P O D Z E S P O A
Y
Scalony sterownik tranzystorów IGBT
firmy
Układ MC 33153 firmy Motorola został zystorajest połączonaz wyjściem 5(DRIVE
W artykule przedstawiamy
specjalnie zaprojektowany do sterowania OUTPUT). SzczegÛÅ‚y poÅ‚Ä…czeÒ ukÅ‚adu, jak
szereg zagadnieÒ zwiÄ…zanych
tranzystoremIGBT w przeksztaÅ‚tnikach du- rÛwnieÅ‚ przykÅ‚ady aplikacji opisane sÄ…
z projektowaniem nowoczesnych
Å‚ej mocy stosowanych w napÍdach silni- w dalszej czÍÅ›ci artykuÅ‚u.
systemÛw sterowania tranzystorami
kÛw indukcyjnych, bezszczotkowych silni-
dułej mocy IGBT, w oparciu
kÛw prÄ…du staÅ‚ego i ukÅ‚adach zasilania Specyfika sterowania
o zintegrowane sterowniki firmy
bezawaryjnego. tranzystorÛw z izolowanÄ…
Chociał został przewidziany do sterowa- bramką (IGBT)
Motorola.
nia dyskretnych i modułowych tranzysto- Najbardziej istotnym aspektem projekto-
rÛw IGBT, ukÅ‚ad ten stanowi interesujÄ…cÄ…, wania ukÅ‚adu sterowania IGBT jest opty-
nie tylko z ekonomiczne- malizacja charakterystyk jego przełączania.
go punktu widzenia, pro- Charakterystyki te sÄ… szczegÛlnie waÅ‚ne
pozycjÍ sterowania tran- w zastosowaniach do napÍdu elektryczne-
zystorÛw MOSFETi bipo- go, w ktÛrychtranzystory sterowanesygna-
larnych. Najistotniejsza Å‚em z modulacjÄ… szerokoÅ›ci impulsÛw
właściwośĘ układu to (PWM) połączone są w układ mostka.
mołliwośĘ zabezpiecze- W tych aplikacjach elementy w obwodach
nia tranzystora w stanie sterowaniabramkątranzystora powinnybyĘ
przeciąłenia lub zwarcia: tak dobrane, by zoptymatylizowaĘ proces
desaturacja i pomiar prą- załączania, wyłączania tranzystora i jego
du. impedancjÍ w stanie blokowania.
Inne wałne cechy cha-
rakterystyczne układu MC
33153 to:
- duły prąd stopnia wy-
jściowego: 1A przy włą-
czaniui2A przy wyłącza-
niu;
- obwÛd ochronny przy-
stosowany zarÛwno do
konwencjonalnego IGBT,
jak i IGBT z czujnikiem
prÄ…dowym;
- ochrona przed przeciÄ…-
Rys. 3.
Å‚eniem i zwarciem;
- kontrola napiÍcia zasi-
lania zoptymalizowana
dla IGBT; W celu kontrolowania procesu komuta-
- mołliwośĘ zasilania cyjnego mołna wykorzystaĘ pojedynczy re-
takÅ‚e napiÍciem ujem- zystor (rys. 3), ale dobÛr wartoÅ›ci jego
nym, jeÅ‚eli sterowanie rezystancji bÍdzie wynikaÅ‚ z kompromisu
IGBT tego wymaga. pomiÍdzy szybkoÅ›ciÄ… zaÅ‚Ä…czania tranzysto-
Schematblokowyi roz- ra i strat wyłączenia. Stosowanie takiego
Rys. 1.
kÅ‚ad wyprowadzeÒ przed- rozwiÄ…zania powinno byĘ ograniczone do
stawiono na rys. 1 i 2. niskichczÍstotliwoÅ›ci komutacyjnychtran-
Układ MC33153,zawiera- zystora. Sterowanie bramką tranzystora
jący 133 tranzystory, posiada trzy wejścia: mołna zoptymalizowaĘ poprzez nieznacz-
INPUT (4), CURRENT SENSE (1) i FAULT nÄ… rozbudowÍ stopnia koÒcowego ukÅ‚adu
BLANKING/DESATURATION (8) oraz dwa (rys. 4), w ktÛrym procesy zaÅ‚Ä…czania i wy-
wyjścia: DRIVE (5) i FAULT (7). Ponadto, łączania tranzystora mołna kontrolowaĘ
koÒcÛwkizasilajÄ…ce oznaczonesÄ…jako: Vcc niezaleÅ‚nie. Rezystor odpowiedzialny za
(6) - plus napiÍcia zasilajÄ…cego, KELVIN zaÅ‚Ä…czenie tranzystora R zapewnia kont-
on
GROUND (2) - masa i VEE (3) - minus na- rolÍ szybkoÅ›ci IGBT w tym procesie. W za-
piÍcia zasilajÄ…cego ukÅ‚ad. SygnaÅ‚ sterujÄ…cy stosowaniach napÍdowych rezystor ten
pracÄ… IGBT powinien byĘ podany na we- okreÅ›la prÍdkośĘ narastania prÄ…du (di/dt)
jście 4 (INPUT), podczas gdy bramka tran- w tranzystorze w procesie komutacji,
z przewodzÄ…cÄ… diodÄ…sÄ…siadujÄ…cegotranzys-
tora w gaÅ‚Ízi.
