris rétegtranzisztoros meghajtás eléri a teljes üzemi feszültséget) az IGBT nagy áramnak és nagy feszültségnek lehet egyszerre kitéve. Ez növeli a teljesítményveszteséget, valamint túlmelegedést és maradandó károsodást okozhat. És bár a tervezőknek lehetőségük van a szénkefe nélküli egyenáramú ipari motorok által megkövetelt biztonsági szabványoknak való megfeleléshez szükséges védőáramköröket is kialakítani, azok megtervezése komoly kihívást jelent, és a további alkatrészek növelik a költségeket, a bonyolultságot és a méretet.
A diszkrét bipoláris rétegtranzisztorokat használó totemoszlop-kapcsolású áramkörrel kapcsolatos további gond a szinteltolás hiánya. A szénkefe nélküli egyenáramú motorok szabályozására manapság főleg digitális teljesítményszabályozást használnak, ám ez csak kis kimenőáramot és -feszültséget kínál. A digitális vezérlőegység PWM jele például gyakran 3,3 V-os logikai jel, amely nem képes hatékonyan kinyitni az IGBT tranzisztorokat. A szinteltolásra azért van szükség, hogy a vezérlőegységtől kapott PWM jelek alacsony áram- és feszültségszintjét megnöveljék az IGBT működtetéséhez szükséges nagy áram- és feszültségszintű (általában 9–12 V) PWM jelekké.
Az integrált nagyáramú IGBT-meghajtóegységek az olyan nyilvánvaló előnyöktől eltekintve is, mint a kevéssé bonyolult felépítés, a rövidebb fejlesztési idő és a kisebb méret, a diszkrét alkatrészekből épített megoldások minden baját kiküszöbölik. Ezek az eszközök minimálisra csökkentik a nagyfrekvenciás kapcsolási zaj hatását azzal, hogy a nagyáramú meghajtóegység fizikailag közel helyezkedik el a nagy teljesítményű kapcsolóegységhez, és egyúttal csökkentik a vezérlőegységek teljesítményveszteségét és az azokat érő hőterhelést is.
Egy olyan eszköz például, mint a Rohm Semiconductor cég BM60212FV-CE2 jelű integrált kapuvezérlője, ideális megoldás az alacsony- és magasoldali IGBT-tranzisztorpár meghajtására. Az eszköz 3,3 V-os és 5 V-os logikai jelekkel is használható, miközben akár 1200 V-os magasoldali lebegő tápfeszültséget és 24 V-os legnagyobb kapuvezérlő feszültséget képes előállítani.
A legnagyobb nyitási és zárási ideje 75 ns. A legnagyobb kimenőárama 4,5 A (1 µs-ig 5 A csúcsárammal).

digi key 3

3. ábra  Ha a MOSFET vagy IGBT eléri a telítettségi tartományt, megnövekednek a veszteségek (a piros vonal jobb oldalán), mielőtt az eszköz teljesen kinyit (A kép forrása: Texas Instruments)

 

Beépített védelem

Az IGBT-meghajtóegységek új nemzedéke, mint a BM60212FV-CE2 is, tartalmaznak beépített áramkörvédelmet, elsősorban feszültségesés miatti letiltást (UVLO) és telítetté válás elleni védelmet (telítettségvédelem, DESAT).
A feszültségesés miatti letiltás a túlmelegedés és a nyitáskori sérülések elkerüléséhez hasznos. Ha nyitáskor túl alacsony a kapufeszültség (MOSFET esetében VGS, IGBT esetében VGE), fennáll annak a veszélye, hogy a tranzisztor gyorsan eléri a telítettségi tartományát, ahol megnő a vezetési és a teljesítményveszteség. Az ezt a hatást szemléltető ábra azt mutatja, hogy miként befolyásolják a VGS különböző értékei a teljesítménytranzisztorokat (3. ábra). Újra elmondható, hogy szemléltetésképpen MOSFET tranzisztort használunk, de az IGBT jelleggörbéje is hasonló. Az állandó értékű nyelő-forrás (vagy IGBT esetében kollektor-emitter) áram által meghatározott piros görbe jobb oldala a kapu-forrás (VGS) feszültségtől függ, míg a nyelő-forrás feszültségtől (VDS) nem.
A megoldásnak tartalmaznia kell egy feszültségesés miatti letiltást is, hogy addig ne kerüljön feszültség a kapura, amíg a tápegység el nem éri azt a feszültségszintet, amely biztosítja, hogy a MOSFET vagy IGBT gyorsan kinyisson, és így elkerülhető legyen a túlzott teljesítményveszteség. A Texas Instruments UCC27512MDRSTEP jelű IGBT- (és MOSFET-) kapuvezérlője például tartalmaz egy feszültségesés miatti letiltási (UVLO) mechanizmust, amely mindaddig testre zárja a meghajtóegység kimenetét, amíg a tápegység feszültsége el nem éri a tervező által meghatározott feszültségesés miatti letiltási küszöbértéket (4. ábra). Az UCC27512MDRSTEP egy alacsonyoldali kapumeghajtó, amely 8 A befolyó csúcsáramot tesz elérhetővé.

