.

Principe de fonctionnement

Les premiers thyristors ont été modifiés pour IGBTs pouvoir tourner avec une commande de tension. Considérons le circuit équivalent BJT d'un thyristor et un transistor MOSFET est ajouté entre le collecteur et l'émetteur du NPN (transistor inférieur). La grille du transistor MOS devient dans ce cas, le la grille IGBT, tout ce qui était la porte du thyristor qu'il ne soit plus utilisé.

En appliquant une tension externe entre la grille et la cathode du thyristor déclenche, comme elle est invoquée par le courant PNP, qui à son tour envoie un courant dans la base du NPN et l'ensemble est amené à autosuffisants (verrouillage). le verrouillage, normal pour un thyristor, Ici, il est indésirable, parce que vous aussi commencer à vouloir contrôler l'arrêt IGBTs, en retirant simplement la tension à la grille, comme dans un transistor MOS. Il a été essayé de rendre le transistor NPN avec des caractéristiques d'amplification du courant (h_fe) délibérément de mauvaise qualité, de manière à le rendre difficile à verrouillage. Pour un moyen de mauvaise qualité de gain beaucoup plus faible 1, le plus bas possible: En dépit de cette mesure, il arrivait souvent que le verrouillage se produit de toute façon. En particulier, Il était fréquent dans des conditions difficiles, tel qu'un court-circuit: le composant est resté déclenché sans la possibilité de le mettre hors tension, et cela signifiait sa destruction.

arrangement 2 BJT NPN e PNP all'interno dell'igbt (connexion équivalent à un thyristor)

Il est ensuite retiré de tous les transistors NPN, en devenant le IGBTs, comme il est actuellement, une configuration Darlington entre une PNP et un transistor MOS. Le dispositif obtenu a la grande vitesse du transistor MOS de commutation typique et les faibles pertes de course BJT.

Schéma de l'évolution de l'IGBT son symbole graphique

Pour mettre en conduction le transistor IGBT est nécessaire d'appliquer et de maintenir une tension entre la grille et la cathode, et retirez-le pour l'arrêt, comment commander un transistor: Cependant, ici le pilote est en tension. Les trois bornes externes ont été rebaptisés, pour similitude avec un BJT: la cathode émetteur, tandis que l'anode est devenu le collectionneur. la porte Il demeure que, mais à l'intérieur il est connecté différemment.

Dans ce qui suit, nous allons analyser les phénomènes qui se produisent au cours de la transition mise sous tension et hors de l'IGBT: l'étude est valable à la fois une configuration de chopper ou une branche de l'onduleur, avec une charge inductive. Au cours de ces événements a:

• Allumer: allumage (instantanées problèmes à maximum de courant)

• Turn-off off (problèmes de surtension, phénomène de la file d'attente courante).

Les formes d'onde relatives à la commutation de l'IGBT d'une charge inductive sont schématisés de la façon suivante de.

Schématisation inflammation transitoire (allumer) et hors (éteindre) dell'igbt.

La porte pilotant

Il est dit que l'application d'une tension simple sur la grille commande la conduction du composant, mais cela est vrai seul un régime. Ils sont en fait inévitablement présente de capacité parasite entre la grille et le collecteur et l'émetteur: il est inévitablement isolé par une couche d'oxyde à partir de ces deux autres bornes. Donc, chaque fois que vous donnez une commande, vous devez remplir ou vider ces capacités: si je veux faire rapidement, pour réduire au minimum le temps de commutation et les pertes associées, Il doit être utilisé forts courants, même de l'ordre de 10 UNE. Pour envoyer ces courants à la porte, également que limitée aux intervalles de commutation, il emploie un paire de transistors BJT dans une symétrie complémentaire (NPN + PNP), coupes robustes. Donner le lecteur de la porte d'une manière non décidé moyen de créer des problèmes, surtout quand vous voulez contrôler l'interdiction de l'IGBT. Considérons L IGBT inséré dans une branche d'un onduleur monophasé classique pont. Rappelant peu de courant de la porte (voici: 100 mère), Toutefois, IGBTs, tend à interdirsi, et le courant de charge, qui est ohmique-inductive, Il doit aller pour la force dans la diode de roue libre supérieure.

telle diode, mais pas instantanément, se déplace à courir assez vite (Il est du type rapide). Ce qui est inquiétant est le Dérivé de haute tension (dv / dt) imposée par ce courant de recirculation: il ne passe dans la capacité parasite C_GC (porte-collecteur) un courant égal à celui invoqué par porte.