Wzajemna relacja załączanego tranzysto-
rai pozbywajÄ…cejsiÍ prÄ…du diody decyduje
o szybkoÅ›ci narastania napiÍcia (dv/dt)
w procesie zaÅ‚Ä…czania. Zbyt duÅ‚a prÍdkośĘ
narastania napiÍcia w gaÅ‚Ízi mostka, pod-
czas procesu załączania tranzystora, stano-
wi istotny problem dla projektantÛw ukÅ‚a-
dÛw energoelektronicznych.
Rys. 2.
Elektronika Praktyczna 7/98
Elektronika Praktyczna 7/98
17
P O D Z E S P O A
Y
torÛw bipolarnych w ukÅ‚adzie Darlingtona,
ale w IGBT nie jest wymagana. Tym nie-
mniej, ujemne napiÍcie polaryzacji bramki
tranzystora zmniejsza mołliwośĘjego prze-
bicia w stanie wyłączenia. Dlatego teł
w układzie MC33153 przewidziano nieza-
leÅ‚nezasilanie poprzez koÒcÛwki V i ma-
EE
sÍ (Kelvin Ground), co pozwala na jego
pracÍ przy zasilaniu napiÍciem +15/-5V.
Rys. 6.
Izolacja optyczna układu
Rys. 4. Izolowane wejście IGBT przed nadmiernymi startami w przy-
UkÅ‚ad MC33153 moÅ‚e byĘ wykorzysty- padku rozÅ‚adowania siÍ kondensatora.
Natomiast rezystor odpowiedzialny za wany z optycznie izolowanymi wejÅ›ciami. UkÅ‚ad MC33153 rozpoczyna pracÍ przy
wyÅ‚Ä…czenietranzystora R decydujeo szyb- UÅ‚yte w tym celu transporty zapewniajÄ… napiÍciu ok. 12V, ale dziÍki histerezie za-
off
koÅ›ci procesu i zapewnia utrzymanie ele- przesuniÍcie poziomÛw sterujÄ…cych i, jeÅ‚e- pewnionej przez omawiany obwÛd rÛwnej
mentu w stanie blokowania w czasiezakÅ‚Û- li jest to wymagane, izolacjÍ od napiÍĘ ok. 1V, juÅ‚ przy napiÍciu ok. 11V stero-
ceÒ komutacyjnych wystÍpujÄ…cych w prze- zasilajÄ…cych przeksztaÅ‚tnik. Ze wzglÍdu na wanie tranzystora zostaje zablokowane.
ksztaÅ‚tniku. Kontrolowanie procesu wyÅ‚Ä…- duÅ‚e stromoÅ›ci zmian napiÍĘ wystÍpujÄ…ce
czania IGBT umołliwia uzyskanie niskich w przekształtnikach, ułytetransoptory, np. Zabezpieczenie przed wyjściem z nasy-
strat komutacyjnych. W sytuacji, gdy IGBT HCPL4053, powinny charakteryzowaĘ siÍ cenia
charakteryzujÄ… siÍ ustalonymi minimalny- odpowiednio wysokÄ… wartoÅ›ciÄ… dv/dt. Pew- Bipolarne tranzystory mocy powszech-
mi stratami, ze wzglÍdu na rekombinacjÍ ne moÅ‚liwoÅ›ci kontroli stromoÅ›ci opadania nie wykorzystywaÅ‚y ukÅ‚ady zabezpiecze-
noÅ›nikÛw mniejszoÅ›ciowych, wolne stero- napiÍcia na IGBT daje rezystor odpowie- nia przed wyjÅ›ciem z nasycenia, ktÛrych
wanie bramkÄ… tranzystora decyduje o stra- dzialny za jego zaÅ‚Ä…czanie. Jak wiÍkszośĘ zadaniem jest monitorowanie napiÍcia
tach przy wyÅ‚Ä…czaniu. Ma to szczegÛlnie transoptorÛw, HCPL4053 wykazuje aktyw- przewodzenia tranzystora i jego wyÅ‚Ä…cza-
