Roboty i wnioski dla nas 32

Roboty i wnioski dla nas 32

Koniem roboczym współczesnej energoelektroniki są tranzystory IGBT ale przyszłość może ( ale nie musi ) należeć do tranzystorów Mosfet SiC. Zakres mocy inverterów sięga już kilkudziesięciu megawatów. Gwałtownie popularyzują się invertery mocy kilkuset kilowatów w samochodach elektrycznych i hybrydowych.
W inverterach tranzystory są najczęściej wspólnie obudowane w moduł mostka trójfazowego, czasem z dodatkowym tranzystorem do załączania rezystora "hamowania". Droższe moduły mogą mieć wbudowane izolowane drivery bramek tranzystorów i izolowane sensory do pomiaru prądów fazowych.
Zależy nam na minimalizacji strat dynamicznych tranzystorów przełączanych sygnałami PWM tak aby radiator miał rozsądny wymiar a tranzystory rozsądną maksymalną temperaturę. Straty dynamiczne tranzystorów IGBT rosną wraz z temperaturą co jest kolejnym argumentem za ograniczeniem strat. Niezawodność tranzystorów spada dwukrotnie przy wzroście temperatury o ca 7C. W samochodowych inverterach stosuje się wymyślne, zaawansowane radiatory wypełnione cieczą.
W każdym półmostku załączane tranzystory mogą powodować poprzez pojemność Millera Cgc drugiego tranzystora chwilowy skok napięcia na bramce i niechciane chwilowe załączenie tranzystora powodujące istotny wzrost mocy strat szczególnie przy wysokich temperaturach tranzystora. Rysunki za OnSemi AN50-73.

Aby zjawisko to wyeliminowac lub zminimalizować stosuje się dla tranzystorów IGBT na prad <100A asymetryczne rezystory Ron i Roff i asymetryczne prądy załączające i wyłączające ( utrzymujące w wyłączeniu ) bramkę tranzystora. Obwód bramkowy ma niechcianą ( należy ją minimalizować) szkodliwą indukcyjność połączeń. Rezystor Roff wybieramy najmniejszy, który daje lekko oscylacyjny przebieg na bramce tranzystora przy wyłączaniu. Rezystor Ron ma kilkukrotnie większą wartość taką aby nie następowało szkodliwe chwilowe niechciane zakłóceniowe załączanie tranzystora.
W przypadku większych tranzystorów IGBT stosuje się do wyłączania i utrzymywania stanu tranzystora wyłączonego dodatkowe napięcie ujemne co niestety komplikuje i podraża driver.
Koncern Avago pierwszy zastosował ideę utrzymywania wyłączenia tranzystora dodatkowym kluczem drivera.

Jak powiedziano minimalna opornośś Roff wynika z konieczności uzyskania mało oscylacyjnego przebiegu na bramce przy wyłączaniu. Dodatkowy tranzystor Vclamp o małej oporności Rdson  przy wyłączaniu tranzystora IGBT załącza się dopiero gdy napiecie na bramce spadnie poniżej 2.5V. Oczywiście przebieg napięcia na bramce przy załączonym tranzystorze jest słabo tłumiony i dlatego załącza się go dopiero gdy napięcie już mocno spadło. Tranzystor Vclamp jednak mocno ogranicza niechciany impuls napięcia na bramce spowodowany załączeniem drugiego tranzystora półmostka. Jak widać z oscylogramów z Noty Aplikacyjnej bez klucza Vclamp szpilka napięcia na bramce tranzystora IGBT miała szczyt 5.08V a z tranzystorem Vclamp tylko 1.68V. W praktyce sytuacja nie jest tak różowa ale istotnie rozwiązanie działa.
Niemniej duże tranzystory IGBT nadal steruje się do wyłączenia i jego utrzymania napięciem ujemnym.
Zjawisko szkodliwego chwilowego załączania tranzystorów Mosfet i IGBT jest znane od dawna. W artykule "Assessment of off-state negative gate voltage requirements for IGBTs", IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 13, Issue 3, podano wykresy strat mocy w tranzystorach IGBT z niechcianego zakłóceniowego załączania dla różnych konfiguracji drivera bramki.
Przebiegi napięć Uge tranzystorów w nieobciążonym inverterze pokazują czy nie zachodzi pasożytnicze zakłóceniowe załączanie.    

W zasilających silniki inverterach PWM stosuje się izolowane lub nie izolowane drivery tranzystorów IGBT mostka trójfazowego.
Stosuje się także izolowany lub nie izolowany pomiar pradu faz silnika.
Rozwiązanie bez izolacji jest stosowne przy małej i co najwyżej średniej mocy invertera. Izolowane drivery oraz izolowane sensory do pomiaru pradów są drogie lub bardzo drogie i należy tym elementom poświęcić chwile uwagi.