 

digi key 4

4. ábra  Az IGBT-meghajtóegységek, mint például a TI cég UCC27512MDRSTEP jelű eszköze is, feszültségesés miatti letiltást tartalmaznak, hogy a meghajtóegység addig ne kezdje meg az IGBT nyitását, amíg a tápegység feszültsége el nem ér egy megadott küszöbértéket (A kép forrása: Texas Instruments)


Az ON Semiconductor cég NCV5702DR2G jelű eszköze egy jellegzetes IGBT-meghajtóegység telítettségvédő (DESAT) funkcióval. Ez a védőáramkör összehasonlítja az IGBT kollektor-emitter feszültségét (VCE) egy referenciafeszültséggel, ha az magasabb a referenciafeszültségnél, az IGBT-meghajtóegység lezárja a kimenetét, hogy védje a teljesítménytranzisztort.
Az NCV5702DR2G egy nagyáramú IGBT-meghajtóegység, amelyet egy magas- és alacsonyoldali IGBT-pár motormeghajtó megoldásokban való meghajtására terveztek. Az eszköz 22 V-os kimenőfeszültséget tud szolgáltatni –0,3…5,5 V-os bemenőfeszültség esetén. A befolyó csúcsárama 6,8 A (13 V-os kimenőfeszültség esetén), amíg a legnagyobb forrásárama 7,8 A (–5 V-os kimenőfeszültség esetén).
Az NCV5702DR2G figyeli az IGBT VCE feszültségét, miután az eszköz teljesen kinyitott. A korszerű IGBT-k esetében a VCE értékének normál üzemben 3 V körül kell lennie. Ha a VCE ennél jelentősen nagyobb, az valószínűleg túláramot vagy más túlterheléses eseményt jelez, amely esetleg az IGBT károsodását okozhatná.
Nyitáskor egy rövid ideig a VCE értéke jellemzően magas (csak nagyjából 1 µs után áll vissza alacsonyabb szintre), így annak megakadályozására, hogy a telítettségvédelem túl hamar működésbe lépjen, a referenciafeszültséggel való összehasonlítás egy „résidővel” késleltetve van. Ezt a CBLANK kondenzátor állítja be (5. ábra).
Az integrált IGBT-meghajtóegységek előnye a védőáramkörökön kívül, hogy kiváló teljesítményt nyújtanak a diszkrét alkatrészekből készült meghajtóegységekhez képest, mert a hatásfok növelését célzó funkciókat tartalmaznak.

 

digi key 5

5. ábra  Az ON Semiconductor cég NCV5702DR2G jelű IGBT-meghajtóegysége lekapcsolja a telítettségvédő áramkör IGBT felőli kimenetét, ha a VCE értéke a VDESAT-THR fölé emelkedik. A CBLANK kondenzátor azt az időt állítja be, ameddig a telítettségvédelemnek az IGBT teljes kinyitása előtt nem szabad működnie. Megjegyzés: Az ON Semiconductor cég az NCD570x eszközt referenciaként használja az adatlapon (A kép forrása: ON Semiconductor)

 