znaczenie dla szybkich IGBT. MoÅ‚liwe jest ny niski stan na wyjÅ›ciu typu otwarty ko- nie, w przypadku wzrostu napiÍcia powy-
rÛwnieÅ‚ zbyt szybkie sterowanie bramkÄ…, lektor. Dlatego teÅ‚ ukÅ‚ad MC33153 posiada Å‚ej okreÅ›lonego poziomu. Wzrost napiÍcia
co powoduje generacjÍ przepiÍcia. Zwykle odwracajÄ…ce wejÅ›cie, z podciÄ…gajÄ…cym do przewodzeniatranzystorajestÅ›ciÅ›lezwiÄ…-
opornik odpowiedzialnyza wyłączeniesta- plusa zasilania rezystorem, pozwalające na zany ze wzrostem prądu kolektora, co ma
nowi maÅ‚Ä… czÍśĘ opornika decydujÄ…cego bezpoÅ›rednie poÅ‚Ä…czenie z transoptorem. miejsce w zakresie prÄ…dÛw wyÅ‚szych od
o szybkoÅ›ci zaÅ‚Ä…czania tranzystora. WejÅ›cie to moÅ‚e byĘ rÛwnieÅ‚ bezpoÅ›rednio nominalnych. W zwiÄ…zku z tym, Å‚e prÄ…d
StopieÒkoÒcowy MC33153stanowi para poÅ‚Ä…czone z 5 wlotowymi ukÅ‚adami logikÄ… wyjÅ›ciowy w IGBT jest funkcjÄ… napiÍcia
tranzystorÛw bipolarnych (rys. 3, 4), po- CMOS lub mikrokontrolerem. na bramce, jego maksymalna wartośĘ za-
zwalajÄ…cych na uzyskanie 1A prÄ…du wypÅ‚y- leÅ‚y od napiÍcia na bramce i typu przy-
wajÄ…cego i 2A prÄ…du dopÅ‚ywajÄ…cego do SygnalizacjabÅ‚Ídu poprzez wyjÅ›cietrans- rzÄ…du.
ukÅ‚adu. Ponadto, stopieÒ ten zawiera re- optorowe W przypadku wyÅ‚szych prÄ…dÛw,
zystor Å›cigajÄ…cy sygnaÅ‚ wyjÅ›ciowy do zera, UkÅ‚ad MC33153 posiada wyjÅ›cie sygna- a w szczegÛlnoÅ›ci prÄ…dÛw zwarcia, IGBT
zapewniajÄ…c w tensposÛb utrzymanietran- lizacji bÅ‚Ídu o aktywnym stanie wysokim. wykazujÄ…znacznie wyÅ‚szÄ…transkonduktan-
zystora w stanie wyÅ‚Ä…czonym, niezaleÅ‚nie DziÍki temu do wyjÅ›cia tego moÅ‚na bez- cjÍ i gÍstośĘ prÄ…du niÅ‚ tranzystory bipolar-
od poziomu napiÍcia zasilajÄ…cego ukÅ‚ad. poÅ›rednio podÅ‚Ä…czyĘtransoptor.Istotnajest ne. Ma to istotne znaczenie w przypadku
W gaÅ‚Íziach mostkafalownikÛwz modu- bowiem nie tylko sygnalizacja wszystkich aplikacji napÍdowych, w ktÛrych w nomi-
lacjÄ… szerokoÅ›ci impulsÛw, co najmniej je- bÅ‚ÍdÛw, ale rÛwnieÅ‚ uniemoÅ‚liwienie wni- nalnych warunkach gÍstoÅ›ci prÄ…du sÄ… nie-
den tranzystor jest wyÅ‚Ä…czony. Podlega on kania zakÅ‚ÛceÒ w ten tor. wielkie, a w przypadku przeciÄ…Å‚enia lub
wÛwczaszmianom napiÍcia powodowanym WyjÅ›ciesygnalizacji bÅ‚Ídu(rys.5) umoÅ‚- zwarciagÍstośĘ prÄ…duznacznie wzrasta,ale
przezsÄ…siadujÄ…cytranzystor w gaÅ‚Ízi. Prob- liwia, poprzez dobÛr rezystora, uzyskanie tylko do poziomu nie powodujÄ…cego uszko-
lem staje siÍ krytyczny, gdy tranzystor ten prÄ…dÛw sterowania transoptorem od 10 do dzenia tranzystora.
