Н.В. Клиначев, Д.В. Коробатов, Г.Т. Хафизов

Моделирование траектории переключения IGBT-транзистора
М2ТКИ-1200-12К (FF1200R12KE3)

Рабочие файлы: [DC-bus = L + C]

Биполярные транзисторы с затвором М2ТКИ-1200-12К относятся к группе полупроводниковых приборов, уникальных по своим характеристикам. Процессы переключения этих транзисторов имеют отличие, не свойственное маломощным ключам. И далеко не каждый инженер может купить столь уникальное изделие и самостоятельно приобрести опыт работы с ним. Прежде всего, следует отметить, что эти приборы имеют как силовые выводы коллектора и эмиттера, так и потенциальные. Последние появились у этих приборов из-за паразитной индуктивности силовых, которая столь же велика, сколь и геометрия корпуса. Наибольшая паразитная индуктивность и наибольшая величина коммутируемого тока (в группе управляемых полупроводниковых приборов) стали определяющими факторами влияния на процессы переключения. Рассмотрим последние, а чуть ниже по тексту объясним, зачем необходимы потенциальные выводы коллектора и эмиттера.

В первом приближении, схему замещения IGBT-транзистора можно составить с применением полевого и биполярного транзисторов. Но при качественном анализе траекторий переключения достаточно рассматривать лишь силовой ключ (биполярный транзистор). Интерактивная модель к анализу переходного процесса представлена на чертеже 1. Уточним, что прибор М2ТКИ-1200-12К содержит два однотипных транзистора, которые, в типовом случае, применяются для сборки стойки силового трехфазного моста питающего электродвигатель. На чертеже представлен нижний транзистор стойки с паразитными индуктивностями силовых выводов. И диод верхнего транзистора с суммарной паразитной индуктивностью то же номинала. Цепь диода шунтирует нагрузку – секцию обмотки статора электродвигателя. Для нагрузки и цепи обратного диода задано начальное условие к вычислительному эксперименту – ток 1000 ампер (см. параметры индуктивностей). Питается схема от источника ЭДС, 28 В. Отпирается и запирается транзистор источником тока, который позволяет менять скорость приращения тока базы. Частота переключения очень высокая – недопустима для данных транзисторов. Но модель предназначена лишь для изучения процессов переключения. Нижний осциллограф настроен для анализа временных процессов. Верхний визуализирует годограф в плоскости области безопасной работы (по горизонтали – ось напряжения, вертикальная ось – тока). К потенциальным выводам коллектора и эмиттера подключен резистор большого номинала со встроенным датчиком падения напряжения (пробник).

Модель к изучению влияния паразитной индуктивности
выводов коллектора и эмиттера силового IGBT-транзистора
М2ТКИ-1200-12К на процессы коммутации

Воспользуйтесь контекстным меню чертежа, запустите вычислительный эксперимент. Ознакомьтесь с осциллограммами. Убедитесь в наличии выбросов напряжения в момент запирания силового транзистора на потенциальных выводах коллектора и эмиттера, которые десятикратно превышают напряжение питания схемы.

Сравним транзисторы с номинальным током коллектора 30 ампер и 1 кА. Геометрия выводов внутри корпуса последних, грубо, раз в 30 больше. Во столько же раз больше паразитная индуктивность. Коммутируемый ток так же отличается в 30 раз. А вот запасаемая паразитной индуктивностью энергия, $W=L_{кэ}I^2/2$, больше в 30 тысяч раз. Таким образом, переход от 30-ти амперной преобразовательной техники к кило-амперной сопровождается изменением влияющего фактора на три, четыре порядка.

Уменьшите паразитные индуктивности выводов коллектора, эмиттера, обратного диода и шаг симуляции в 30 раз. Запустите вычислительный эксперимент. Убедитесь в том, что импульсы перенапряжения отсутствуют. Верните модель к исходному состоянию.

Согласно паспорту, номинальное напряжение коммутируемое транзистором М2ТКИ-1200-12К – 1200 В. Каскад, представленный на чертеже 1, запитан от 28 вольт. Напряжение выбрано низким для наглядности. Но запасаемая энергия, ровно, как и амплитуда импульса напряжения зависят лишь от величины коммутируемого тока.

Увеличьте напряжение питания каскада, активное и индуктивное сопротивление нагрузки в 10 раз. Верхний предел для осей напряжения осциллографов – в три раза. Запустите вычислительный процесс. Убедитесь в том, что амплитуда импульса напряжения при запирании транзистора не изменилась. Верните модель к исходному состоянию.

Известно схемотехническое решение, которое позволяет формировать траекторию включения силового транзистора, коммутирующего активную или активно-ёмкостную нагрузку. Оно заключается в установке малой индуктивности (в некоторых случаях с насыщающимся сердечником) в цепь коллектора и шунтировании её обратным диодом с последовательно включенным резистором для рассеивания энергии. Но это решение подходит лишь 30-ти амперной преобразовательной технике. Потенциальные выводы кило-амперных транзисторов не рассчитаны на импульсный ток разряда паразитной индуктивности. И даже если бы они были усилены производителем, то они бы имели ту же паразитную индуктивность. Разместить же обратные диоды в корпусе транзистора то же невозможно – силовые выводы станут лишь длинней. Единственное, что теоретически можно сделать – подключить параллельно нагрузке импульсный конденсатор с нормированным внутренним сопротивлением активного характера. Но опять же и у него есть паразитная индуктивность.

Зашунтируйте нагрузку конденсатором (его нижний по чертежу вывод отключите от земли и подключите к аноду диода). Запустите процесс расчёта модели. Убедитесь в том, что амплитуда импульса на потенциальных выводах транзистора уменьшилась в два раза. Лучшего результата добиться нельзя. Причина в том, что импульс складывался из падений напряжения на четырех паразитных индуктивностях. Падения напряжения на двух из них (в цепи обратного диода верхнего транзистора) конденсатор заблокировал. Убедитесь в этом. Переключите пробник к силовому выводу коллектора и к земле. Запустите вычислительный эксперимент. Верните модель к исходному состоянию.

...

...

...

5.08.2015