A hatásfok maximalizálása

A szénkefe nélküli egyenáramú motor fajlagos teljesítményét részben a hatásfok határozza meg. A nagyobb teljesítményveszteségű szénkefe nélküli egyenáramú motor jobb hőelvezetést igényel, emiatt nagyobb hűtőbordákat, ami növeli a készülék méretét.
A tranzisztorok nyitása idején keletkező veszteségek lehetnek statikusak és dinamikusak. A statikus veszteségeket olyan paraméterek okozzák, mint az eszköz parazita-ellenállása, míg a dinamikus nyitási veszteségekért részben a parazitakapacitás a felelős.
A nyitás során a tranzisztor teljesítményvesztesége arányos a tápfeszültséggel, a kapu töltésével (QG) és a kapcsolási frekvenciával. Ha a hatásfok terén nem teszünk engedményeket, adott tápfeszültség esetén a kapcsolási frekvenciának a fajlagos teljesítmény növelése érdekében történő növelését a QG-érték csökkentésével kell ellensúlyozni.
Az IGBT kaputöltésének (QG) legfőbb oka a parazitakapacitás, annak legnagyobb része pedig az ún. Miller-kapacitás. Bár a Miller-hatást először elektroncsöves triódáknál mutatták ki, ugyanúgy érinti a korszerű tranzisztorokat is, és az általános kimeneti kapacitásnak a bemeneti és kimeneti csatlakozók közötti erősítési kapacitás miatti növekedése formájában jelentkezik a nyitási ciklus fázisainak során. A kapu töltésének növelése mellett jelentős szerepet játszik a tranzisztorok nagy frekvenciákon történő erősítésének korlátozásában is.
A Miller-kapacitás akkor a legjelentősebb, amikor a tranzisztor az úgynevezett Miller-plató területén működik. Ezen a szakaszon a kapufeszültség állandó marad (jellemzően 10 V körül), miközben a kapu vezérlőárama nő vagy csökken – attól függően, hogy az IGBT nyit vagy zár-e éppen. Ha a meghajtóegység beállítható úgy, hogy nagy meghajtóáramot adjon a Miller-plató területén, az jelentősen csökkentheti a fázis időtartamát, és segíthet csökkenteni a kapcsolási veszteségeket.
Ha a Miller-plató területén nagy áramot adunk az eszközre, az IGBT-meghajtóegységek – mint az ON Semiconductor cég NCV5702DR2G jelű eszköze és a Rohm Semiconductor cég BM60212FV-CE2 eszköze – csökkentik a Miller-plató hosszát, és a kapcsolás pontosabb vezérlését teszik lehetővé. Nevezetesen a nagyáramú meghajtás kisebb nyitási energiát eredményez (EON) az IGBT nyitásakor, ami segít korlátozni a teljesítményveszteséget. Ezenkívül az IGBT-meghajtóegység kis impedanciájú belső FET-jei miatt létrejövő nagy IGBT-meghajtóáram biztosítja, hogy a meghajtóáramkör teljesítményvesztesége még nagy kapcsolási frekvenciák esetén is főleg a külső soros ellenálláson keletkezik, ennélfogva melegedés tekintetében jobban kézben tartható.
A Miller-hatás növelheti az alacsonyoldali IGBT kapcsolási veszteségeit is. A probléma akkor jelentkezik, amikor a magasoldali IGBT nyitása feszültséglökést (dv/dt) okoz a zárt alacsonyoldali IGBT kollektorán. A feszültséglökés Miller-áramot indukál a Miller-kapacitáson át az alacsonyoldali IGBT kapukapacitására (6a ábra). Ha a kapu és a test (GND) közötti útvonalon van kritikus impedancia (amelyet az RG ellenállás okoz), a Miller-áram a küszöbérték fölé nyomhatja a kapu feszültségét, és az alacsonyoldali IGBT párszor tíz vagy száz ns-ra kinyithat, növelve a kapcsolási veszteségeket. Ezen helyzet elkerülésének egyik módja a negatív kapufeszültség használata, de ennek hátulütője, hogy ehhez egy második egyenfeszültség-forrásra van szükség.
Egy másik lehetséges megoldás az alacsony impedanciájú útvonal biztosítása a testhez (GND). Az olyan meghajtóegységek, mint az NCV5702DR2G és a BM60212FV-CE2, „aktív Miller-feszültségkorlátozós” védelmet kínálnak, amely úgy valósítja meg ezt a fajta védelmet, hogy összekapcsolja az IGBT kapuját a kapumeghajtó-egység Clamp (feszültségkorlátozó) lábával. Amint a kimenőfeszültség (VO) az aktív Miller-feszültségkorlátozó küszöbértéke (VMC-THR) alá esik, a Clamp láb testre (GND) záródik, és megakadályozza, hogy az IGBT kapuján a feszültség a küszöbérték fölé emelkedjen, és kinyissa az alacsonyoldali IGBT-t (6b ábra). Amint a kapumeghajtó-egység bementére az IGBT nyitására szolgáló jel érkezik, a Clamp láb lekapcsolódik a testről. Mivel a Clamp láb csak akkor záródik testre, amikor a kapufeszültség a VMC-THR küszöbérték alá esik, ez biztosítja azt, hogy ennek a lábnak a funkciója nem zavarja a felhasználó által (az RG kiválasztásával) vezérelt normál zárás végrehajtását.

