قارنة توصيل محرك البوابة الذكية: حماية شاملة لـ IGBTs في تطبيقات العاكس

قارنات محرك البوابة الذكية (SGDs)هي مكونات رئيسية لحماية أجهزة الطاقة، وخاصة الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs)، من أضرار التيار الزائد. ستوضح هذه المقالة معلومات التصميم التشغيلي لـ SGD، خاصة لنماذج TLP5214A/TLP5214/TLP5212/TLP5222 من Toshiba، المعروفة بوظيفة الكشف VCE(sat)، ووظيفة Miller clip، ووظيفة إخراج FAULT.

1. مقارنة منتجات المقرنة SGD

تختلف النماذج المختلفة لقارنات التوصيل SGD في معلمات الأداء، وهذه الاختلافات ضرورية لاختيار المنتج المناسب. على سبيل المثال، ذروة تيار الخرج لنماذج TLP5214A/TLP5214 هي ±4.0A، في حين أن نماذج TLP5212/TLP5222 هي ±2.5 أمبير. يعد تيار الإمداد وجهد الإمداد من الاعتبارات المهمة أيضًا، والقيم القصوى لهذه المعلمات هي 3.8 مللي أمبير، و3.5 مللي أمبير، و5 مللي أمبير، و15 فولت إلى 30 فولت، على التوالي. يعتبر تيار دخل العتبة وعتبة DESAT أيضًا عاملين أساسيين في التمييز بين النماذج المختلفة، بقيمة قصوى تبلغ 6 مللي أمبير وقيمة نموذجية تبلغ 6.5 فولت إلى 6.6 فولت. بالإضافة إلى ذلك، فإن تأخير الانتشار، أي الحد الأقصى لوقت تأخير الإشارة من الإدخال إلى الإخراج، يتراوح من 150ns إلى 250ns. كما هو مبين في الشكل 1.1

2. خصائص الحماية

خصائص الحماية لقارنة التوصيل SGD هي وظائفها الأساسية، بما في ذلك وظيفة UVLO (قفل الجهد المنخفض)، واكتشاف VCE(sat)، ومشبك Miller النشط ونظام إخراج الأخطاء. تضمن وظيفة UVLO عدم وجود خرج عرضي عندما يكون جهد الإمداد أقل من العتبة، بينما يراقب كشف VCE(sat) جهد المجمع-الباعث لـ IGBT ويوقف التشغيل لحماية الجهاز بمجرد اكتشاف التيار الزائد . يعمل مشبك ميلر النشط على تقليل الزيادة المحتملة بين البوابة والمجمع في IGBT، بينما يقوم نظام إخراج الخطأ بإخراج إشارة خطأ إلى جانب التحكم الرئيسي عند اكتشاف خطأ. يظهر التحميل الزائد في الشكل 1.2

3. تصميم التطبيق

في تصميم التطبيق، يجب مراعاة معلمات متعددة، بما في ذلك مقاومة البوابة، ووقت التقطيع، ومراقبة الدائرة القصيرة ومقاوم سحب إشارة الخطأ الجانبية الرئيسية. يمكن إجراء ضبط وضبط وقت التقطيع بواسطة مكثف أو دائرة تقطيع خارجية لضبط توقيت تسلسل الكشف عن الجهد. تستخدم دائرة الطمس الخارجية (RB) مقاومًا خارجيًا لزيادة تيار الشحن لمكثف التقطيع لضمان فعالية وظيفة الحماية أثناء ماس كهربائى. يمكن ضبط جهد عتبة اكتشاف الدائرة القصيرة IGBT عن طريق إضافة صمام ثنائي أو صمام ثنائي زينر. يوضح تحليل سعة البوابة ومقاومة البوابة وتأخير الانتشار تأثير هذه المعلمات على تأخير الانتشار. يتأثر وقت إيقاف التشغيل الناعم بسعة البوابة وجهد طاقة الخرج، في حين أن المعالجة المناسبة للمكثفات الالتفافية والمحطات الاحتياطية يمكن أن تتجنب الفشل. يمكن تحقيق حماية طرف DESAT من ارتفاع الجهد عند تبديل IGBT عن طريق إضافة صمام ثنائي Zener أو صمام ثنائي Schottky بين طرفي DESAT وVE. في حالة عدم كفاية تيار محرك البوابة، يمكن إضافة ترانزستور عازل. يعد تشكيل شكل موجة إشارة LED مهمًا بشكل خاص عندما تكون المسافة بين قارنة التوصيل SGD ووحدة المعالجة المركزية طويلة، ويمكن تشكيل شكل موجة إشارة الإدخال باستخدام مخزن مؤقت للتباطؤ. أخيرًا، يعتبر المقاوم RF لإشارة الخطأ على الجانب الرئيسي ضروريًا لإخراج إشارة الخطأ.

4. اعتبارات التصميم الرئيسية

عند تصميم قارنة التوصيل SGD، تشمل العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها مقاومة البوابة، وفصل دائرة المحرك عن جهاز الطاقة، والصمام الثنائي لدائرة التمهيد، ومقاومة باعث البوابة. وتؤثر هذه العوامل معًا على تأخير الانتشار، الذي تتراوح قيمته القصوى بين 150 و250 نانو ثانية.