Sao Nam Tronics

Bảo vệ quá dòng và ngắn mạch IGBT

Bài viết nhằm mục đích làm sáng tỏ kỹ thuật DESAT Fault Detection giám sát lỗi ngắn mạch, quá dòng IGBT thông qua phân tích một sơ đồ mạch drive và chống quá dòng thực tế.

Các nhà sản xuất bán dẫn công suất IGBT luôn nỗ lực tìm kiếm giải pháp gia tăng hiệu suất truyền dẫn điện năng. Một số đánh đổi trong việc tăng cường tổn thất dẫn điện của transitor hiệu ứng trường là tăng dòng điện ngắn mạchtrong khi khuôn đúc ngày càng thu nhỏ lại làm xấu đi sự đáp ứng tiêu tan nhiệt trên thân bán dẫn khi dòng điện tăng cao. Điều này dẫn đến làm nổi bật tầm quan trọng của kỹ thuật điều khiển cổng và các tính năng bảo vệ quá dòng của nó.

Ngắn mạch trong môi trường công nghiệp
Thiết bị điện tử công suất hoạt động trong môi trường công nghiệp chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khắc nghiệt như môi trường nhiệt độ cao, quá độ dòng điện xoay chiều, quá tải cơ học, ngắn mạch tải cảm …v.v
Thời gian chịu đựng ngắn mạch của bán dẫn công suất có liên quan đến độ dẫn hoặc độ lợi của nó và khả năng chịu nhiệt của khuôn đúc. Độ lợi cao dẫn đến mức dòng điện ngắn mạch cao hơn. Những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn IGBT hướng đến sự tăng dòng ngắn mạch nên có sự đánh đổi làm giảm thời gian chịu ngắn mạch. Ngoài ra, những cải tiến trong công nghệ cho phép sử dụng khuôn nhỏ hơn, giảm kích thước mô-đun nhưng giảm công suất nhiệt, tuy nhiên giảm thêm thời gian chịu đựng sự ngắn mạch.

Hình 1. Sự phát triển của công nghệ IGBT, khuôn đúc ngày càng nhỏ gọn

Ngoài ra còn có sự phụ thuộc mạnh mẽ vào điện áp bộ thu-bộ phát IBGT, do đó, xu hướng song song hướng tới các mức điện áp bus dc cao hơn trong các bộ truyền động công nghiệp dẫn đến giảm hơn nữa thời gian chịu ngắn mạch. Trước đây, chúng nằm trong phạm vi 10 μs, nhưng trong những năm gần đây, chúng có xu hướng hướng tới 5 μs và giảm xuống 1 μs trong một số điều kiện.

Hình 2. Thời gian chịu ngắn mạch IGBT SKM200GAL12E4

Hình 3. Thời gian chịu đựng ngắn mạch của IGBT thế hệ thứ ba của Infineon’s được quy định 6 µs.

Nguyên văn được Infineon’s  công bố trong một tài liệu về IGBT thế hệ thứ ba như sau:

“Between this to temperatures a linear approximation is allowed. In comparison to the IGBT², the temperature has been increased by 25 K (according to the increased max. operation temperature) and the guaranteed short circuit withstand time has been reduced from 10 µs to 6 µs. The reduction of the short circuit withstand time is a well chosen operational point on the trade-off curve between device performance (e.g. losses under operation conditions) and short circuit withstand time.”

Điều này chứng minh xu hướng công nghệ mới phát triển theo hướng tối đa hiệu suất chuyển mạch có sự đánh đổi khả năng chịu ngăn mạch.