 

digi key 6

6a és b ábra  A Miller-hatás növelheti az alacsonyoldali IGBT-ben keletkező veszteségeket, amikor a magasoldali IGBT feszültséglökést okoz a zárt alacsonyoldali IGBT-n. A feszültséglökés áramot indukál a Miller-kapacitáson át az alacsonyoldali IGBT kapukapacitására (a). A megoldás (b) a Clamp (feszültségkorlátozó) láb testre (GND) zárása, ami megakadályozza, hogy a feszültség annyira megnövekedjen, hogy kinyissa az alacsonyoldali IGBT-t (A kép forrása: ON Semiconductor)

 

Az IGBT-meghajtóegységek tervezési szempontjai

Még a nagy teljesítményű integrált IGBT-meghajtók esetében is van néhány nehézség, amelyet le kell győzni, ha a tervező el szeretné kerülni a nem kívánt feszültséglökéseket, rezonanciákat és a szénkefe nélküli egyenáramú (BDLC) motor vezérlőegységének téves bekapcsolását. Ezek a problémák jellemzően rossz alkatrész-elrendezésnek, gyengébb minőségű tápegység, illetve nem a teljesítménytranzisztorhoz való meghajtóegység használatának eredményeként jönnek létre.
Tegyük fel, hogy az IGBT nyitása és zárása nagy kapacitású, például 10 000 pF-os terhelések 50 ns alatt 0-ról 15 V-ra való feltöltésére és kisütésére szolgál. Ehhez 3 A áramerősség szükséges (az I = dV × (C/dt) képlet alapján). Ebből a példából látható, hogy a meghajtóegység kimenőárama egyenesen arányos a feszültséglengéssel vagy a töltőkapacitással, és fordítottan arányos a töltési idővel. Fontos megjegyezni, hogy valós helyzetekben a töltőáram nem állandó, de 4,7 A körül lesz a csúcsértéke, ezért fontos, hogy a meghajtóegység némileg túl legyen méretezve, hogy tudja biztosítani ezt az áramerősséget. Az olyan eszközök, mint a Rohm Semiconductor cég BM60212FV-CE2 jelű eszköze, amely 4,5 A kimenő áramerősséget és 5 A csúcsáramerősséget kínál, jó megoldást jelenthetnek erre a feladatra.
A csúcsáramerősség mellett a tervezőnek emlékeznie kell arra is, hogy az IGBT-meghajtóegységnek ezt az áramerősséget mindössze 50 ns alatt kell biztosítania a tápegységből. Az egyik technika az ilyen gyors áramleadás lehetővé tételére egy párhuzamosan kapcsolt, az IGBT-meghajtóegység tápfeszültsége (VCC) pozitív csatlakozólábának közelében elhelyezett (a terhelőkapacitásnál legalább 10-szer nagyobb kapacitású és komplementer impedanciakarakterisztikájú) megkerülőkondenzátor-pár használata. Ezeknek a kondenzátoroknak a lehető legkisebb sorosellenállás-egyenértékűeknek (ESR) és sorosinduktancia-egyenértékűeknek (ESL) kell lenniük, és a vezetéküket a lehető legrövidebbre kell venni.
Az IGBT-meghajtóegységeknek nagyon kis impedanciájú áramvisszavezetési vezetőcsíkon át kell csatlakozniuk a testhez.
A jellegzetes elrendezésben három testhez menő áramvisszavezetési vezetőcsík van:

  • az IGBT-meghajtóegység és a vezérlőegység között,

  • a meghajtóegység és annak saját tápegysége között,

  • a meghajtóegység és a meghajtott IGBT emittere között.

