Per assicurare che i componenti di potenza siano protetti in modo affidabile dagli effetti di condizioni operative non ammissibili, sono necessari sistemi di rilevazione di errori veloci e misure protettive efficaci. Nei moduli di potenza, la gestione degli errori può essere realizzata sia con un controller di sistema sia tramite il driver. Il controller di sistema è adatto per reagire allo slow failure mode, come il surriscaldamento causato da temperature troppo elevate. Al contrario, l'elettronica dei driver è necessaria per rilevare e rispondere agli errori improvvisi. Oggi sono disponibili sul mercato diversi concetti di driver, che si distinguono in base alla loro applicabilità, efficienza e affidabilità.
Rilevare i corto circuiti
Errori veloci, nei converter di potenza, includono corto circuiti e sovratensioni indotte dal circuito. I corto circuiti sono gli errori più veloci. Quando vengono commissionati sistemi elettronici di potenza, errori di connessione e isolamento sono spesso causa di corto circuiti, mentre nelle applicazioni sul campo i corto circuiti possono essere provocati da componenti guasti. Se un corto circuito accade nel percorso verso il carico o in un ramo del ponte, la corrente di collettore dell'Igbt aumenta vertiginosamente, causando la desaturazione del transistore. I moduli Igbt oggi disponibili sul mercato sono a prova di corto circuito solo per un breve tempo. Per evitare che l'Igbt venga distrutto da carichi termici, è cruciale che il corto circuito venga rilevato in questo periodo di sicurezza e spento in modo affidabile. L'elettronica dei driver può rilevare corto circuiti per mezzo della misura del di/dt o monitorando la VCE.
Nell'investigazione del di/dt, l'elettronica del driver misura il tasso di variazione della corrente dell'Igbt. La caduta di tensione sull'induttanza parassita tra gli emettitori ausiliari e di potenza è proporzionale alla variazione (di/dt) della corrente di collettore. Confrontando le tensioni con una tensione di riferimento, può essere rivelato un corto circuito veloce. Per monitorare corto circuiti lenti, questo metodo utilizza i componenti resistivi del bondaggio e delle busbar interne tra emettitori di potenza ed ausiliari. In ogni caso questo metodo dipende anche dalle connessioni a vite usate per le connessioni di potenza. Esse mostrano una certa distribuzione nella caratteristica della resistenza di contatto, e devono essere prese in considerazione nelle connessioni seriali con gli altri componenti ohmici. Ciò richiede un adattamento preciso al sistema. In generale, la rivelazione del di/dt può essere implementata solo nei moduli Igbt con un'uscita ausiliaria per l'emettitore.
Il monitorggio della VCesat utilizza la correlazione tra corrente di collettore e tensione di on-state. Per fare ciò, viene misurata la tensione collettore-emettitore e comparata con una tensione dinamica di riferimento per mezzo di un comparatore. Se la lettura di tensione è maggiore della tensione di riferimento, l'elettronica del driver automaticamente spegne il transistore. A causa del rapido aumento della tensione del transistore, il monitoraggio della Vce è un metodo affidabile per rilevare corto circuiti. Il vantaggio del monitoraggio della Vce è che i corto circuiti sono rilevati velocemente ed è un metodo adatto per ogni Igbt standard. Nel caso il corto circuito si verifichi in concomitanza di una elevata induttanza, ad esempio sul lato di potenza, la corrente di collettore aumenta molto lentamente. In questo caso, la tensione Vce deve essere aggiornata di conseguenza. Per applicare il metodo della Vce alla rilevazione di sovracorrenti, può essere utilizzato un monitoraggio multi-stadio della Vce. A questo punto, vengono definite diverse soglie di intervento con determinati tempi di riferimento. Lo svantaggio di questo metodo, comunque, è la dipendenza dalla temperatura, così come la complessità nell'adattare gli stadi individuali al dato sistema. In generale, un modo più efficace ad affidabile di rilevazione di sovracorrenti lente è quello di utilizzare sensori integrati di corrente. Oltre alla rilevazione di errori veloci, è anche cruciale una risposta efficace e affidabile al corto circuito. Se i driver sono utilizzati in applicazioni multilivello o in drive per motori sincroni, il master controller dovrebbe essere responsabile per lo spegnimento del sistema. In questo caso, il driver manda solo il segnale di errore isolato al controllore e aspetta istruzioni. Nelle applicazioni multilivello, per esempio, se il driver spegne direttamente il semiconduttore di potenza e dopo manda il segnale al controller, l'intera tensione del Dc link potrebbe essere presente su un Igbt per tutta la trasmissione e tempo di risposta del segnale. Ciò porterebbe alla distruzione del modulo. In ogni caso nella maggior parte delle applicazioni è più sicuro permettere ai moduli di potenza di spegnersi direttamente attraverso il driver. Quest'ultimo può rispondere più velocemente, dal momento che non deve aspettare che il processo di trasmissione del segnale sia completato, ma può spegnere il modulo indipendentemente dal lato secondario. Il driver assicura di evitare gli spike di tensione quando si spengono le correnti di corto circuito per mezzo di funzioni di spegnimento soft-off o a due livelli. Quindi il driver spegne più lentamente gli Igbt che hanno una più alta resistenza di gate, proteggendo in questo modo il modulo dal superamento della Soa (Safe operating area).
