CZ200289A3 - Způsob ochrany výkonových polovodičů měniče a výkonový měnič - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu ochrany výkonových polovodičů měniče a výkonového měniče k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Zařízení pro elektrickou konverzi (měniče DC-AC, AC-DC, DC-DC a AC-AC) jsou v oblasti výkonové elektroniky opatřeny řízenými polovodiči, které mají funkci elektrických spínačů. Patří k nim např. bipolární tranzistory, tyristory, vypínací tyristory GTO, MOSFETy, spínací tranzistory IGBT a další. Tyto polovodiče však mají určité limity týkající se maximálně přípustného svorkového napětí. V určitých situacích je žádoucí řídit spínač tak, aby alespoň částečně vedl (jeho uzavřením) a přitom nedošlo na jeho svorkách k přepětí a v důsledku toho k jeho zničení. Proto byly vyvinuty různé zabezpečovací okruhy.

Obavy z poškození se týkají např. obvodů napájení hnacích elektrických motorů (synchronních, asynchronních, napájených stejnosměrným proudem). Tyto obvody jsou opatřeny měniči, např. třífázovými stridači spojenými s přerušovači, ve kterých napěťová zatížitelnost polovodičů ve funkci spínače musí být alespoň stejná, nejlépe však několikanásobně vyšší než stejnosměrné jmenovité napětí trolejové sítě. Zvláště se volí polovodiče, které mohou odolat dvojnásobnému až trojnásobnému napětí trolejové sítě.

V případě vysokých napětí, tj. při trolejových stejnosměrných napětích o jmenovitých hodnotách vyšších než 2000 V, je žádoucí použít polovodiče s relativně vysokou napěťovou odolnosti. Kromě toho tyto polovodiče oproti dvouúrovňovým tranzistorům musí mít také lineární funkci. Z takových polovodičů jsou nejvhodnější tranzistory IGBT, jejichž napěťové charakteristiky jsou stále vyšší a dosahují až 6,5 kV.

V následujícím popisu používáme jako příklad spínače typu IGBT, neboť se jedná o součástky odolné poměrně vysokému napěťovému zatížení, které přesahuje 2 kV, zatímco bipolární tranzistory a MOSFETy jsou limitovány maximálním napětím přibližně 1000 V.

Kromě toho jsou IGBT velmi rychlé a snadno řiditelné.

• ·	•			• ·· ·			··
• «	• t	♦	•	•	♦	•	• *
•	•	*	•	•	• ·	•	•
•				* ·	•	*	•
··**	• · ·	• ·		♦ ♦	• v

V případě nižší napěťové odolnosti tranzistorů se běžně použije několik spínačů (polovodičů) zapojených sériově. V takovém případě je nutné k nim přiřadit systém omezováni napětí. To se týká zejména případů, kdy jsou v obvodu použity tranzistory IGBT, jejichž napěťová odolnost je poměrně nízká (řádově 3,3 kV).

Princip funkce zařízení pro aktivní omezování napětí je jednoduchý : spínač se uzavře jakmile napětí na jeho svorkách překročí předem určenou hodnotu. Z toho důvodu je mezi silovou svorku a řízení spínače zařazen obvod prahového napětí (Zenerovy lavinové diody, Transil apod).

Zařízení pro aktivní omezování napětí tedy slouží k ochraně IGBT proti přechodným přepětím, Jakmile se objeví přepětí, zařízení se aktivuje tím, že uzavře IGBT, který pak vede ve své lineární oblasti. Prahové napětí od kterého se aktivuje omezování napětí je vypočítáno tak, aby napětí na svorkách IGBT nikdy nepřekročilo maximálně přípustnou hodnotu. Obvod omezování napětí je umístěn mezi kolektor a mřížku IGBT tak, aby došlo k co nejrychlejší reakci.

Obvod prahového napětí znovu injektuje řídící signál jakmile napětí na svorkách spínače překročí předdefinovanou hodnotu (např. 2000 V). Nevýhodou je, že toto zařízení sníží maximální práh přípustného napětí spínače když spínač nevede, tzn. v případě, kdy je spínač otevřen.

Jakmile napětí na svorkách souboru IGBT - zařízení pro aktivní omezování napětí překročí 2,2 kV, sepne se výkonový spínač a na jeho svorkách se udržuje napětí okolo 2,2 kV místo 3,3 kV, které je maximálně přípustným napětím.

V případě neřízeného a tedy otevřeného IGBT, je maximálním napětím, které obvod tvořený IGBT a zařízením pro aktivní omezování napětí může udržovat, je nastavený práh omezovače napětí, který je menší než maximální přípustné napětí IGBT. Ve výše uvedeném příkladu má IGBT maximálně přípustné napětí 3,3 kV a k němu se přidá zařízení pro aktivní omezování napětí jehož práh je nastaven na 2,2 kV : tím získáme zařízení, které při uzavření je nad 2,2 kV neřiditelné.

