3.3.2. Область безопасной работы при коротком замыкании

Большинство устройств преобразования энергии требует, чтобы примененный ключ выдерживал короткое замыкание на выходе системы без каких либо повреждений. При обсуждении способности противостоять коротким замыканиям модулей IGBT обычно рассматриваются два различных случая: Случай 1 -> включение IGBT в цепи короткозамкнутого контура. Случай 2 -> короткое замыкание нагрузки или замыкание на землю через включенный IGBT.

На рисунке 3.15. показаны схемы и осциллограммы для каждого случая. В случае 1, когда IGBT включается, начальная скорость подъема I_C определяется индуктивностью монтажа L₁ . Во время заряда индуктивности L₁ напряжение V_CE падает до некоторой величины ниже напряжение V_CC. Вскоре после этого напряжение V_CE переключается обратно до почти полного напряжения V_CC. Величина при обратном переключении связана с емкостью затвора через емкость обратной передачи, т.о. вызывая мгновенный подъем напряжения на затворе. Это избыточное напряжение на затворе мобилизует большую электронную и дырочную плазму внутри структуры модуля IGBT. Это, в свою очередь, приводит к увеличению амплитуды тока коллектора в течение нескольких микросекунд. Схемные решения (т.е. компоновка, условия смещения, выбор R_g , максимальное напряжение питания и т.п.) важны для ограничения величины тока короткого замыкания в этом состоянии высокой инжекции.

Рис. 3.15. Случаи короткого замыкания

1 - короткое замыкание

2 - IGBT включен

3 - включенное состояние

4 - нагрузка закорочена

5 – случай

Благодаря высокой плотности тока внутри силикона внутренняя температура IGBT поднимается и это приводит к снижению амплитуды тока короткого замыкания до величины, которая соответствует так называемому току насыщения. Для защиты устройства от разрушения этот ток необходимо отключить в пределах оговоренного интервала времени, который обычно определяется шириной входного импульса затвора, t_w. При выключении IGBT быстрый спад тока коллектора через индуктивность проводников питания L₁, вызывает выброс напряжения V_CE, равный:

Мгновенное значение напряжения коллектор - эмиттер, V_CE, включая указанный выброс напряжения, не должно выходить за установленные пределы напряжения, указанные в SCSOA – 32 (см. рис. 3.16.).

Рис. 3.16. SCSOA - область безопасной работы при коротком замыкании 1 - условия

В случае 2 внешнее короткое замыкание возникает, когда IGBT уже находится во включенном состоянии (см. рис. 3.15b). Возрастающий ток короткого замыкания заставляет чип IGBT выйти из насыщения, вызывая подъем напряжения коллектор - эмиттер от величины V_CE(sat) до почти полного напряжения V_CC. Скорость изменения напряжения в течение выхода IGBT из насыщения может быть выше, чем в случае 1, и имеет обратную связь через емкость обратной передачи, которая в этом случае выше при малом напряжении насыщения и может привести к более высокому всплеску напряжения на затворе. В результате величина тока короткого замыкания в случае 2 может достигать значительно более высоких значений, чем в случае 1. На рисунке 3.16. самоограничение тока короткого замыкания для случая 1 показано белым участком диаграммы. В случае 2 должны быть предусмотрены все меры для того, чтобы ток короткого замыкания не возрос более десятикратного регламентированного тока, являющегося абсолютным пределом (затемненный участок на рисунке 3.16.).

Примечания

1. SCSOA действительна для длительности импульса на затворе t_w <,= 10 мкс.

2. SCSOA характеризует устойчивость к неповторяющимся коротким замыканиям. Модули IGBT Н-серий могут выдерживать до100 случаев короткого замыкания.