Sovratensione indotta dal circuito
Il secondo tipo di errore veloce risulta dalle sovratensioni indotte dal circuito. Le sovratensioni che si verificano durante lo spegnimento devono essere rilevate e ridotte velocemente in modo da evitare il danneggiamento del modulo a Igbt. Le sovratensioni switching provengono dalle induttanze parassite nel circuito di potenza,ad esempio come conseguenza delle busbar. Le sovratensioni indotte esternamente sono lente e possono essere controllate più efficacemente per mezzo del monitoraggio della tensione del Dc link. L'elettronica del driver può controllare le sovratensioni direttamente tramite un clamp attivo, o usando un IntelliOff, una caratteristica di spegnimento intelligente utilizzata per ridurre spike critici di tensione. Il clamping attivo riaccende l'Igbt non appena si verifica una sovratensione. Il processo di ricarica del gate è essenzialmente controllato da un elemento centrale tra collettore e gate allo scopo di ridurre la sovratensione. Dunque il valore di sovratensione corrisponde al massimo alla tensione dello Zener. Il transistore opera ancora una volta nella safe operating area, ma converte in calore l'energia immagazzinata in Lk. Durante questo processo, sostanziali perdite aggiuntive si verificano nell'Igbt in un tempo molto breve. Queste perdite accelerano il processo di invecchiamento dei componenti e limitano l'affidabilità del sistema di converter.
Lo spegnimento intelligente
Un modo per prevenire il verificarsi di sovratensioni sarebbe quello di usare la caratteristica di spegnimento IntelliOff. Questa permette uno spegnimento ottimizzato, combinando i vantaggi di una risposta dello switch virtualmente immediata con un soft turn-off. Il processo di spegnimento stesso viene ottimizzato per mezzo dell'IntelliOff grazie alla scarica del gate a diverse velocità. Per cominciare, il driver inizia il processo di turn-off dell'Igbt il più velocemente possibile. Non appena il processo di spegnimento entra nella fase di sovratensione, il driver rallenta il processo di turn-off e, in contemporanea, lavora attivamente contro le sovratensioni. Infine, Il driver spegne il modulo in modo sicuro e affidabile. Non appena arriva il segnale di spegnimento, il driver genera la carica negativa di gate. Il processo di scarica delle capacità gate collettore ed emettitore inizia e la corrente di gate raggiunge il suo picco negativo (periodo 0). A causa dell'effetto Miller, che descrive il processo del feedback capacitivo che si oppone al processo di spegnimento, la tensione gate emettitore rimane ad un livello superiore per un certo tempo (periodo 1). L'IntelliOff riduce questo tempo di scarica grazie ad una bassa resistenza di spegnimento e permette di velocizzare il processo. Durante il periodo 2, un'elevata resistenza rallenta il processo di spegnimento, evitando in questo modo gli spike di tensione indotti dal circuito (periodo 2). Senza IntelliOff, una sovratensione potrebbe verificarsi in questa fase che, nel caso di clamping attivo, produrrebbe perdite aggiuntive e, se non vengono prese opportune misure protettive, potrebbero portare in definitiva alla distruzione del modulo. Una volta trascorso il tempo critico dello spike di tensione, il driver stabilisce - per mezzo della funzione di IntelliOff - la connessione parallela delle resistenze di turn-off, assicurando che gli Igbt vengano spenti in modo sicuro ed efficiente. Il semplice adattamento è reso possibile grazie ad una costante di tempo regolabile tra la resistenza di turn-off superiore ed inferiore. Le nuove generazioni di Igbt, in particolare, hanno caratteristiche switching molto veloci e dure. La funzione di IntelliOff può assicurare uno spegnimento più veloce senza il rischio di spike di tensione critici e, di conseguenza, contribuisce ad assicurare una performance ottimale nei nuovi moduli Igbt. Concetti alternativi di protezioni, al contrario, rispondono limitando la prestazione del modulo Igbt e producendo perdite aggiuntive.
La protezione ideale
Il concetto ideale di protezione per i driver di gate dipende dalla data applicazione. In generale, comunque, si raccomanda di investigare ed analizzare i meccanismi di errore durante la fase di dimensionamento del sistema. Usare il driver di gate per compensare in modo permanente condizioni non ammissibili non è una soluzione efficiente e riduce l’affidabilità in un contratto. Un modo più efficace di fornire protezioni per sovratensioni consiste nell’usare la funzione IntelliOff, che previene innanzitutto gli spike di tensione. In monitoraggio della VCE è un metodo di rilevazione affidabile di corto circuiti ed ha numerosi vantaggi per quanto riguarda il calcolo del di/dt, grazie alla facile adattabilità ed applicabilità in ogni modulo standard.
Oggi sono disponibili sul mercato diverse soluzioni di protezione per i driver, che vanno dalle funzioni di protezione standard fino a soluzioni per driver altamente complesse. Con semplici soluzioni driver, comunque, gli utenti devono integrare le stesse funzioni protettive e provvedere alla protezione del driver per il sistema nel suo complesso. Ciò può risultare piuttosto costoso, e le protezioni per i driver sono spesso sottostimate. Soluzioni per driver molto complesse, in contrasto, hanno spesso lo svantaggio che l’implementazione del sistema è abbastanza sofisticata e la vita di servizio spesso limitata. Una soluzione ottimale deve soddisfare i requisiti di affidabilità, ma dovrebbe anche tener conto di tutte le considerazioni relative ai prezzi delle applicazioni di produzione di massa.