jest zaÅ‚Ä…czany i zwiÄ…zana z tym wysoka 20mA, jak rÛwnieÅ‚ zapewnia niskÄ… impe- NajlepszÄ… metodÄ… wykrywania wyjÅ›cia
stromośĘ opadania napiÍcia pojawia siÍ dancjÍ w stanie jego wyÅ‚Ä…czenia. IGBT z nasycenia jest uÅ‚ycie wysokonapiÍ-
rÛwnoczeÅ›nie na wyÅ‚Ä…czonymtranzystorze. RÛwnieÅ‚ i w tym przypadku naleÅ‚y do- ciowej diody, pracujÄ…cej w ukÅ‚adzie kom-
W celu unikniÍcia przebicia tego tranzys- braĘ transoptor wytrzymujÄ…cy duÅ‚e paracji. W ukÅ‚adzie MC33153 zastosowano
tora, wywoÅ‚anego wspomnianÄ… stromoÅ›ciÄ… szybkoÅ›ci zmian napiÍcia (dv/dt). komparator wykrywajÄ…cy ten stan i obwÛd
napiÍcia, niezbÍdne jest zapewnienie nis- sygnalizujÄ…cy. Dioda D1 jest zewnÍtrznÄ…
kiej impedancji w obwodzie jego wyÅ‚Ä…cza- UkÅ‚ady zabezpieczajÄ…ce diodÄ… o klasie napiÍciowej porÛwnywalnej
nia. W wiÍkszoÅ›ci zastosowaÒ rezystor od- Zabezpieczenie przed zbyt niskim napiÍ- z IGBT. Gdy tranzystor jest zaÅ‚Ä…czony i na-
powiedzialny za wyÅ‚Ä…czanie tranzystora ciem zasilania sycony, D1 Å›ciÄ…ga napiÍcie na wejÅ›ciu 8
moÅ‚e mieĘ wystarczajÄ…co maÅ‚Ä… wartośĘ by Kontrola poziomu napiÍcia zasilania (rys. 6).
utrzymaĘIGBT w stanie wyłączenia w trak- układu wysterowaniaIGBTjestjednąz jego W przypadku, gdy IGBT wychodzi z na-
ciekomutacjisÄ…siada w gaÅ‚Ízibez potrzeby waÅ‚nych wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci. Podczas gdy IGBT sycenialubjest wyÅ‚Ä…czony,ürÛdÅ‚o prÄ…dowe
nadmiernego zwiÍkszenia szybkoÅ›ci wyÅ‚Ä…- wymaga ok. 15V napiÍcia na bramce by podciÄ…ga napiÍcie na wejÅ›ciu 8 i wyzwala
czania. osiÄ…gnąĘ niskie napiÍcie przewodzenia, ob- komparator. PrÛg wyzwalania komparatora
Do wyłączania IGBT mołna teł wyko- niłenie tego poziomu poniłej 13V powo- jest ustalony na poziomie 6,5V, zezwalając
rzystaĘ napiÍcie ujemne. Jest to praktyka duje jego znaczne zwiÍkszenie, szczegÛlnie
przeniesiona wprost ze sterowania tranzys- przy dułych prądach. Przy bardzo niskich
napiÍciach na bramce (poniÅ‚ej 10V), IGBT
mołe wejśĘ w obszar liniowej pracy i szy-
bkosiÍ przegrzaĘ. Kontrola poziomu napiÍ-
cia zasilania układu MC33153 nabiera
szczegÛlnegoznaczenia w tych prze-
ksztaÅ‚ceniach, w ktÛrych napiÍcie
zasilajÄ…ce ukÅ‚ad sterowania ìgÛr-
nymî tranzystorem jest wytwarzane
poprzez pompÍ napiÍciowÄ… Å‚adujÄ…cÄ…
kondensator. Układ kontroli pozio-
mu napiÍcia na bramce zabezpiecza
Rys. 5. Rys. 7.
Elektronika Praktyczna 7/98
18
P O D Z E S P O A
Y
gdy poziom napiÍcia na bramce jest
Tabela 1.
niski(rys.6). W momenciezałączenia
Rg tp(on) tf tp(off) tr
IGBT, zwierajÄ…cy tranzystor zostaje
[Q] [ns] [ns] [ns] [ns]
wyÅ‚Ä…czony, pozwalajÄ…c wewnÍtrzne-
4 30 20 60 40
mu ürÛdÅ‚u prÄ…dowemu na Å‚adowanie
kondensatora odpowiedzialnego za 15 40 30 160 40
czas nieczułości. Czasładowaniakon-
densatora dołączonego na zewnątrz
do wyjÅ›cia 8 okreÅ›la przedziaÅ‚ nie- Å‚Ä…czony. ObwÛd czujnika prÄ…du jest bardzo
czułości układu. podobny do układu zabezpieczenia tran-
JeÅ‚eli zwarcie pojawi siÍ po zaÅ‚Ä…- zystora przed wyjÅ›ciem z nasycenia. MoÅ‚-
czeniu i wejÅ›ciu w nasycenie IGBT, liwe jest rÛwnieÅ‚ zbudowanie obwodu po-
czas opÛünienia zadziaÅ‚ania ukÅ‚adu zwalajÄ…cego na zabezpieczenie IGBT wypo-
wynika z czasu potrzebnego na doła- sałonego w czujniki prądu, jak i bazujące-
dowanie kondensatora z poziomu napiÍcia go na pomiarze prÄ…du na boczniku.
