התקני IGBTscan נמצאים כיום בהתקנים להספק גבוה עם קיבולי gate שנמדדים בפועל במאות ננו פראד. על אף שיש צורך רק לטעון ולפרוק את הקיבול הזה על מנת לפתוח ולסגור את התקן IGBT, הזרם העובר הלוך ושוב לביצוע הפעולה גורם לפיזור הספק משמעותי על פני מפלי המתח שבתוך המעגל הדוחף את חיבור ה-gate ובתוך התקן IGBT.
איור 1. בעת כיבוי עם השראות תועה-פרזיטית L, שינוי di/dt שלילי יוצר מתח שלילי בחיבור ה-emitter שמתנגד למתח הכיבוי
בהתקני הספק גבוה, במהפכים (inverter) ובממירים משתמשים בדרך כלל בתצורת ‘גשר’ כדי ליצור מתח חילופין בתדר הרשת או כדי לספק הינע PWM דו כיווני למנועים, לשנאים או לעומסים מסוגים אחרים. מעגלי גשר כוללים התקני IGBT שחיבורי ה-emitter שלהם ממתגים צמתים במתח גבוה ותדירות גבוהה, כך שאות PWM שדוחף את חיבור ה-gate, וקווי ההספק הדוחפים הקשורים להם אשר משתמשים בחיבור ה-emitter כבייחוס, צריכים “לצוף” ביחס להארקת המערכת, והם נקראים דוחפי “הצד הגבוה”. דרישות נוספות קובעות שמעגל הדחיפה צריך להיות חסין לשינויי dV/dt גבוהים בצמת המיתוג, ולהיות בעלי קיבול צימוד נמוך ביותר. מגמה שעולה ומתרחבת היא השימוש בממיר מתח ישר למתח ישר כדי ליצור קווי אספקת מתח מיטביים עבור מעגלי הדחיפה “הצפים” האלו בעזרת התקן IGBT. כשיקול ראשוני יש להגדיר את המתחים במצבי הפתיחה והסגירה של חיבור ה-gate. לדוגמה, התקן IGBT אופייני הוא FZ400R12KE4 של Infineon. סף הפתיחה המזערי שלו הוא 5.2 וולט ב-25 מעלות, בפועל יש להפעיל עליו 10 וולט לפחות, על מנת להבטיח רוויה מלאה עם הזרם המוגדר של 400 אמפר בחיבור ה-collector. לרכיב יש מתח חיבור gate מרבי של
±20 וולט, כך ש- +15 וולט הוא ערך מתאים לצורך כך, עם קצת שוליים. ערכים גבוהים יותר יגרמו לפיזור הספק מיותר במעגל הדחיפה של ה-gate. עבור מצב הסגירה (כיבוי) מתח של 0 וולט ב-gate יכול להיות מתאים. עם זאת, מתח שלילי, בדרך כלל של -5 ו- -10 וולט מאפשר מיתוג מהיר בבקרה של נגד חיבור ה-gate. בנוסף, יש לשקול את העובדה, שכל ההשראות שקיימת בחיבור ה-emitter בין התקן IGBT לבין נקודת הייחוס של התקן הדחיפה (נקודה x באיור 1) גורמת למתח הפוך בין חיבור ה-gate לבין חיבור ה-emitter בעת כיבוי התקן IGBT. בעוד שההשראות יכולה להיות קטנה, השראות של 5 ננו הנרי בלבד יכולה להפיק 5 וולט ב-di/dt של 1000 אמפר למיקרו שנייה, שינוי שאינו נדיר כל כך. 5 ננו הנרי הם רק כמה מילימטרים של חיבור מוליכים (ל-FZ400R12KE4 יש השראות מארז תועה-פרזיטית של 16 ננו הנרי). מתח דחיפה שלילי מתאים מבטיח שמתח הכיבוי בין חיבור ה-gate וה-emitter יהיה תמיד אפס או פחות.