Dokument JP-061639911 popisuje velmi obecně zařízení, které umožňuje určit, zda napětí na sběrné elektrodě MOSFETu je vyšší než napětí na Zenerově diodě zabudované do připojeného omezovacího obvodu. Jedná se velmi pravděpodobně o zařízení, které je určeno pro integrované obvody s relativně nízkým napětím několika desítek voltů.

·· • ·	a • ·	• ·	• · · •	·· ·· • · · ♦
•	• tH	• *	• · ··	• · · Μ »M·

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je způsob ochrany výkonového měniče napájeného vysokým napětím, který umožní, aby spínače v otevřeném stavu udržely na svých svorkách maximálně přípustné napětí, a to v případě, kdy se používá systém omezování napětí.

Podstatou vynálezu je způsob ochrany výkonového spínače ve výkonovém měniči, který je spojen se zařízením pro omezování napětí na prahovou úroveň, kterým se udrží na svorkách výkonového spínače maximálně přípustné napětí tím, že se blokuje funkce omezování napětí na prahovou úroveň když je výkonový spínač vypnutý.

Maximální přípustné napětí na svorkách výkonového spínače se především zajistí pomocí blokovacího spínače, který je umístěn mezi zařízení pro omezování napětí na prahovou hodnotu a řídící člen výkonového spínače,

Podle přednostního provedení se pro řízení blokovacího spínače a výkonového spínače použije tentýž řídící člen.

Náběžná hrana řídícího impulsu blokovacího spínače je synchronizována s náběžnou hranou řídícího impulsu výkonového spínače a sestupná hrana řídícího impulsu blokovacího spínače je zpožděna vůči sestupné hraně řídícího impulsu výkonového spínače. Toto zpoždění činí 50 až 500 ps, nejlépe přibližně 200ps.

Podstatou vynálezu je také výkonový měnič, který je opatřen alespoň jedním výkonovým spínačem spojeným se zařízením pro omezování napětí na prahovou úroveň. Tento měnič se vyznačuje tím, že je kromě toho opatřen blokovacím spínačem, který je umístěn mezi zařízení pro omezování napětí a řídící člen výkonového spínače.

Měnič je uspořádán z několika výkonových spínačů zapojených do série a tyto spínače jsou spojeny se zařízením pro omezování napětí na nastavený napěťový práh.

Těmito výkonovými spínači jsou vysokonapěťové polovodiče s lineárním režimem, jako jsou např. výkonové IGBT.

Blokovací spínač je umístěn v sérii se zařízením pro omezování napětí a tento soubor je zapojen mezi kolektor a mřížku výkonového IGBT,

Blokovacím spínačem je polovodič pracující v lineárním režimu, nejlépe IGBT nebo dvouúrovňový tranzistor.

Blokovací spínač je řízen prostřednictvím příslušné sítě stejným řídícím členem jako výkonový spínač nebo spínače.

-400 0 · 00 «

• * • 0 •000 000 »00«

0· ·0 0 0 0 0

Předkládaný vynález se týká užití výše popsaného způsobu a měniče k ochraně proti přepětí výkonových spínačů v obvodě přerušovače omezovače napětí.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude blíže objasněn jeho popisem s odkazy na výkres, na kterém znázorňuje: obr. 1 - schéma principu zařízení pro aktivní omezováni napětí, resp. obvodu prahového napětí, které je součástí výkonového spínače.

obr. 2 - schéma principu provedení způsobu podle vynálezu pomocí IGBT pro blokování aktivního omezování napětí, který je zařazen mezi obvod prahového napětí a řídící člen výkonového IGBT.

obr. 3 - tvary impulsu řízení výkonového IGBT a IGBT pro omezování napětí, obr. 4 - schéma principu blokovacího obvodu omezovače napětí, obr. 5 - schéma kompletního obvodu přerušovače omezovače napětí.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněno schéma principu výkonového spínače opatřeného obvodem prahového napětí. K blokování aktivního omezování napětí je do omezovači smyčky zařazen druhý spínač. Tento spínač musí odolávat vysokému napětí a musí být rychlý. Těmto charakteristikám odpovídá IGBT umístěný v malé krabičce. V dalším textu bude označován jako spínač nebo blokovací IGBT.

Napětí spínače musí být takové, aby takto vytvořený systém mohl ve statickém stavu absorbovat všechno nebo část maximálně přípustného napětí výkonového IGBT. Jestliže vezmeme za příklad IGBT, který má maximální přípustné napětí 3,3 kV a ke kterému je přiřazeno zařízení pro aktivní omezování napětí s prahem 2,2 kV, pak maximálně přípustné napětí blokovacího IGBT musí mít hodnotu alespoň 3,3 - 2,2 = 1,1 kV.