V do poziomu powodujÄ…cego zadzia-
CE(SAT)
Rys. 8. Å‚aniezabezpieczenia(5,8V). Funkcjazabez- WskazÛwki aplikacyjne
pieczenia IGBT przed wyjściem z nasyce- Na rys. 7 przedstawiono podstawowy
na napiÍcie przewodzenia tranzystora nie nia moÅ‚e byĘ zablokowana przez pozosta- schemat aplikacyjny sterownika. W przy-
wiÍksze niÅ‚5,8V. SygnaÅ‚bÅ‚Ídu pojawiasiÍ, wienie wyjÅ›cia 8 nie podÅ‚Ä…czonego. padku przesÅ‚ania sygnaÅ‚usterujÄ…cego przez
gdy stan bramki tranzystora jest wysoki, transoptor, naleÅ‚y uwzglÍdniĘrezystor pod-
a napiÍcie V jest wyÅ‚sze od dopuszczal- Zabezpieczenie IGBT z wbudowanym ciÄ…gajÄ…cy na wejÅ›ciu sterownika, ktÛrego
CE
nego (5,8V). czujnikiem prądu wartośĘ powinna wynikaĘz zakresu prądo-
Wyjściekomparatora wykrywającegostan Innym sposobem zabezpieczenia prądo- wego tranzystora transoptora. Ponadto na-
desaturacji jest iloczynowane z sygnaÅ‚em wego IGBT jest pomiar prÄ…du emitera przy leÅ‚y pamiÍtaĘ o kondensatorze odkÅ‚ÛcajÄ…-
podawanym na wejÅ›ciu bramki. Wynik tej pomocy bocznika lub wykorzystanie tran- cym zasilanie, ktÛry powinien byĘ uloko-
operacji jest nastÍpnie podawany na wej- zystora z wbudowanym czujnikiem prÄ…du. wany moÅ‚liwie blisko sterownika, zmniej-
Å›ciezatrzaskÛw pamiÍtajÄ…cychstanzwarcia IstotnÄ… zaletÄ… tej metody jest uÅ‚ycie IGBT szajÄ…c w ten sposÛb ryzyko wnikniÍcia
lub przeciÄ…Å‚enia prÄ…dowego. Zatrzask prze- o duÅ‚ym wzmocnieniu,lecz o maÅ‚ej odpor- w ukÅ‚ad zakÅ‚ÛceÒ komutacyjnych.
ciÄ…Å‚enia prÄ…dowego wyÅ‚Ä…czaIGBT naresztÍ noÅ›ci na zwarcie. IGBT z wbudowanym W przypadku, gdy ukÅ‚ady zabezpiecze-
cyklu przewodzenia w przypadku wystÄ…- czujnikiem prÄ…du zachowuje siÍ w wiÍk- nia prÄ…dowego tranzystora nie sÄ… wyma-
pienia bÅ‚Ídu. W momencie zmiany stanu szoÅ›ci przypadkÛw jak MOSFET, pozwala- gane,zarÛwno wejÅ›cieczujnika desaturacji
na bramce na wysoki, oba zatrzaski są jący na bezpośredni pomiar wielkości prą- (8), jak i pomiaru prądu z bocznika (1)
zerowane. NapiÍcie odniesienia jest poÅ‚Ä…- du. JednakÅ‚e w tym przypadku problem powinny byĘ podÅ‚Ä…czone do masy (Kelvin
czone z masÄ… (Kelvin Ground) zamiast do pomiaru prÄ…du poprzez pomiar niskich na- Ground (2)). W celu zbuforowania zasila-
V , by uniezaleÅ‚niĘ poziom komparacji od piÍĘ wciÄ…Å‚ istnieje. Pomiar prÄ…du w IGBT nia ukÅ‚adu moÅ‚na zastosowaĘ diodÍ pod-
EE
wielkoÅ›ci ujemnego napiÍcia zasilania. Na- z wbudowanym czujnikiem prÄ…du polega ciÄ…gajÄ…cÄ… (bootstrap). Dla zasilania poje-
leÅ‚y zwrÛciĘ uwagÍ, Å‚e dla prawidÅ‚owej na pomiarze napiÍcia w kanaletranzystora, dynczym napiÍciem, koÒcÛwki masy (Kel-
pracy komparatora desaturacji,jaki ukÅ‚adu ktÛre jest liniowo zaleÅ‚ne od prÄ…du kolek- vin Ground) i V powinny byĘ ze sobÄ…
EE
sygnalizacji bÅ‚Ídu, obwÛd pomiaru prÄ…du tora. NapiÍcie wyjÅ›ciowe z wbudowanego poÅ‚Ä…czone. W przypadku aplikacji z dwo-
powinien mieĘ wejÅ›cie podciÄ…gniÍte do po- czujnika prÄ…du jest bardzo niskie, zwykle ma napiÍciami zasilajÄ…cymi (rys. 8), masa