Ce courant circulant à travers la capacité parasite va conduire l'IGBT, maintenir une tension constante dérivée de, avec un allongement temps de commutation considérable.

Pilotant la porte et les paramètres parasites

Il faut également tenir compte du fait que, en plus des capacités parasites, Ils sont également présents inductances parasites dans le circuit de commande de grille, capable de résonner avec les capacités et déclenchement fluctuations la tension sur la grille. ces oscillations, bien mis en sourdine, Ils peuvent avoir des hauts sommets capables de relancer l'IGBT, de sorte qu'il se éteint en hoquet, avec une grande augmentation des pertes de commutation. Vice versa, à la commande d'allumage, les oscillations peuvent soumettre la porte des tensions plus élevées à celles supportables par la couche d'oxyde qui l'isole de la pastille de silicium à l'intérieur.

sur la tension de grille, avec commande incertain

Pour ces raisons, il y a toujours un résistance d'amortissement en serie porte al, ce qui est souvent différente pour la commande d'allumage et l'arrêt. cela devrait choisir un compromis entre les pertes de résistance sur le même (R bassa) et l'amortissement nécessaire pour réduire les pertes de commutation (haut R), de valeur par le biais Fiche. Avec les précautions décrites est maintenant possible d'obtenir une descente assez rapide de la tension de grille, la commande OFF: cela présente une légère descente "étape», qu'il serait très prononcé si la commande n'a pas été assez décidé.

Les mesures de limitation des surtensions

Lorsqu'un dispositif d'alimentation se éteint rapidement, l'énergie accumulée dans l'inductance de dispersion est dissipée dans l'interrupteur statique. Cela provoque une surtension à travers le dispositif. Le delta amplitude transitoire de tension est directement proportionnelle à la valeur d'inductance de dispersion et à la dérivée du courant. Pour limiter la surtension est donc nécessaire de réduire l'inductance de fuite.

• Limitation des inductances parasites de dispersion approprié par lay-out des adducteurs actuels L'inductance de fuite en raison des adducteurs courant dépend de la façon dont ceux-ci sont réalisés; en particulier, il est à noter qu'il est proportionnelle à leur longueur, qui devrait donc être limité. Un autre expédient consiste à réaliser les adducteurs au moyen de feuilles de cuivre qui se chevauchent et isolés les uns des autres, de façon à créer une boucle qui sous-tend un petit espace, Mais quels types de lignes électriques longues, ce qui correspond à une petite inductance.

• Limitation des surtensions par des condensateurs à faible impédance série met les bornes de l'IGBT En se référant à la mise hors tension de l'IGBT à un onduleur en pont, on voit que le courant de charge a tendance à aller dans la diode de roue libre.

Il faut aussi tenir compte des inductances parasites, considérable, Ils ont les connexions adducteurs de puissance en même IGBT, qui est typiquement un module, ainsi que répartis sur toute courant continu du bus d'alimentation de l'onduleur. La présence de ces inductances génère des surtensions sur l'IGBT (sur V_CE ) et également à vibrer en résonance avec les capacités parasites présentes.

L'insertion appropriée d'un condensateur empêche l'IGBT « voit » les inductances de fuite en aval et en amont du condensateur lui-même, il est donc conseillé d'installer les condensateurs aussi près que possible de la statique

Avec un condensateur de filtrage type électrolytique, si grande capacité, il pourrait servir de première atténuation de ces surtensions: aussi, cependant, il présente une série L. Il sera donc; commode de ne pas poser un cadre unique, mère plus en parallèle, de manière à réduire l'inductance série globale et les rendre capables d'absorber la surtension sur l'IGBT par les transits de charge électrique appropriés. Cependant, même leur connexion IGBT, doit être faible inductance: Ils devraient donc être aussi proche que possible, offrir une petite zone située entre le conducteur avant et un retour, ainsi que pour vous assurer que la boucle qui est formée par les courants de Foucault est la plus longue possible. Pour ce, en prenant également en compte les dimensions physiques des composants, le seul moyen est d'utiliser des feuilles de cuivre, qui se connectent directement aux bornes. Les deux feuilles (aller + retour) Ils sont isolés les uns des autres par une mince couche de polypropylène ou de mylar, ou en fibre de verre même (1 mm) pour des tensions élevées; Ils sont prévus pour les déchets appropriés les boulons de connexion. Pour réduire encore les inductances parasites, parfois il met un autre condensateur, réduction de la capacité de contenir les dimensions, directement sur les bornes de l'IGBT. Vous êtes ainsi obtenu l'amortissement du pic de tension.

