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di Matthias Diephaus, Toshiba Electronics Europe

Per controllare inverter ad alta potenza basati su IGBT in applicazioni come azionamenti per motori, saldatrici industriali e gruppi di continuità, i gate-driver ottici (fotoaccoppiatori) garantiscono un isolamento galvanico che è molto importante per proteggere l’utente e i circuiti di controllo a bassa tensione dalle condizioni potenzialmente pericolose sul lato ad alta tensione.

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L’isolamento galvanico non è comunque l’unico aspetto da considerare per ottenere il miglioramento che desideriamo. Allo stesso tempo, serve una protezione supplementare per impedire alle correnti di cortocircuito di danneggiare i transistor di potenza (Figura 1), e ciò può incidere significativamente sulle dimensioni complessive dell’inverter.

Una soluzione alternativa consiste nell’integrare un’idonea protezione direttamente nel fotoaccoppiatore (realizzando un driver intelligente), che permette di sfruttare meglio lo spazio disponibile e di ottenere una protezione ottimizzata altrimenti non semplice da progettare utilizzando dei componenti discreti. È possibile integrare anche un circuito di retroazione isolato per l’indicazione dei guasti, per ottenere un sottosistema completo di pilotaggio e accoppiamento intelligente che fa risparmiare componenti e spazio su scheda, migliorando altresì l’affidabilità del sistema complessivo.

Figura 1. Le correnti di cortocircuito possono danneggiare i transistor di potenza dell’inverter.

 

Protezione dalle sovracorrenti

Gli IGBT che fanno parte del circuito a ponte dell’inverter possono essere sottoposti a correnti eccessive nel caso di un cortocircuito sul carico dovuto a collegamento sbagliato o causato da un guasto come il cedimento dell’isolamento negli avvolgimenti di un azionamento elettrico. Tra le altre cause di cortocircuito vi è l’attivazione indesiderata di un transistor, che fa sì che entrambi i rami superiore e inferiore di una stessa fase del ponte conducano nello stesso momento. Ciò può essere causato dalla presenza di rumore nei circuiti, oppure dall’effetto Miller in cui si instaura una capacità parassita CCG tra il gate e il collettore dell’IGBT. In caso di cortocircuito, occorre riconoscere la sovracorrente e spegnere il transistor entro il tempo massimo dichiarato dal costruttore dell’IGBT, che in genere è pari a 10 µs. Inoltre, è desiderabile uno spegnimento “morbido” del dispositivo, poiché una variazione rapida della corrente di collettore può indurre una tensione tra collettore ed emettitore superiore alla tensione di rottura dichiarata. È possibile utilizzare trasformatori di corrente per rilevare il flusso della corrente in punti strategici del sistema. Ciò offre un metodo per inviare al controllore le informazioni sulla corrente senza dover richiedere un isolamento supplementare. Ma i trasformatori di corrente sono fisicamente grandi e potrebbero essere troppo voluminosi per le applicazioni attuali. Si potrebbe utilizzare un sensore di corrente resistivo; ma anche se il resistore è piccolo, le perdite per effetto Joule possono essere elevate, e anche in questo caso occorre un isolamento supplementare. In alternativa, utilizzando il contatto DESAT con un diodo ad alta tensione per monitorare la tensione di saturazione VCE(sat) dell’IGBT, è possibile ridurre le perdite e implementare la funzione di protezione sul lato dell’IGBT, ottenendo una risposta rapida con costi relativamente bassi.

La Figura 2 illustra i componenti esterni necessari per realizzare un sistema di monitoraggio della VCE(sat) che utilizza un dispositivo accoppiamento e pilotaggio universale come il modello Toshiba TLP352. La tensione VCE(sat) viene monitorata. Il controllore genera un segnale di gate che spegne gradualmente l’IGBT se viene rilevata una sovracorrente. Si utilizza inoltre un accoppiatore ad alta velocità da 1 Mbps per trasmettere i segnali di guasto al controllore.

 

Figura 2. Classico sistema accoppiamento e pilotaggio con componenti esterni per la protezione dai guasti e circuito di retroazione.