ziomu wyÅ‚szego niÅ‚ napiÍcie komparacji poniÅ‚ej 100mV. ukÅ‚adu powinna byĘ poÅ‚Ä…czona z emite-
dla obwodÛw przeciÄ…Å‚enia prÄ…dowego Korzystanie z wyÅ‚ej opisanej funkcji rem IGBT, podczas gdy wejÅ›cie czujnika
i zwarcia. Mołna to uzyskaĘ poprzez po- IGBT wymaga jej blokowania w trakcie za- desaturacji (8) i pomiaru prąduz bocznika
Å‚Ä…czenia wejÅ›cia 1 z V . Å‚Ä…czaniatranzystora,jakrÛwnieÅ‚ignorowa- (1) powinny byĘ poÅ‚Ä…czone masÄ…. Zgodnie
CC
UkÅ‚ad MC33153 ma rÛwnieÅ‚ moÅ‚liwośĘ nie sygnaÅ‚u pomiaru napiÍcia, gdy poziom z wczeÅ›niejszÄ… analizÄ…, zaleca siÍ uÅ‚ycie
programowania czasu nieczuÅ‚oÅ›ci ukÅ‚adu napiÍcia na bramce jest niski. Wynika to oddzielnychrezystorÛw w obwodziebram-
zabezpieczenia przed wyjściem z nasyce- z właściwości lustrzanego wyjścia tranzys- ki IGBT, odpowiedzialnych za załączanie
nia. Jest to spowodowane potrzebÄ… zablo- tora,ktÛra polega nageneracji duÅ‚ychchwi- i wyÅ‚Ä…czanie tranzystora. W przypadku
kowania dziaÅ‚ania ukÅ‚adu na czas trwania lowych napiÍĘ, zarÛwno w trakcie jego za- wykorzystywania obwodu czujnika desa-
komutacji zaÅ‚Ä…czajÄ…cego siÍ IGBT z wyÅ‚Ä…- Å‚Ä…czenia jak i wyÅ‚Ä…czenia, ze wzglÍdu na turacji, do koÒcÛwki 8 (Desat/Blank) na-
czanÄ… diodÄ…. Po przejÍciu prÄ…du diody przez pojemnośĘ pomiÍdzy kolektorem i wyj- leÅ‚y podÅ‚Ä…czyĘ wysokonapiÍciowÄ… diodÍ.
tranzystor, napiÍcie na kolektorze szybko Å›ciem. Dodatkowy rezystor wÅ‚Ä…czony szeregowo
opada do poziomu V . Po załączeniu Dla standardowych IGBT (bez wbudowa- z diodą zabezpiecza sterownik przed zbyt
CE(SAT)
tranzystora najego kolektorze pojawiajÄ…siÍ nego czujnika prÄ…du) moÅ‚na skorzystaĘ duÅ‚ymi szybkoÅ›ciami zmian napiÍcia na
jednakłe oscylacje wynikające z pojemnoś- z niskorezystancyjnego bocznika (od 5 do IGBT. Natomiast kondensator odpowie-
ci C i indukcyjności pasołytniczej połą- 50m&!), by mierzyĘ prąd emitera. W trakcie dzialny za czas nieczułości obwodu po-
OSS
czeÒ. Czas nieczuÅ‚oÅ›ci ukÅ‚adu zabezpiecze- zwarcia, ze wzglÍdu na niskÄ… impedancjÍ winien byĘ wÅ‚Ä…czony pomiÍdzy koÒcÛwkÍ
nia przed wyjÅ›ciem z nasycenia powinien obwodu, prÄ…d moÅ‚e narosnąĘ do duÅ‚ych 8 i napiÍcie V . Dla ukÅ‚adu z dwoma na-
EE
byĘ dÅ‚uÅ‚szy od sumy czasu komutacji i os- wartoÅ›ci. Dzieje siÍ tak dlatego, Å‚e tranzys- piÍciamizasilajÄ…cymi,kondensatorten po-
cylacji. Funkcja ta wykorzystuje tranzystor tor jest załączany na minimalny czas, wy-
NPN do zwierania wejścia komparatora, magany do poprawnego działaniazabezpie-
czeÒ, w trakciektÛrego prÄ…d moÅ‚e narosnąĘ
do dułych wartości. Do realizacji funkcji
detekcji zwarcia wykorzystano drugi
komparator,ktÛry ma wyÅ‚szyza-
kres napiÍĘ wejÅ›ciowych. Syg-
nał zwarcia jest zatrzaskiwany
i pojawia siÍ na wyjÅ›ciu bÅ‚Ídu
(Fault Output). Po wykryciu
zwarcia IGBT zostaje włączony
na kilka milisekund, pozwalajÄ…c
w ten sposÛb na wyrÛwnanie
temperatury w jego strukturze,
zanim ponownie mołe byĘ za-
Rys. 9. Rys. 10.
