b. Quỏ trỡnh khúa
1.6.5. Vấn đề bảo vệ IGBT
IGBT thường được sử dụng trong cỏc mạch nghịch lưu hoặc cỏc bộ biến đổi xung ỏp một chiều, trong đú ỏp dụng cỏc quy luật biến điệu khỏc nhau và thường yờu cầu van đúng cắt với tần số cao, từ 2 đến hàng chục kHz. Ở tần số đúng cắt cao như vậy. Những sự cố xảy ra cú thề phỏ hủy phần tử nhanh chúng. Sự cố thường xảy ra nhất là quỏ dũng do ngắn mạch từ phớa tải hoặc từ cỏc phần tử cú lỗi do chế tạo hoặc do lắp rỏp. Vỡ vậy vấn đề bảo vệ cho phần tử là nhiệm vụ cực kỳ quan trọng đặt ra.
Đối với IGBT ta cú thể ngắt dũng điện bằng cỏch đưa điện ỏp điều khiển về giỏ trị õm. Tuy nhiờn quỏ tải dũng điện cú thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bóo hũa dẫn đến cụng suất phỏt nhiệt tăng lờn đột ngột, phỏ hủy phần tử sau vài chu kỳ đúng cắt. Mặt khỏc khi khúa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dũng điện lớn dẫn đến tốc độ tăng dũng
dI/dt quỏ lớn gõy Hỡnh 1.32. Cỏc chức năng trong mạch tớch hợp điều khiển IGBT (IRZI37 của International Rectifier )
Desat Fault
Chuyển mạch mềm High side Gate
HOP
LOP
SSD
US
quỏ ỏp trờn Collector - Emitter, lập tức đỏnh thủng lớp tiếp giỏp này. Rừ ràng là, trong sự cố quỏ dũng, khụng thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn theo quy luật biến điệu như cũ và cũng khụng thể chỉ đơn giản là ngắt xung điều khiển để dập tắt dũng diện được. Vấn đề ngắt dũng đột ngột khụng chỉ xảy ra trong chế độ sự cố mà cũn xảy ra khi tắt nguồn hoặc khi dừng hoạt động, nghĩa là trong chế độ vận hành bỡnh thường.
Cú thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dũng đột ngột bằng cỏch sử dụng cỏc mạch dập RC (snubber circuit), mắc song song với phần tử. Tuy nhiờn cỏc mạch dập làm tăng kớch thước và làm giảm đồ tin cậy của thiết bị. Giải phỏp tớch cực hơn được đưa ra ở đõy là làm chậm lại quỏ trỡnh khúa của IGBT, hay cũn gọi là khúa mềm (soft turn-off), khi phỏt hiện cú sự cố dũng điện tăng quỏ mức cho phộp. Trong trường hợp này điện ỏp trờn cực điều khiển và Emitter được giảm đi từ từ về đến điện ỏp õm khi khúa. IGBT sẽ chuyển về trạng thỏi khúa qua chế độ tuyến tớnh, do đú dũng diện bị hạn chế và giảm dần về khụng, trỏnh được quỏ ỏp trờn phần tử. Thời gian khúa của IGBT cú thể được kộo dài 5 đến 10 lần thời gian khúa thụng thường.
Cú thể phỏt hiện quỏ dũng bằng cỏch dựng cỏc phần tử đo dũng điện tuyến tớnh như xen xơ Hall hoặc cỏc mạch đo dũng điện trờn shunt dũng. Tuy nhiờn đối với IGBT cú thể phỏt hiện quỏ dũng sử dụng tớn hiệu điện ỏp trờn Collector - Emitter. Khi cú tớn hiệu mở nếu UCE lớn hơn mức bóo hũa thụng thường UCE.bh < 5V chứng tỏ IGBT ra khỏi chế độ bóo hũa do dũng điện quỏ lớn. Một số vi mạch optocoupler được chế tạo sẵn cho mục đớch phối hợp giữa tớn hiệu điều khiển và phỏt hiện chưa bóo hũa ở IGBT, hơn nữa lại cỏch ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. Ngày nay chức năng phỏt xung và bảo vệ IGBT đó được tớch hợp trong cỏc IC chuyờn dụng, tạo thuận lợi lớn cho cỏc nhà thiết kế. Vớ dụ về một mạch tớch hợp như vậy, IRZI37 của International Rectifier được cho trờn hỡnh 1.32.
Trờn hỡnh 1.32 cú thể thấy cực điều khiển của IGBT được cung cấp ba tớn hiệu điều khiển qua ba điện trở, tớn hiệu mở qua HOP, tớn hiệu khúa qua LOP, tớn hiệu khúa mềm qua SSD. Hiệu chỉnh cỏc điện trở này cú thể hiệu chỉnh được cỏc thời gian điều khiển tương ứng. Tớn hiệu DESAT được lấy qua phõn ỏp giữa Collector.và Emitter qua diode nối với Collector, đưa qua mạch lọc phối hợp với tớn hiệu điều khiển khúa, mở, qua mạch NAND đưa ra tớn hiệu chưa bóo hũa (Desal Fault). Qua mạch xử lý logic (khụng thể hiện ở đõy ) tớn hiệu khúa mềm cú thể được đưa đến MOSFETđiều khiển mạch khúa
mềm (soft shutdown) với điện trở đưa đến cực điều khiền cỡ 500, lớn hơn 10 lần so với mạch khúa, mở.
Hỡnh 1.33. Khoỏ mềm bằng IR2137
Tỏc dụng của mạch khúa mềm được minh họa qua đồ thị thực tế trờn hỡnh 1.33. Đường trờn cựng là hỡnh dạng tớn hiệu điều khiển, đường cong ở giữa là điện ỏp UCE, đường cong dưới cựng là dạng dũng điện. Cú thể nhận ra khụng cú quỏ ỏp trờn đường cong điện ỏp nhưng IGBT làm việc trong chế độ tuyến tớnh. trong suốt thời gian T khi dũng điện giảm dần về khụng.
Quỏ điện ỏp xảy ra khi van bị khúa lại tức thời như được minh họa trờn hỡnh 1.34. Trờn hỡnh 1.34 đường cong bờn trờn là dũng điện, bờn dưới là
điện ỏp. Khi van mở ra thỡ bị quỏ tải nờn điện ỏp lại tăng lờn. Sau đú van bị khúa lại tức thời dẫn đến xung quỏ điện ỏp, trong trường hợp này là khoảng 100V, trờn đường cong điện ỏp.