W tym artykule zajmę się zagadnieniami sterowania tranzystorów IGBT. Będzie to swego rodzaju kontynuacja opracowania dotyczącego sterowania tranzystora MOSFET, które znajduje się na tej stronie. Polecam najpierw zapoznać się z wspomnianym artykułem, gdyż opisałem tam kluczowe kwestie sterowania bramkami obu typów tranzystorów. Opisany tam układ jak najbardziej nadaje się także do IGBT-ów, ale tu przedstawię układ scalony dużo bardziej zaawansowany.

Tranzystor IGBT jest to połączenie tranzystora MOSFET oraz tranzystora bipolarnego czyli prostego sterowania (cecha tranzystora MOSFET) i wysokiego napięcia przebicia, możliwości przełączania dużych prądów i szybkości ich przełączania (cechy tranzystorów bipolarnych). Tranzystory tego typu stosuje się w energoelektronice gdyż umożliwiają przełączenie prądów do 1000A i mogą blokować napięcia nawet 6kV przy czym robią to z częstotliwościami nawet 100 kHz.

Rys. 1 Schemat zastępczy tranzystora IGBT.


Rys. 2 Przykładowy pojedynczy tranzystor IGBT.

Te zalety tranzystora IGBT sprawiają, że wypiera on skutecznie wszystkie inne rodzaje łączników stosowanych w energoelektronice i elektrotechnice, ale przede wszystkim daje ogromne możliwości generowania szybkozmiennych przebiegów o dużych energiach i częstotliwościach.


Rys. 3 Przykładowy, podwójny tranzystor IGBT.

Za ich pomocą można budować falowniki, w których częstotliwości przebiegów sinusoidalnych na wyjściu są dosłownie "cyfrowo syntetyzowane" z tysięcy włączeń i wyłączeń takich tranzystorów pod obciążeniem nawet wieluset amperów. Tam, gdzie do tej pory stosowane były mechaniczne łączniki - tranzystory IGBT spisują się wręcz idealnie. Za przykład można podać napędy trolejbusów, gdzie dawniej silniki elektryczne były po prostu włączane i wyłączane na pewien czas. Tranzystory IGBT można sterować przeróżnymi algorytmami uzyskując płynne metody regulacji np. jak w tym przypadku silników prądu stałego. Te przykłady można by jeszcze długo mnożyć, na razie się powstrzymam, bo wierze, że starczy mi czasu i pieniędzy by to po prostu kiedyś w innym opracowaniu Państwu pokazać.
Teraz zajmę się zagadnieniem sterowania samego tranzystora. Jak opisałem w poprzednim opracowaniu by tranzystor robił to co chcemy, kiedy chcemy i tak jak chcemy trzeba go odpowiednio o to poprosić. Zapoznałem już Państwa z układem TLP250 teraz kolej na coś z wyższej półki.

Układ TLP250 po prostu wysterowywał bramkę tranzystora w momencie podania sygnału i szybko ją wyłączał w momencie jego zaniku, nie oferując żadnych dodatkowych funkcji. Jeśli np. podczas załączenia tranzystora nastąpiło zwarcie w układzie mocy i nie było by żadnego innego zabezpieczenia, tranzystor skazany był by na zgubny przepływ ogromnych prądów i niezbyt przyjemny wybuch. Eksperymentowałem z energoelektroniką trochę i taki scenariusz obcy mi nie był. Wystarczyło jednak pogrzebać trochę na szybko rozwijającym się rynku energoelektroniki by wywęszyć, co prawda drogi ale jakże wdzięczny układ HCPL316j.


Rys. 4 Schemat blokowy układu.

Porównując go z układem, który wcześniej przedstawiłem widać zdecydowaną różnicę w ilości elementów składowych, które zapewniają szereg dodatkowych funkcji takich jak:
» Automatyczne wyłączenie bez udziału układu sterującego,
» Wykrywanie przeciążenia tranzystora (DESAT),
» Wykrywanie nieprawidłowego napięcia sterującego bramkę,
» Informacja o stanie awaryjnym dla układu sterującego,
» wejście resetujące,
» Różne konfiguracje sterowania (stanem wysokim lub niskim, auto-reset, autowyłaczenie).

Najważniejsza zaleta to połączenie wykrywania przeciążenia tranzystora z automatycznym wyłączeniem. W tradycyjnym zabezpieczeniu stosuje się zewnętrzny przekładnik prądowy, który daje sygnał do porównania wartości prądu z wartością odniesienia za pomocą komparatora i w razie przekroczenia następuje zadziałanie układu mającego za zadanie zmianę stanu na wejściu drivera. Takie rozwiązanie jest co prawda skuteczne ale nie we wszystkich przypadkach, gdyż reakcja chwile czasu trwa. Ten czas może okazać się zbyt długi i złącze tranzystora może ulec uszkodzeniu. Układ HCPL316j ma dodatkowe wejście, które należy połączyć z kolektorem tranzystora IGBT. Dzięki temu układ mierzy napięcie na złączu i gdy przekroczy 7V następuję wyłączenie samego wyjścia i przy okazji informacja ta przesyłana jest przez drugi transoptor do części logicznej, gdzie dzieją się dwie rzeczy: zmienia się stan wyjścia fault, co informuje układ sterujący o awarii oraz wyłączana jest dioda pierwszego transoptora odpowiedzialnego za sterowanie co skutkuje deaktywacją wejścia. Teraz dopiero podanie impulsu na wejście RESET przywróci możliwość sterowania.


Rys. 5 Schemat ideowy drivera tranzystora IGBT.

Oczywiście takie możliwości otrzymamy, gdy odpowiednio podłączymy układ bo można po prostu zasilić samą diodę sterującą. Powyżej narysowałem schemat jak ja podłączyłem ten układ by skorzystać ze wszystkich zabezpieczeń. Zastosowałem oczywiście galwaniczną separację zasilania w postaci konwertera DC/DC oraz galwaniczną izolację układu sterującego w postaci odbiornika sygnału optycznego.