Adducteurs actuels du IGBTs

Limitation des surtensions par snubber

L'amortissement est un circuit supplémentaire utilisé pour réduire les contraintes dans les éléments de puissance. Le but de l'amortissement est d'améliorer la transition, suppression surintensités, surtension, ou d'améliorer les dérivés de la tension et du courant. Le amortit la montée snubber la figure dans la phase de mise hors circuit, réduire les pertes de commutation relatifs. II du condensateur d'amortissement est complètement vidé tour sur et turn-off reloaded net net: ce qui réduit le dv / dt sull'igbt au cours de la mise hors circuit, permettant une commutation douce et la réduction des pertes.

RCD snubbers

Limitation des surtensions avec pince

La contre-mesure des condensateurs électrolytiques généralement pas assez pour protéger les IGBTs, il devient donc nécessaire une autre protection, cette circuit de serrage (fixateur). La pince se compose d'un condensateur connecté en parallèle à IGBT, mais par une diode rapide en ce qui concerne le collecteur. Un tel condensateur est également reliée à la tension positive V_CC par l'intermédiaire d'une résistance, qu'il maintient la charge à cette valeur de tension. Si la tension V_CE supera V_CC, la diode de serrage conduit et définit la V_CE à celle du condensateur, ossia et V_CC, le temps suffisant pour conduire la diode de recirculation dell'iverter, ce qui élimine le problème. Après l'intervention de la pince, mais avant la conduction de la diode de recirculation, la tension a tendance à augmenter en raison; une partie du courant de charge va se retrouver sur le condensateur de fixation: doit donc un dimensionnement correct des trois composants de sécurité. La diode de serrage, ainsi que le condensateur, Ils sont en fait constitués de plusieurs composants en parallèle, monté sur une carte de circuit imprimé double face, de telle sorte qu'il peut être monté aussi très proche des bornes de l'IGBT à protéger.

Clamp circuit et son fonctionnement

Le problème de la protection contre les surintensités et désaturation

Les IGBTs sont pratiquement improteggibili par des fusibles: dans le temps requis pour un fusible à intervenir, la jonction du composant sera endommagé déjà irréparablement. Et puis pour une force fiable du système nécessaire pour limiter le courant. Dans la réalisation d'un circuit de protection doit tenir compte de certaines conditions qui maximisent l'efficacité du circuit de protection et qui réduisent au minimum les effets sur d'autres circuits. Afin d'obtenir les caractéristiques de sécurité que vous voulez sans sacrifier d'autres fonctions, le circuit de La protection doit, autant que possible, remplir les conditions suivantes. Tout d'abord, le circuit de protection doit éteindre le IGBTs, avant qu'il ne détruise, chaque fois qu'ils viennent à respecter les conditions de travail dispositif. Aussi, doit limiter le courant maximum d'un défaut et réduire les contraintes sur l'appareil et l'ensemble du système lorsque des courants circulent. dispositif II devrait être désactivé plus rapidement s'il n'y a pas de limitation du courant de défaut maximum.

Grandes lignes de capteurs de courant peuvent être utilisés dans l'électronique de puissance

La surveillance actuelle nécessite l'utilisation de transducteurs appropriés, comme:

– Shunter

Il se compose d'une résistance de valeur connue pour être insérée en série avec le conducteur à travers lequel le courant passe que vous voulez mesurer. valeur II du courant, DC ou AC, Il est calculé indirectement d'après la loi d'Ohm en mesurant la tension aux bornes de la résistance shunt. Toutefois, Ce capteur ne possède pas une isolation galvanique entre les circuits de puissance et de mesure. Aussi, le niveau de la tension shunt est flottant à la masse. donc, son utilisation est pas facilement réalisable.

– TA

la oF (transformateur ampérométrique), Il est un transformateur de mesure réalisée avec les précautions nécessaires pour minimiser les erreurs dans la mesure de courant. Elle assure l'isolation galvanique entre les deux circuits, mais il est sensible à la composante continue du courant à mesurer.