Protezione integrata

Integrando il circuito esterno di monitoraggio della VCE(sat) e l’accoppiatore di retroazione nel contenitore del circuito di pilotaggio del gate isolato, è possibile ottenere un risparmio significativo in termini di dimensioni e di complessità del circuito stampato. Il fotoaccoppiatore intelligente TLP5214 monitora la VCE dell’IGBT sul contatto DESAT attraverso il diodo esterno DDESAT, come illustrato in Figura 3. Quando l’IGBT conduce normalmente, la VCE diventa la tensione di saturazione VCE(sat) (appena inferiore a 2 V). In caso di sovracorrente, il dispositivo si desatura e la VCE(sat) aumenta. Quando la VCE(sat) supera i 6,5 V, il dispositivo TLP5214 genera un segnale di spegnimento “morbido” al contatto VOUT per proteggere l’IGBT, e allo stesso tempo trasmette un segnale di guasto al controllore tramite l’accoppiatore ad alta velocità da 1 Mbps, anch’esso integrato. Lo spegnimento della Vout inizia entro 700 ns, offrendo quindi una protezione ad azione rapida. Nel tradizionale circuito di Figura 2, il segnale di guasto deve essere rimandato al controllore: passano quindi di solito alcuni microsecondi prima che lo stadio di uscita del driver inizi a spegnere l’IGBT.

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Figura 3. Il TLP5214, con protezione “DESAT” e circuito fissatore attivo di Miller integrati.

Circuito fissatore attivo di Miller (Active Miller Clamp)

Il fotoaccoppiatore intelligente TLP5214 integra anche un circuito fissatore attivo di Miller per impedire che l’attivazione indesiderata dell’IGBT provochi un cortocircuito tra i rami superiore e inferiore del ponte. La capacità parassita di Miller CCG dell’IGBT, può far sì che l’IGBT nel ramo inferiore del ponte si attivi quando si attiva l’IGBT superiore. Ciò accade perché l’attivazione dell’IGBT superiore fa aumentare rapidamente la VCE dell’IGBT inferiore, generando una corrente di spostamento IS, equivalente a CCG x (dVCG/dt), in direzione dell’uscita del fotoaccoppiatore. Man mano che la corrente attraversa la resistenza di gate RG del circuito, la tensione diminuisce e la tensione di gate aumenta, generando una falsa condizione di ON sull’IGBT, che induce un cortocircuito nei rami superiore e inferiore. È possibile prevenire questa attivazione indesiderata utilizzando un generatore di tensione negativa, il che richiede un circuito di alimentazione supplementare. Una soluzione meno costosa è quella di usare una resistenza di gate più piccola, sebbene ciò possa aumentare il rumore di commutazione e malgrado non sia possibile ridurre più di tanto il valore di tale resistenza. Il circuito fissatore attivo di Miller offre una soluzione più soddisfacente creando un cortocircuito tra il gate e l’emettitore dell’IGBT inferiore. Ma configurare un circuito adeguato utilizzando componenti esterni è un’operazione complessa e richiede spazio aggiuntivo sul circuito stampato, come illustrato in Figura 2. Il dispositivo TLP5214 possiede un circuito fissatore interno di Miller che elimina la necessità di componenti di fissaggio esterni. Il contatto del fissatore di Miller, VCLAMP, mostrato in Figura 3, è collegato al gate dell’IGBT. Quando l’uscita del fotoaccoppiatore commuta da valore alto a valore basso, la tensione di gate scende sotto i 3 V e si attiva il MOSFET compreso tra i contatti VCLAMP e VEE fissando così il gate alla tensione dell’emettitore (VEE). Ciò fa sì che la corrente di Miller venga deviata verso l’emettitore dal contatto VCLAMP, sopprimendo l’aumento di tensione al gate e prevenendo cortocircuiti sui rami superiore/inferiore. Combinando la rivelazione della desaturazione dell’IGBT, la retroazione dello stato di guasto isolato, l’accensione morbida dell’IGBT, il fissaggio attivo di Miller e il blocco delle sottotensioni (Under-Voltage LockOut, UVLO) in un unico dispositivo, il fotoaccoppiatore intelligente TLP5214 offre una soluzione ad elevato livello di integrazione per pilotare IGBT e MOSFET di potenza in sistemi a inverter. Queste funzioni vengono realizzate in modo efficiente ed economicamente conveniente utilizzando due LED a infrarossi al GaAlAs e due chip ad alto guadagno e alta velocità.

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