Koncern Hewlett Packard był od dawna ( półprzewodniki zaczął produkować w 1961 roku ) niszowym producentem zaawansowanych układów scalonych. Wyłącznie do własnych komputerów koncern produkował nawet udane własnego projektu procesory.
W katalogu HP na 1977 roku znajdują się zestawy "Fiber optic link" składające się z nadajnika i odbiornika do montażu na PCB  oraz swiatłowodu o szybkości transmisji do 10 Mbit/s. HP i jego następcy są w dziedzinie komercyjnej transmisji optycznej sygnałów liderami do dziś dnia. Nadajniki i odbiorniki oferowano też osobno. Oferowano transoptory 6N135 i 6N136 o szybkości pracy 1 Mbit/s oraz transoptory 6N137 o szybkości 10Mbit/s. Tolerowały one zakłocenie o szybkości narastania 1000V/us. Ta tolerancja była wystarczająca tylko przy sterowaniu średnionapięciowych inverterów wykonanych z tranzystorów Darlingtona ale... innych wówczas nie było. Niedługo w transoptorach 6N135, 6N136 dodano ekran fotodiody odbiorczej a transoptory nazwano HCPL-4502 i HCPL-4503. Tolerancja zakłócenia wzrosła do 15kV/us.
Mimo upływu 40 lat ( w mikroelektronice to wieczność ! ) wszystkie te transoptory są przez drugich producentów oferowane do dziś dnia. Transoptory te nie są zdolne wprost sterować żadnych tranzystorów mocy toteż drivery bazujące na nich używały dodatkowo elementów dyskretnych lub scalonych buforów-driverów mocy.
W module PM6-600 Servo Controller zawierającym 6 inverterów dla robotów Kuka KRC1, karta INZ52/X ( jest ich 6 w module ) zawiera 6 driverów tranzystorów IGBT dla jednego invertera. W karcie INZ52/2 ( produkcja 1998 ) użyto transoptorów HCPL-4503 ( zwrotna informacja przechodzi transoptorem SFH615 ), dalej prosty układ logiczny HCF40107 i drivery bramek UC3705. Każdy driver ma izolowany zasilacz z podwójnym prostownikiem. Stąd 6 transformatorków ferrytowych nieobudowanych i 12 kondensatorów elektrolitycznych prostowników.

W miare rozwoju rynku maszyn CNC oraz robotów koncern HP wypuścił transoptory rodziny HCPL-3000 do bezpośredniego sterowania baz tranzystorów Darlingtona co upraszczało konstrukcja invertera.   
Prawdziwą rewelacją dla energoelektroniki okazały się dopiero  tranzystory IGBT. Hewlett Packard widząc nisze szybko wypuścił odpowiednie transoptory-drivery rodziny HCPL-3100. 
Nowszy moduł INZ52-6 używa transoptorow-driverów HCPL-3160 dostarczających prąd bramki 2A co wystarcza dla tranzystorów IGBT prądu do 150A. Układ ma układ ochrony nadprądowej ( wyjście tranzystora IGBT z nasycenia lub nie wejscie do nasycenia ) i monitoring błędów. Zwróćmy uwagę że im więcej układow jest zaanagażowanych w ochrone tranzystora tym mniejsza jest pewnośc tej ochrony.  W konstrukcji modułu użyto oprócz układów HCPL-3160 jeszcze 11 sztuk prostych układow logicznych rodziny CMOS 45XX. Sześć transformatorków do zasilania driverów bramek iGBT jest dla elegancji obudowane.   

Gdy chcemy sterować większe tranzystory IGBT musimy dodać do układu HCPL-3160 ( nowszy i ulepszony to ACPL-332J, A to Avago czy następca HP  ) komplementarny wtórnik emiterowy choćby na popularnych, tanich, bipolarnych tranzystorach rodziny D44 i D45 ("The devices are also well−suited for drivers for high power switching circuits.") lub odpowiednikach. Uzyskamy wtedy prąd bramki rzędu 10A. Jest on wystarczający do sterowania potężnych wysokonapięciowch tranzystorów IGBT modułu dla silników lokomotywy elektrycznej czy innych potężnych zastosowań.
NB. Moduły IGBT wielkiej mocy są duże, ciężkie i drogie. Już pojedynczy nowy tranzystor Infineon FZ1500R33HE3, 4500V/1500A, waży 1200 gram. 

Optoizolowany driver HCPL-3160 ( następcą HP jest Avago ) przy przemysłowym zakupie kosztuje około 3 dolarów czyli tyle ile niezły 32 mikrokontroller !
Cena detaliczna drivera w TME wynosi obecnie 30.38 złotego plus VAT.
W inverterze 32 bitowy mikrokontroller jest jeden a driverów jest conajmniej 6. Drivery są zatem relatywnie drogie ( przy małych i średnich mocach inverterach ) i trzeba się nad tematem dobrze zastanowić.