– capteur à effet Hall

La seule autre solution, Il est donné qu'il est également nécessaire de mesurer la composante continue du courant, Il est d'utiliser un Capteur à effet Hall. Ce capteur est un doigt minuscule de matériau semi-conducteur, dans lequel il est glissé un courant constant I. UNE 90 degrés avec le courant, le capteur est touché par un champ d'induction magnétique B, tandis que sur un autre étage, une 90 degrés avec les deux précédent, il détecte une tension proportionnelle à, par une constante, induction B est que le courant I.

Schéma de principe d'un capteur de courant effet Hall

Le champ B est généré par le courant circulant dans le composant, qu 'il est détecté par un couplage magnétique (petit toroïdal), et l'étendue de celle-ci remonte le courant dans le composant. Le capteur de Hall est également sensible aux composantes de courant continu et présente l'avantage de ne pas être reliée galvaniquement au circuit de puissance étant mesurée.

Protection contre les surtensions et désaturation

– analogique et commande de courant instantané

Le premier problème consiste à détecter le courant circulant dans le transistor IGBT via un transducteur. Le signal de courant est utilisé pour un dispositif de commande en boucle fermée, PID (Proportionnel intégral dérivé) ou du type à hystérésis (ALLUMÉ ÉTEINT).

– limitation de surintensité en détectant et en bloquant IGBT

le régulateur, en plus de maintenir le courant dans la charge ressemblant à une sinusoïde de valeur effective prédéterminée, doit en tout cas, si le courant dépasse même pour un instant, le courant maximal admissible, commandant l'arrêt immédiat de tous les IGBTs. Cette condition d'arrêt est parfois fait pour une période de réseau, mais cela signifie souvent jusqu'à nouvel ordre de l'extérieur, pour la sécurité.

– Vérification de l'état de désaturation de l'IGBT (La surveillance de V CE )

Notez que le détecteur à effet Hall est pas placé en série avec le IGBTs, mais en série avec la charge de l'onduleur. Il peut donc y avoir des cas où les frais généraux sont en IGBTs frappant sans cette charge d'intérêt courant. Par exemple, si l'un des IGBT, à un défaut, Il devient un court-circuit permanent et ce qui est pas détecté, puissance de l'autre de la même IGBT branche est court-circuite le lien DC, avec des conséquences destructrices pour l'ensemble du convertisseur et un danger pour ceux qui étaient proches. Ce défaut ne concerne pas la charge et est donc pas détectée par le capteur de courant. donc, si la défaillance se produit en amont du capteur de courant pour le procédé illustré ci-dessus n'est plus efficace et il est nécessaire de contrôler la désaturation de l'IGBT. Cette méthode consiste à surveiller le V_CE. En fait, pendant le court toute la tension du circuit se produit à l'IGBT et les leaders V_CE diverger dal « basse tension à l'état », vers la tension d'alimentation Le circuit de protection doit donc détecter la tension V_CE et le comparer avec une valeur de référence. Si la référence est dépassée, les intervient logiques de commande du circuit de commande de soupape, en exigeant l'arrêt et la puissance d'inhibition subséquente.

Il est donc nécessaire d'intégrer le régulateur de courant avec la tension collecteur-émetteur de surveillance pour chaque IGBT: une augmentation par rapport à la 2 V de cette tension, lorsque l'IGBT est dans l'état ON, Il est un symptôme d'une défaillance probable. Ce problème peut également se produire en raison de défauts dans la paire de transistors qui alimentent la porte, il est donc une protection dans la plupart. Mettez simplement un capteur à la tête des IGBTs ne serait pas facile, car il serait immédiatement présenter un problème d'échelle:

dans l'état SUR, V_CE vaut quelques Volt, et ici, je dois évaluer les augmentations subites;

dans l'état DE, V_CE sel au lieu de pouvoir, ou 400, 500, 700 V.

Avec une pleine échelle de l'instrument dimensionné pour une puissance élevée, il est difficile d'apprécier avec suffisamment de précision (dire de nature à assurer la protection et en même temps éviter les déclenchements intempestifs) changements en V CE dans l'état ON. Il prépare donc un circuit plus complexe, des changements de mesure affectant seulement, avec un schéma du type représenté dans la figure ci-dessous. L'alimentation électrique des circuits de commande et de protection se fait normalement avec deux tensions et le centre de point à masse, l'ordre de dizaines de volts, par exemple +15/0/-15 V. Il est représenté la commande de grille, composé comme déjà décrit, avec le symbole d'un amplificateur générique, ce dernier, à son tour commandé par une commande, rapporté par coupleur opto. Pour expliquer comment construire le signal qui arrive au niveau du capteur de tension, Nous procéderons à des prochaines étapes, en prenant toujours en compte que le capteur mesure la tension se référant au point central d'alimentation. Comme vous le verrez, ce capteur est pas plus que l'entrée d'un comparateur de tension. Le régime est en principe; vous avez réellement des changements adaptatifs.