Ezen vezetőcsíkok mindegyikének a lehető legrövidebbnek és legszélesebbnek kell lennie, hogy minél kisebb legyen az ellenállása és az induktanciája. Ezenkívül a testhez menő vezetőcsíkokat el kell különíteni egymástól, nevezetesen azért, hogy a terheléstől eredő testáram ne legyen hatással a vezérlőegység és a meghajtóegység közti illesztőfelületre. Jó megoldás egy csak erre a célra szolgáló rézfelületet hagyni a nyomtatott áramköri lapon testfelületként, és aztán ügyelni arra, hogy az áramkör mindegyik testpontja ugyanarra a fizikai pontra térjen vissza, hogy ne jöjjenek létre különböző testpotenciálok.
A nagy frekvenciájú kapcsolásokhoz szükséges rövid fel- és lefutási idők elérésének megkönnyítése érdekében az áramvezető vezetékeket a lehető legrövidebbre kell venni. Mivel minden centiméter vezeték kb. 8 nH pluszinduktanciát jelent, egy 95 A/µs értékű di/dt áramváltozás vezetékhossz-centiméterenként 1,9 V értékű L(dI/dt) feszültségtranzienst indukál, amely levonódik a meghajtóegység kimenőjelének értékéből. A gyakorlatban a hatás a felfutási idő növekedése az IGBT-meghajtóegység és az IGBT kapuja közti vezetékhossz növekedésével arányos. Egy centiméter vezetékhossz például a felfutási idő 8 ns-ról 28 ns-ra növelheti.
A nagyobb vezetékhosszok egy másik káros hatása az elektromágneses zavarás (EMI) gyors kapcsolások miatti megnövekedésének valószínűsége.
Végezetül minél alacsonyabb az IGBT-meghajtóegység induktanciaértéke, annál jobb a kapcsolási teljesítmény, mivel ez az induktancia gyakorlatilag sorba van kapcsolva az IGBT emitterével, és a kapcsolási időt növelő visszacsatolást hoz létre. Egy alacsony- és magasoldali teljesítménytranzisztor-párt kapcsolgató jellegzetes IGBT-meghajtóegység áramköri megvalósítását a 7. ábra szemlélteti.

 

digi key 7

7. ábra  Egy jellegzetes nagyáramú, integrált IGBT/MOSFET-meghajtóegység áramköri megvalósítása (ez esetben a Rohm Semiconductor cég BM60212FV-CE2 jelű eszköze) feszültségesés miatti letiltással (UVLO) és Miller-feszültségkorlátozással (A kép forrása: Rohm Semiconductor)

 

Következtetés

A szénkefe nélküli egyenáramú ipari motorok nagyobb fajlagos teljesítmény iránti igénye olyan követelményeket támasztott a vezérlőelektronikával szemben, amelyeket a hagyományos, diszkrét alkatrészekből épített MOSFET-es áramkörökkel nehéz teljesíteni. A megoldást az IGBT-meghajtóegységek jelentik. Ezek a meghajtóegységek lehetővé teszik azt a nagyfrekvenciás, nagyáramú működést, amelyre a nagy fajlagos teljesítményű, szénkefe nélküli egyenáramú motorokban használt IGBT-k meghajtásához szükség van. Ezek az eszközök a fejlődésük során egyre nagyobb integráltsági fokúak és egyre könnyebben használhatók lettek, miközben a teljesítménytranzisztorok védelmét, a hatásfok javítását és a helytakarékosságot szolgáló funkciókkal bővültek.
Az ilyen IGBT-meghajtóegységek teljes kihasználása érdekében a tervezőknek az IGBT-k frekvencia-, teljesítmény- és áramerősség-igényéhez kell illeszteniük a meghajtóegységet és a perifériaeszközöket, és nagyon át kell gondolniuk a nyomtatott áramköri lapok elrendezését is.

 

Felhasznált forrásanyagok

  1. Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits, Laszlo Balogh, Texas Instruments, March 2017. (A MOSFET- és IGBT-kapuvezérlő áramkörök alapjai, Balogh László, Texas Instruments, 2017. március)

  2. Low-side gate drivers with UVLO vs BJT totem-pole, Mamadou Diallo, Texas Instruments, February 2018. (Alacsonyoldali kapuvezérlők feszültségesés miatti letiltással, összevetve a bipoláris rétegtranzisztorokat használó totemoszlop-kapcsolású áramkörökkel, Mamadou Diallo, Texas Instruments, 2018. február)

 

Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics
Angol/német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Director, Global Strategic Business Development
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: hermann.reiter@digikey.com

www.digikey.hu

 

még több Digi-Key Electronics