Chống ngắn mạch bán dẫn công suất - Sao Nam Tronics

Giới thiệu về DESATURATION PROTECT

Mosfet, IGBT là các transitor hiệu ứng trường, hầu hết là công nghệ chuyển mạch cứng (Hard switching) được sử dụng trong các ứng dụng chuyển mạch DC thành AC thông qua cuộn cảm. Trong bài viết, sử dụng IGBT làm đại diện, khi chúng ở trạng thái dẫn, luôn có điện áp rơi trên tiếp giáp CE.

Sự cố nổ IGBT, nguyên nhân chính là do quá nhiệt trong tiếp giáp NP khi có sự cố quá dòng xảy ra, IGBT hoạt động ngoài trạng thái bão hòa, hay còn gọi ngoài vùng SOA (Vùng an toàn).

Mọi nguyên nhân dẫn đến phá hủy bán dẫn công suất, đều dẫn đến kết quả cuối cùng là IGBT đã hoạt động trong trạng thái vượt quá độ bão hòa (Saturation), có thể liệt kê do chập tải , điện áp Vge quá cao (Vge càng giảm, dòng qua IGBT càng giảm) hỏng snuber hoặc hỏng khối driver. Liên quan đến điệ áp kích transitor trường, câu chuyện về một lần anh em Sao Nam thiết kế một khối nguồn dòng hàn tải trở thuần với 24 Mosfet công suất mắc song song, điện áp kích 12 V, tần số tùy chỉnh 1 - 100 hz, duty 20-80%. Các tham số cài đặt thay đổi thế nào thì bộ nguồn 12V 200A cũng hoạt động tầm vài giở thì nổ IGBT. Sau, cuối cùng, giảm áp kích Gate mosfet xuống 5V thì bộ nguồn hết gầm, thiết bị chạy bền bỉ.

Có nhiều thiết kế chống quá dòng cho IGBT, phổ biến như sử dụng điện trở Shunt tại cực phát E hay dùng diode kiểm soát bão hòa IGBT. Bài viết này sẽ đề cập đến kiểm soát Saturation trong đa số các thiết bị gia nhiệt cảm ứng với mạch điện tiêu biểu xuất hiện trong rất nhiều thiết kế được chia sẻ qua những hình ảnh tiêu biểu, các circuirt đã loại bỏ bớt râu ria để làm nổi bật cấu trúc muốn mô tả.

Trong điều kiện bình thường, mối nối CE bão hòa tại vài voltage (1-5V) tùy theo thiết kế. Với IBGT trong hình, FF100R12KS4 có ngưỡng bão hòa (VCE sat) tra datasheet nằm trong khoảng 3,2-3,85V theo sự thay đổi của thân nhiệt.

Khi hiện tượng ngắn mạch xảy ra (Do chập tải như L hoặc C, snuber, driver ...), điện áp C-E khi có hiện tượng ngắn mạch sẽ tăng cao, giả dụ trên 7V, mạch bảo vệ sẽ xuất điện áp ngõ ra ở mức cao, ngắt PWM và đưa toàn bộ Gates về trạng thái khóa.

Các bộ so sánh điện áp này đa số được tích hợp trong module driver của hầu hết mọi máy gia nhiệt cảm ứng cao tần. So với các phương pháp kiểm soát dòng khác như Rhunt, kiểm soát VCEsat gây khó cho các bộ so sánh điện áp, đa số không hoạt động khi hai đầu vào gần ở mức oV. Thích hợp ứng dụng kiểm soát, các Op-am Low Offset Voltage được sử dụng. Một số bạn đọc đã ứng dụng nguyên lý để thiết kế, mạch không hoạt động bởi không lưu ý vấn đề này.

Giải thích thêm về nguyên lý hoạt động của bộ phát hiện quá dòng thông qua kiểm soát VCE sat.

Kịch bản như thế này:

Tại thời điểm IGBT tắt, điện áp VCE = 560V. Diode được sử dụng để phát hiện điện áp rơi trên CE. Anode diode được cấp nguồn 15V, Cathode 560 V nên không có dòng Id qua diode.

NGUYÊN LÝ PHÁT HIỆN IGBT BÃO HÒA

Khi On igbt, điện áp rơi trên CE igbt sẽ là 3.3V, nguồn 15V trong vi mạch LM358 chẳng hạn sẽ chảy qua diode. Do điện áp giảm 0.7V trên diode nên ngõ vào cổng (+) sẽ là 4V.

Chúng ta đặt một điện áp tham chiếu mức 4V5. Lúc này, điện áp đầu ra của bộ so sánh vẫn đảm bảo ở mức thấp.

Bây giờ, vì một lý do nào đó gây xảy ra hiện tượng đoản mạch, làm cho điện áp VCE tăng cao, giả định 7V, điện áp đầu vào = 7.7V, vượt ngưỡng tham chiếu, đầu ra sẽ ở mức cao, báo quá dòng đã xảy ra.

 

Có hai phương pháp để bảo vệ quá dòng, phương pháp điện áp bão hòa bằng các đo VCEsat và phương pháp điện trở Shunt nối E với Vee để phát hiện dòng điện. Nếu chỉ đơn giản là cố gắng bảo vệ IGBT khỏi ngắn mạch thì phương pháp phát hiện điện áp rơi VCEsat là khả thi, tuy nhiên, việc phát hiện có thể thất bại như thể dòng điện resin (tốc độ tăng) không đủ nhanh thì IGBT có thể bị nóng chảy trước khi mạch có thể tắt kịp thời. Đối với MOSFET, phương pháp phát hiện điện áp sẽ quá chậm, chính vì vậy, thế gian hình như chưa ai ứng dụng Desaturation protect đối với bán dẫn Mosfet.

Phương pháp phát hiện dòng bằng điện trở shunt cho đến nay là tốt nhất vì mạch vừa có thể phát hiện ngắn mạch vừa cung cấp phản hồi cho mạch điều khiển dòng điện, còn kiểm soát VCEsat thì đơn thuần chỉ can thiệp ngắt pwm mà thôi vì VCEsat luôn dao động trong khoảng 0-560V nên hoàn toàn không có giải pháp trích xuất về bộ tạo dao động.

Hình dạng một mạch Desaturation protect trong thực tế:

 

Hình 2. Mạch Driver IGBT, máy gia nhiệt cảm ứng cao tần 30Kw

 

Hình 3. Minh họa dạng sóng Vce IGBT-Soft switching với tải cảm ứng, thiết bị dùng nguồn 1 phase 220V

Quan sát dạng sóng tại CE ta thấy khi IGBT dẫn, điện áp trên CE bằng zero tuyệt đối, đây là trường hợp sử dụng các IGBT công nghệ chuyển mạch mềm khá đặc biệt, chỉ gặp trong bếp từ, máy in laser. Đối với các trường hợp sử dụng loại IGBT này, không có mạch kiểm soát Vcesat. Do không tìm thấy nguồn hình ảnh dạng sóng Vce với Hard switching nên chúng tôi mượn tạm hình trên để minh họa cho lý thuyết.