Elektronika Praktyczna 7/98
19
P O D Z E S P O A
Y
Test sterownika MC33153 ku C i napiÍciu zasilania ukÅ‚adu mocy
blank
Test sterownika przeprowadzono przy 20V. Zabezpieczenie zadziałało w chwili,
pojedynczym napiÍciu zasilania rÛwnym gdy U osiÄ…gnÍÅ‚o wartośĘ ok. 6V, zaÅ› prÄ…d
DS
+15V. W celu uproszczenia ukÅ‚adu pomia- ok.60A. WidaĘ wiÍc,Å‚esterownik MC33153
rowego pominiÍto separujÄ…cy transoptor. w peÅ‚ni moÅ‚na wykorzystaĘ do sterowania
Sygnał prostokątny TTL z generatora poda- tranzystorem MOSFET, pod warunkiem, łe
wano bezpośrednio na wejściu (Input). przy normalnej pracy tranzystora jego na-
W obwodzie bramki umieszczono pojedyn- piÍcie U nie jest wyÅ‚sze od prÛgu za-
DS(on)
czy rezystor R=15&!. Z przebiegÛw na rys. dziaÅ‚ania zabezpieczenia.
g
11 i 12 odczytano czasy narastania i opa-
Rys. 11.
dania oraz czasy propagacji definiowane Podsumowanie
jako czasy miÍdzy zboczami sygnaÅ‚u wej- Sterownik MC33153 Å‚Ä…czy w sobie wiele
ściowegoi wyjściowego, w chwiligdyosią- najlepszychcech.Jestbardzoszybkim ukła-
gają one 50% swoich wartości. dem przy odpowiednio dułej wydajności
Zamierzone czasy wynoszą: prądowej w impulsie oraz dułej uniwersal-
t = 88ns ności układu ochronnego i wejściowego.
PLH
t = 66ns Stanowi wiÍc atrakcyjny kompromis po-
PLH
tr = 20ns miÍdzy wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciami i cenÄ….
t = 14ns Jerzy Jelonkiewicz
f
SÄ… to czasy zbliÅ‚one do parametrÛw zna-
mionowych sterownika. Literatura
Zabezpieczeniezwarciowe układuspraw- 1.Single IGBT Gate Driver - dane technicz-
Rys. 12.
dzono symulujÄ…c zwarcie. W tym celu od- ne sterownika MC33153 firmy Motorola
łączono wejście (8) od tranzystora IGBT nr MX33153/D.
i podÅ‚Ä…czonobezpoÅ›rednio do V , pozosta- 2.Jacek Szewczyk: ìAnaliza i test ukÅ‚adÛw
CC
wiajÄ…c kondensator C =120pF ustalajÄ…cy wysterowania tranzystorÛw IGBTî praca
blank
czas t zabezpieczenia. Po wysterowaniu dyplomowa, Wydział Elektryczny Poli-
trip
ukÅ‚adu, sterownik spowodowaÅ‚ wyÅ‚Ä…czenie techniki CzÍstochowskiej, marzec 1997.
tranzystora po czasie t = 3,3µs, co widaĘ
trip
na rys. 13. ZaleÅ‚noÅ›ci miÍdzy C a t ,
blank trip
wyznaczono doświadczalnie. W najbardziej
istotnym dla ułytkownika przedziale od
0..12µs otrzymano liniowÄ… zaleÅ‚nośĘ.
Rys. 13. t [µs] = 0,0024*C [pF]
trip blank
Przy braku C opisany wyłej układ
blank
w ogÛle nie wÅ‚Ä…czatranzystora,cooznacza,
łe w układzie rzeczywistym zwarcie zosta-
nie wyłączone natychmiast w chwilistwier-
dzenia go. Zbadano rÛwnieÅ‚ wpÅ‚yw war-
tościrezystancji w obwodziebramki(R) na Rys. 15.
g
szybkośĘ przełączenia tranzystora.