Bảo vệ quá dòng IGBT

Sự ngắn mạch có thể xảy ra bất cứ khi nào và bất cứ trạng thái nào của bộ chuyển đổi. Các thông số như điện áp DC liên kết, biên độ và hướng các dòng điện của đường dẫn khác nhau. Trong sự kiện ngắn mạch, nếu IGBT không thể tắt được dòng điện quá cao, năng lượng tối đa trong các tụ điện liên kết Bus DC sẽ phóng toàn bộ năng lượng qua vị trí ngắn mạch và tạo ra vụ nổ lớn do ngắn mạch gây ra nhiệt độ tăng rất cao, ngoài sự phá hủy IGBT còn có thể kéo theo sự phóng điện phá hủy các linh kiện, bảng mạch gây ra sự tốn kém về chi phí sửa chữa. Do đó, bảo vệ IGBT khỏi các điều kiện quá dòng là một phần quan trọng đối với độ tin cậy của hệ thống.

Có hai phương pháp bảo vệ quá dòng trên IGBT được sử dụng là phương pháp đo dòng và phương pháp khử bão hòa (Desat). Việc phát hiện và tắt quá dòng và ngắn mạch trong một khoảng thời gian rất ngắn ngày càng trở nên quan trọng hơn khi thời gian chịu đựng ngắn mạch của IGBT giảm xuống mức 1 μs.

Hình 4. Một mạch drive và bảo vệ quá dòng thực tế theo phương pháp khử bão hòa

Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch:
Q1, Q3, Q4 khuếch đại tín hiệu điều khiển - D1, R6, R7, Q2 phát hiện quá dòng.

Tại trạng thái hoạt động bình thường

Khi mạch điều khiển gửi tín hiệu mức cao, bộ ghép quang 6N137 bật, Q1, Q2 tắt, Q3 bật và Q4 tắt. Và mạch truyền động cung cấp cho IGBT một điện áp điều khiển + 15V để bật nó lên.

Khi mạch điều khiển gửi tín hiệu mức thấp, optocoupler 6N137 sẽ tắt, dẫn Q2 và Q3, và mạch điều khiển cung cấp điện áp -5v cho IBGT, làm cho IGBT tắt.

Trong trạng thái bão hòa, điện áp VCEsat IGBT IXGP12N60 xuống mức 2,1V nên D1 phân cực thuận, kéo điện áp điểm A xuống thấp, đầu ra của LM358 ở mức thấp.

Quá dòng

Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, dòng điện trên tiếp giáp CE IGBT tăng cao kéo theo điện áp VCE tăng đồng biến, D1 phân cực ngược nên tắt dẫn đến điện áp tại A tăng trên mức cài đặt Vref tại B, LM358 out mức cao dẫn đến một đầu CD4081 ở mức thấp => optocoupler 6N137 sẽ tắt cho dù tín hiệu điều khiển ở mức cao.

Kỹ thuật DESAT Fault Detection trong thực tế được sử dụng khá phổ biến và có nhiều optocoupler khác nhau tích hợp DESAT, điển hình như HCPL-316J có cấu trúc khối như hình dưới đây

Hình 5. Cấu trúc HCPL-316J - Bảo vệ IGBT với kỹ thuật UVLO và DESAT

Tóm lại, khi có hiện tượng ngắn mạch IGBT, nhiệt độ sẽ tăng lên khủng khiếp dẫn đến phá hủy IGBT trong một khoảng thời gian rất ngắn. Nên cần thiết phải có cơ chế phát hiện sự ngắn mạch để tắt IBGT phù hợp để loại bỏ sự tăng dòng điện vượt quá định mức cho phép đối với thiết kế IGBT

Tuy vậy, trong thực tế trong công tác sửa chữa điện tử công suất, đa số thiết bị hư hỏng đến từ khu vực linh kiện bán dẫn hoạt động trong môi trường điện áp cao, dòng lớn không phải do các thiết bị phát hiện ngắn mạch hoạt động không hiệu quả mà do có sự hư hỏng tại mạch khuếch đại tín hiệu điều khiển, cụ thể Q3, hình 4 bị hỏng ngắn mạch, làm vô hiệu hóa các mạch bảo vệ.

Xem thêm DESATURATION PROTECT