מתח דחיפה שלילי בחיבור ה-gate עוזר להתגבר על התופעה של קיבול Miller בין חיבורי ה-collector וה-gate שמופיעה בזמן כיבוי ההתקן, קיבול אשר גורם להזרקת זרם לתוך מעגל הדחיפה של ה-gate. כאשר על התקן IGBT מופעל כיבוי, המתח בין ה-collector וה-gate עולה וזורם זרם דרך קיבול Miller בערך של
איור 2. הזרם דרך Cm, קיבול Miller, גורם לפתיחת התקן IGBT
Cm dvce/dt אל תוך הקיבול Cge שבין ה-gate ל-emitter ודרך נגד חיבור ה-gate אל מעגל הדחיפה (עיין באיור 2). המתח שנוצר Vge בחיבור ה-gate יכול להספיק כדי לפתוח את התקן IGBT שוב, עם האפשרות שייווצר מעבר חיבורים פתוח (shoot-through) וייגרם נזק. דחיפת חיבור ה-gate במתח שלילי משככת את התופעה הזו. ממיר מתח ישר למתח ישר עם יציאות של +15 וולט ו- -9 וולט מספק את המתחים המיטביים לדחיפת ה-gate. יש לטעון ולפרוק את חיבור ה-gate של התקן IGBT בכל מחזור דרך Rg. אם דף הנתונים של התקן IGBT מספק את עקומת המטען של ה-gate, היחס הוא:
P = Qg. F .Vs
כאשר P הוא הספק הדחיפה של ה-, Qg הוא המטען המופיע בדף הנתונים עבור תנודת המתח (voltage swing) הנבחרת בחיבור ה-gate, חיובית לשלילית, של הערך Vs. אם בדף הנתונים לא מופיעה עקומת המטען אלא רק ערך של Qg במתחי gate מסוימים, אפשר לבצע קירוב לערך של Qg בתנודות אחרות של מתחי gate על ידי כפל היחס הממשי בתנודות המתח שבדף הנתונים. לדוגמה ל-FZ400R12KE4 יש ערך Qg של 3.7 מיקרו קולון בתנודת מתח gate של ±15 וולט (סך הכל 30 וולט). עבור תנודה של +15/-9 וולט (סך הכל 24 וולט), הקירוב של מטען ה-gate הוא:
Qg = 3.7e-6· 24/30 3 µC
ב-10 קילו הרץ, נדרש במצב זה לדחיפת
ה-gate הספק של:
Pg = 3e-6· 10e3· 24 0.72 W
איור 3. ממיר מתח ישר למתח ישר של מעגל דחיפת IGBT של חברת Murata Power Solution, MGJ2
כשלוקחים בחשבון הפחתה ואפשרות להפסדים מקריים אחרים, ממיר מתח ישר של מתח ישר של 2 וואט יכול להתאים. בדוגמה שלנו, עם מתח gate כולל של 24 וולט, אנרגיית הטעינה ואנרגיית הפריקה חייבות להיות זהות באותו המחזור, כך שהזרמים הממוצעים של הטעינה והפריקה חייבים להיות זהים, 30 מילי אמפר כפי שנתון על ידי Pg/Vs. זרם השיא Ipk הנדרש כדי לטעון ולפרוק את ה-gate הוא פונקציה של Vs, התנגדות ה-gate של התקן IGBT, Rint, וההתנגדות החיצונית Rg.
Ipk = Vs/()
ל-FZ400R12KE4 יש Rint של 1.9 אוהם כך שעם נגד חיצוני אופייני של 2 אוהם ותנודה של 24 וולט, זרם השיא יהיה יותר מ-6 אמפר. את זרם השיא הזה חייבים לספק באמצעות קבלי צבירה (bulk) בקווי האספקה של מעגל הדחיפה, מפני שלא סביר שלממיר מתח ישר למתח ישר יהיו קבלי מוצא בעלי נפח גדול מספיק כדי לספק את הזרם הזה ללא נפילת מתח משמעותית. מובן שמעגל הדחיפה עצמו חייב להיות מוגדר עבור ערכי זרם שיא אלו כפי שחייבים גם להיות נגדי ה-gate. עבור הדוגמה שלנו, סך כל אנרגיית הדחיפה של ה-gate נתונה על ידי:
E = Qg· Vs = 72 µJ
קבלי הצבירה בקווי אספקת המתח +15 ו- -9 וולט מספקים את האנרגיה הזאת באופן יחסי למתחים שעליהם, כך קו האספקה של +15 וולט מספק 45 מיקרו ג’אול. אם נניח שאסור למתח של קבל הצבירה בקו +15 וולט ליפול בכל מחזור ביותר מכ-0.5 וולט, עלינו לחשב את הקיבול המזערי C על ידי השוואת האנרגיה המסופקת להפרש שבין האנרגיה של הקבל במתח ההתחלה לבין זו שבמתח הסיום, כלומר:
45µJ = 1/2· C(Vinit2 – Vfinal2)
C = (45e-6· 2)/(152 – 14.52) 6.1µF
על אף שקו האספקה של -9 וולט מספק את מחצית האנרגיה בערך, נדרש לו קבל בעל ערך זהה עבור נפילה של 0.5 וולט, מפני שנפילה זו מהווה אחוז גבוה יותר מהערך ההתחלתי.
שיקולים לגבי ממיר מתח ישר למתח ישר
הערכים המוחלטים של מתחי דחיפת ה-gate אינם קריטיים יותר מדי, כל עוד הם נמצאים מעל המינימום, נמצאים ברווחה מתחת לרמות הפריצה ובעלי פיזור ההספק סביר. לכן, ממירי מתח ישר למתח ישר המספקים את הספק הדחיפה יכולים להיות מסוגים לא מיוצבים, אם מתח הכניסה של הממירים קבוע, באופן כללי. עם זאת, שלא כמו רוב היישומים שבהם משמשים ממירי מתח ישר למתח ישר, העומס קבוע למדי בזמן שהתקן IGBT פועל במיתוג בכל מחזור פעולה. לחלופין, העומס קרוב לאפס כאשר התקן IGBT אינו ממתג. לממירי מתח ישר למתח ישר נדרש לעתים קרובות עומס מזערי, אחרת מתחי המוצא שלהם יכולים לגדול באופן חריג, לפעמים, אף עד לרמת הפריצה של ה-gate. מתח גבוה זה מאוחסן בקבל הצבירה החיובי, באופן כזה, כאשר התקן IGBT יתחיל למתג, הוא עלול ‘לראות’ מתח יתר ב-gate, עד אשר הרמה תרד אל מתחת לעומס הרגיל. לכן יש לבחור את ממיר המתח הישר למתח הישר באופן כזה שיהיו לו מתחי מוצא מרותקים או שהמתח המזערי שיידרש לו יהיה אפס.