Dla wartoÅ›ci 4, 15 i 40&! zmierzono opÛü-
nienie miÍdzysygnaÅ‚em wyjÅ›ciowymsterow-
nika, a napiÍciem U . Wyniki umieszczono
CE
w tab. 1, zaÅ› przebiegi dwÛch przykÅ‚ado-
Rys. 14.
wych procesÛw przeÅ‚Ä…czania narys. 15 i 16.
Jak wynika z danych zawartych w tab. 1,
winien byĘ połączony z masą. Ponadto, zmniejszenie wartości R powoduje przy-
g
wejście pomiaru prądu z bocznika powin- spieszenie przełączania, natomiast nie ma
no byĘ podciÄ…gniÍte do plusa zasilania, wpÅ‚ywu na czas narastania napiÍcia U
CE
gdyÅ‚ oba wyjÅ›cia komparatorÛw sÄ… zilo- przy wyÅ‚Ä…czaniu.
czynowane. PrÛby zwarciowe wykonywano kontrolu- Rys. 16.
W sytuacji,gdy wykorzystywanejest wej- jÄ…c narastanie prÄ…du zwarciowego przy ob-
Å›cie pomiaru prÄ…du bÄ…dü to z bocznika, ciÄ…Å‚eniu L = 70µH. UÅ‚yto pojemnoÅ›ci C
blank
bÄ…dü z wyjÅ›cia specjalnego IGBT z wbudo- = 68pF, co daje czas t ok. 2µs. Na rys.
trip
wanym czujnikiem prÄ…du, uzyskane napiÍ- 17 przedstawionesÄ… przebiegikontrolowane
cie powinno byĘ odniesione do masy (Kel- zwarcia przyzasilaniu obwodu mocy napiÍ-
vin Ground). W związku z tym, łe poziom ciem 40V. Sterownik wykrył zwarcie
napiÍcia z czujnika prÄ…du jest bardzo niski w chwili, gdy U wynosiÅ‚o ok. 6V, zaÅ›
CE(SAT)
(zwykle ok. 65mV), jest ono podatne na prąd 27A. Po czasie t nastąpiło wyłącze-
trip
zakÅ‚Ûcenia. Dlatego teÅ‚ Å›cieÅ‚ki przewodzÄ…- nie. Rys. 18 przedstawia przebiegi dla tych
ce sygnaÅ‚ powinny byĘ zaprojektowane ja- samych warunkÛw, ale przy zasilaniu na-
ko para rÛÅ‚nicowa. Zalecane jest rÛwnieÅ‚ piÍciem 200V. WystÄ…piÅ‚a sytuacja na tyle
zastosowanie filtru RC w celu wyelimino- krytyczna,Å‚ejuÅ‚ w chwili wÅ‚Ä…czenia napiÍ- Rys. 17.
wania zakÅ‚ÛceÒ o wysokiej czÍstotliwoÅ›ci. cie nasyceniatranzystora wyniosÅ‚ook.7,5V,
Kondensator filtrujÄ…cy jest wÛwczas wÅ‚Ä…- czyli byÅ‚o wyÅ‚sze od progu wyzwolenia
czony miÍdzy wejÅ›cieczujnika prÄ…dui koÒ- zabezpieczenia. Sterownik zareagowaÅ‚ pra-
cÛwkÍ zasilania V . Niestety pojemnośĘ widÅ‚owo,spowodowaÅ‚ wyÅ‚Ä…czenie poczasie
EE
pasołytnicza istniejąca na tym wejściu nie t od chwili włączenia na zwarcie. Prąd
trip
jest wystarczająca, by skutecznie odfiltro- wyłączenia wynosił ok. 100A. W obu przy-
waĘzakÅ‚Ûcenia. W przypadku niewykorzys- padkach widoczne sÄ… znaczne przepiÍcia
tywania pomiaru prądu istotne jest, by nie i oscylacje wynikające z szybkiego wyłącze-
Å‚Ä…czyĘtego wejÅ›ciaz plusemzasilania,gdyÅ‚ nia duÅ‚ego prÄ…du. OchronÍ zwarciowÄ…
wÛwczastranzystor pozostaÅ‚by nastaÅ‚e wy- sprawdzono rÛwnieÅ‚ sterujÄ…c tranzystorem
Å‚Ä…czony. MOSFET(60V/17A). PrÛbÍrobiono przybra-
Rys. 18.
Elektronika Praktyczna 7/98
20