Z mnoha možností řízení blokovacího IGBT byl vybrána taková možnost, která je odvozena od impulsů řízení výkonového IGBT, což umožní zprůhlednit funkci blokování omezovače vzhledem k elektronice řízení. Strategie řízení blokovacího IGBT je popsána na obr. 2. Je třeba dbát na to, aby blokovací IGBT byl uzavřen drive než výkonový IGBT začne • φ φφ * * φ · « φ ·

-5• · ♦ · φ ♦ φφφ φφφφ φφφ «φ φφ φφ φφφφ pracovat v lineární oblasti, a to jak ve vypnutém, tak zapnutém stavu. Jakmile řídící impuls výkonového IGBT skončí, probíhá omezování napětí ještě po dobu přibližně 200 ps.

Zařízení pro aktivní omezování napětí sjeho blokovacím okruhem je aplikovatelný na všechny systémy elektrické konverze, které mohou být vystaveny přepětí vznikajícím při komutaci (přerušovač, vibrátor, jednocestný usměrňovač atd.).

Kompletní schéma blokovacího obvodu omezovače napětí je znázorněno na obr. 4, na kterém V29 je blokovací IGBT s maximální přípustnou napěťovou zatížitelností 1,2 kV. Omezovači obvod, jehož napěťový práh je 2,2 kV, tvoří dioda V34, odpory Rll a R2, spínač X14 a X13, diody V22 až VI a kondenzátor Cl.

Do obvodu přichází impulsy z výkonového IGBT spojem X20; IGBT je vytváří tak, jak je znázorněno na obr. 2 a přenáší je do blokovacího IGBT.

X18 je vedení k mřížce výkonového IGBT (přes pomocný obvod), XI je spojeno k jeho kolektoru.

V popsaném příkladu je zařízení provedeno v rámci přímého sériového zapojení výkonových spínačů IGBT. Na obr. 5 je znázorněna aplikace : jedná se o přerušovač, ve kterém jsou umístěny 3 IGBT (Ul : VI. V2. V3) v sérii a dvě diody (U2 : VI, V2) rovněž sériově zapojené. Instalováním zařízení na blokování aktivního omezování napětí se napěťová odolnost přerušovače rovná 3 x maximální přípustné napětí na každý IGBT, t.j. 3 x 3,3 kV =

9,9 kV. Bez omezovače napětí by hodnota napětí byla pouze 3 x 2,2 kV = 6,6 kV, což je pro klasickou trolejovou síť 3 kV nedostatečné.

Claims (11)

1. Způsob ochrany výkonového spínače ve výkonovém měniči, který je spojen se zařízením pro omezování napětí na prahové napětí, kterým se udrží na svorkách výkonového spínače maximálně přípustné napětí blokováním funkce omezování napětí na prahovou úroveň když je výkonový spínač vypnutý.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že udržení maximálně přípustného napětí na svorkách výkonového spínače se zajistí pomocí blokovacího spínače umístěného mezi zařízením pro omezování napětí na prahovou úroveň a řídícím členem výkonového spínače.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že řízení blokovacího spínače a výkonového spínače provádí tentýž řídící člen.

4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že náběžná hrana řídícího impulsu blokovacího spínače je synchronizována s náběžnou hranou řídícího impulsu výkonového spínače a že sestupná hrana řídícího impulsu blokovacího spínače je zpožděna vůči sestupné hraně řídícího impulsu výkonového spínače.

5. Způsob podle nároku 3, v y z n a č u j í c í se tím, že toto zpoždění činí 50 až 500 ps, nejlépe přibližně 200ps.

6. Výkonový měnič spojený se zařízením pro omezování napětí, který je opatřen alespoň jedním výkonovým spínačem, řídícím členem tohoto výkonového spínače, blokovacím spínačem umístěným mezi zařízením pro omezování napětí na prahovou úroveň a řídícím členem výkonového spínače, přičemž uvedený řídící člen umožňuje řídit současně výkonový spínač a blokovací spínač.

7. Měnič podle nároku 6, vyznačující se tím, že obsahuje několik výkonových spínačů zapojených do série, přičemž tyto spínače jsou spojeny se zařízením pro omezování napětí na prahovou úroveň.

ft · » · · * · · ft

-7v · · • ·

8. Měnič podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím, že výkonovým spínačem nebo spínači jsou vysokonapěťové polovodiče typu výkonových tranzistorů IGBT, které pracují v lineárním režimu.

9. Měnič podle nároku 8, vyznačující se tím, že blokovací spínač je umístěn sériově se zařízením pro omezování napětí a celý soubor je připojen mezi kolektor a mřížku výkonového IGBT.

10. Měnič podle kteréhokoli z nároků 6 až 9, vyznačující se tím, že blokovacím spínačem je polovodič pracující v lineárním režimu, přednostně IGBT, nebo dvouúrovňový polovodič.

11. Užití způsobu podle kteréhokoli z nároků 1 až 5 nebo měniče podle kteréhokoli z nároků 6 až 11 k ochraně proti přepětí výkonových měničů v obvodu přerušovače omezovače napětí