אין לדחוף התקני IGBT באופן פעיל באותות PWM עד שקוי אספקת מתח הדחיפה יימצאו בערכים הנכונים. עם זאת, מאחר שממירי המתח הישר למתח הישר לדחיפת ה-gate מופעלים או מופסקים, ייתכן שיתקיימו תנאי מעבר שבהם יופיעו מתחי דחיפה להתקני IGBT, גם אם אות PWM לא יהיה פעיל, והם יגרמו להופעה של מעבר חיבורים פתוח ונזק. לכן, ממירי המתח הישר למתח הישר ‘צריכים להתנהג יפה’ עם זמני עלייה וירידה קצרים אחידים ומונוטוניים. בקרת הפעלה והפסקה עיקרית עם ייחוס יכולה לאפשר יצירת רצף הפעלה של הממירים בגשר ולהפחית את הסיכון להופעת מעבר חיבורים פתוח.
ממירי מתח ישר למתח ישר המיועדים לדחיפת ‘הצד הגבוה’ של התקני IGBT ‘רואים’ את המתח של ‘קישור המתח הישר’ הממותג על פני המחסום שלהם. מתח זה יכול להיות ברמה של כמה קילו וולטים עם שפות מיתוג מהירות ביותר מ-10 קילו וולט למיקרו שנייה, ואף יותר. התקני GaN חדשים יכולים למתג 100 קילו וולט למיקרו שנייה ואף יותר. dv/dt גבוה כזה גורם לזרם העתקה (displacement current) דרך הקיבול של מחסום הבידוד בממיר המתח בערך של:
I = C· dv/dt
באופן כזה בקיבול של 20 פיקו פראד בלבד ו-10 קילו וולט למיקרו שנייה, יש השראה של 200 מילי אמפר. זרם זה עובר במסלול ביניים להחזרה דרך מעגל הבקר, חזרה אל הגשר, וגורם לתופעות מעבר חדות (spike) על פני ההתנגדויות וההשראויות, אשר עלולות לגרום לשיבושים בפעולת הבקר וממיר המתח הישר למתח הישר עצמו. לכן רצוי להוסיף קיבול צימוד נמוך והמתאים ביותר הוא בן 15 פיקו פראד.
כאשר דחיפת IGBT מופעלת בממיר מתח ישר למתח ישר מבודד, המחסום שבממיר אמור לעמוד במתח הממותג המופעל על התקני IGBT, שעלול להיות כמה קילו וולטים בכמה עשרות קילו הרץ. מאחר שהמתח ממותג, ביצועי המחסום ייפגעו עם הזמן יותר מאשר בתנאים של מתח ישר כתוצאה מתופעות אלקטרו מכניות ומצבים של פריקה חלקית שיפעלו על החומר של המחסום. לכן ממיר המתח הישר למתח הישר חייב להיות עם בידוד עמיד ועם מרחקי זחילה (creepage) ועם מרווחים נדיבים. אם המחסום של הממיר מהווה גם חלק ממערכת בידוד בטיחות, התקנות הישימות חלות גם על רמת הבידוד הנדרשת (בסיסית, נוספת, מחוזקת), על מתח הפעולה, דרגת הזיהום, סיווג מתח היתר והגובה מעל פני הים).
את מעגל דחיפת IGBT ואת ממיר המתח הישר למתח הישר שלו מומלץ להציב קרוב ככל האפשר להתקן IGBT על מנת למזער את קליטת הרעש ואת מפלי המתח. כתוצאה מכך, הרכיבים מוצבים בסביבה עם אפשרות לטמפרטורה גבוהה שבה האמינות קטנה ואורך החיים מתקצר. יש לבחור את ממירי המתח הישר למתח ישר עם דירוג מתאים וללא רכיבים פנימיים, עם פגיעות משמעותית לטמפרטורה, כגון קבלים אלקטרוליטיים ומצמדים אופטיים. ערכי MTTF בדפי הנתונים יתייחסו בדרך כלל לטמפרטורות של 25 או 40 מעלות צלזיוס ולכן יש לעשות בהם אקסטרפולציה לטמפרטורות העבודה הממשיות.
פול לי (Paul Lee) מנהל פיתוח עסקי, Murata Power Solutions, בריטניה
תרגום ואדיבות על ידי חברת טרייטק