du schéma de circuit pour la surveillance de V_CE

1 étape

avec la résistance R, connecté à l'alimentation positive, Il est fourni à un capteur de tension qui applique:

– +V cc, ou douze volts, con IGBT état OFF

– V à propos de Cesate, à savoir d.d.t. des IGBT et diode D1 (Il y avait Pochi), con IGBT état ON

En effet, grâce à la présence de la diode D1, connecté en série à la résistance et à la cathode sur le collecteur de l'IGBT, pendant l'état OFF de la tension de liaison CC ne peut pas atteindre le capteur, car cette diode est polarisée contre. Dans l'état ON à la place D1 relie le mène et capteur aux dirigeants IGBT.

2 étape

Comme il faut quelques signal volts, et que vous voulez contrôler un tel signal que lorsque l'IGBT est commandé à l'état ON, l'introduction de la diode D2, avec l'anode reliée au capteur de tension et à la sortie cathode optocoupleur. Tant qu'il est commandé état OFF, ou la sortie du coupleur opto est faible (0 logique), D2 conduit et donc le capteur ne voit que la chute de tension aux bornes de cette diode. Lorsque la sortie du coupleur optique va vers le haut (1 logique), D2 est coupée et le capteur est relié par l'intermédiaire de D1 au collecteur de l'IGBT, comme avant.

3 étape

Il est également nécessaire d'introduire un petit condensateur C, par exemple 100 PF, pour lisser la pointe de tension (modesto!) qui se produit lors du passage de OFF à ON. Dans le temps très court nécessaire pour activer l'IGBT, le capteur voit interdit D2 et D1 toujours sollicitées contre, puis détecter l'alimentation en tension positive, maintenant décroissant. La présence du condenseur élimine l'inconvénient du pic et le capteur fournit un signal de tension toujours limité à quelques volts. En surveillant ce signal maintenant, et on fait réagir à des augmentations au-delà d'un certain seuil, on réalise la protection. Il compare le signal de tension ainsi construit avec un référence (obtenue à partir des circuits de commande par l'intermédiaire du réglage d'un potentiomètre), par un comparateur hystérèse.

Du haut jusqu'en bas:

commande à la porte;

sans tension C;

tension avec C

La sortie du comparateur passe pour commander l'entrée SET d'une bascule SR, qui à son tour sert à deux fonctions: la sortie Q sert à modifier la logique de commande, pour indiquer qu'un défaut est survenu, et pour déclencher une alerte visuelle (Par exemple, une petite diode), qui le rend l IGBTs immédiatement reconnaissable concerné: elle; espèces est utile dans de nombreux convertisseurs avec interrupteurs statiques, où il serait compliqué d'établir dov; la faute; la sortie Q niée est reliée directement à la sortie de l'optocoupleur, afin de la forcer à 0 logique dès qu'il détecte la faute, sans attendre l'intervention de la logique de commande: ainsi les commandes:

le défaut d'arrêt immédiat des IGBT. On notera que le signal de retour à la logique de commande doit provoquer un arrêt de l'ensemble du convertisseur, parce que si un commutateur statique reste ouvert en permanence, un côté de la charge reste flottante et il peut y avoir des problèmes dans les périodes de commutation ultérieurs.

– Le problème du bloc en présence IGBT de circuits de protection contre les surintensités En IGBT réel, nous avons également, en cas d'arrêt d'urgence en raison d'une surintensité, la résistance placée en série avec la grille gateoff R est supérieure à la valeur usuelle. En effet, il a l'intention de limiter les causes d'arrêt de surtension sur l'autre IGBT de la jambe de l'onduleur, en raison de di / dt, surtension Puu ne pas être petit, car il provient d'un courant plus élevé que la normale. Vous voulez transformer graduellement la faute IGBT suspectée, car il pourrait arriver que nous pouvons sauver, mais il provoquera la rupture d'un autre sain pour applicatagli IGBT tension excessive

Je pense que je clarifié les aspects confus de l'article précédent sur IGBTs

Amilcare Salutations