4(0 =
(Kg+ MO» R (5.7)Yhdistämällä yhtälöt (5.6) ja (5.7) saadaan:
dVJJ) (5.8)
Eli IGBT:n kautta kulkevan virran Ic nousunopeuden lisäksi hilavirta Ig vaikuttaa jännitteen laskunopeuteen. Hetkellä t$ IGBT:n yli oleva jännite on OV (aikaisem
min on oletettu, että johtavassa tilassa
VCe =OV), jolloin
Miller-efektinvaikutus lakkaa. Alahaaran diodin yli vaikuttaa nyt välipiirijännitteen suuruinen estojännite.
Ajanhetki t¡ onkin hyvä indikaatio siitä, että IGBT on saatu täysin johtavaan tilaan.
Tämän jälkeen Vge jatkaa latautumistaan lopulliseen arvoon RC-piirin tavoin.
IGBT:n sammutus tapahtuu käänteisessä järjestyksessä. Hetkellä t(, hilaohjausjän- nite muutetaan arvoon -15V. Hilajännite Vge lähtee tällöin laskemaan kunnes het
kellä t7 saavutetaan jännitetaso, joka juuri ja juuri pystyy pitämään virran vakio- arvossaan. Samalla hetkellä IGBT alkaa muodostamaan estojännitettä, minkä seu
rauksena jännite Vce lähtee nousemaan, ja alahaaran diodin laskemaan. Miller-efekti
toimii nyt vastakkaiseen suuntaan, eli IGBT:n jännitteen nousu pyrkii Miller-kapasi- tanssin kautta nostamaan Fge-jännitettä, mikä puolestaan hidastaa jännitteen nousu- nopeutta. Hetkellä tg IGBT:n jännite on saavuttanut välipiirijännitetason ja ala
haaran diodi alkaa siirtyä johtavaan tilaan. IGBT:n virta alkaa pienenemään Vge:n määräämällä nopeudella kunnes hetkellä /// IGBT:n virta on pudonnut nollaan.
Alahaaran diodi on nyt johtava komponentti ja Vge jatkaa laskuaan kohti loppuar-voaan RC-piirin tavoin. Sammutuksessa yhtälöt (5.3) ja (5.7) muuttuvat seuraavasti (Vg+ => Vg_):
dUM) Г*--™
dt dt R**(cge+C'C) (5.9)
^(0
* R**Cgc
(5.10)
Lukuarvoilla laskettuna kuvan 5.12 tapaukselle saadaan yhtälöstä (5.3) tulos:
d(/M)..20i/. (+15У-4У)
dt 'v 20Í2 * (1000pF +1500pF) . 20A/*_____(-15V-4F)_______
dt /v 20i2*(l 000pF + 1500pF)
« 4,4 kA/fis ja yhtälöstä (5.9)
» -8,0kA / ps sekä yhtälöstä (5.7) seuraa:
/xl 41/__ m A
Yhtälöiden (5.4), (5.7), (5.8) ja (5.9) tarkoituksena on esittää, mikä vaikutus hila- ohjauspiirillä on IGBT:n sytytyksen ja sammutuksen käyrämuotoihin ja sitä kautta piirin häviöihin. Todelliset virran- ja jännitteen muutosnopeudet eroavat lasketuista arvoista piirin, IGBT:n ja diodin epäideaalisuuksien takia.
5.1.5 Epäideaalisuuksien vaikutus IGBT:n toimintaan
Sytytyksen ja sammutuksen käyrämuodot muuttuvat selvästi, kun otetaan huomioon IGBT-moduulin ja sitä ympäröivän piirin epäideaalisuudet. Tärkeimmät huomioi
tavat epäideaalisuudet ovat:
• Välipiirin ja IGBT-moduulin välinen hajainduktanssi. Todellisessa tilanteessa välipiirin ja IGBT-moduulin välisestä johdotuksesta aiheutuu hajainduktanssia, joka aiheuttaa jännitepiikkejä virran muuttuessa.
• Diodin takavirta. Diodin takavirta hidastaa IGBT-osan sytytystapahtumaa, millä
on suuri merkitys sytytyshäviöihin.
• Rinnankytkennässä kytkentäviiveet ja päästöjännite-erot. Kytkentäviiveet ja päästöjännite-erot aiheuttavat rinnankytkettävissä komponenteissa kuormitusero- ja sekä virta- ja jännitepiikkejä.
Tarkastellaan seuraavaksi sytytyksen ja sammutuksen käyrämuotoja, kun otetaan huomioon diodin takavirta, M//<?r-kapasitanssin pieni arvo suurilla P^-jännitteillä, IGBT:n läpi menevän virran alkuvaiheen neliöllinen kasvu ja piiriin liittyvät hajain- duktanssit. Piirin hajainduktanssit on esitetty kuvassa 5.15.
0.5*Uh - 0.5*Lh*dl/dt
Udc+ o
Lh1-Lh2-0.5'Lh
O Um
Vge2 / O-Udc- o
Kuva 5.15 IGBT-moduulin yhden haaran hajainduktanssit. Useimmissa tapauksissa välipiirin johdotus on symmetrinen, joten hajainduktanssien ¿/,/ ja Lh2 voidaan olettaa olevan yhtäsuuria.
Virran vaihtaessa johtavaa komponenttia toisen komponentin virta kasvaa ja toisen laskee, mistä syystä di/dt on aina vastakkaissuuntainen hajainduktansseissa Li,i ja h,2- Tästä seuraa, että hajainduktanssien aiheuttamat jännitteenalenemat summau
tuvat yhteen, jolloin saadaan yhtälö:
£/„(') = Lh * d(HQ)
dt (5.11)
Eli komponenttien läpi menevän virran muuttuessa hajainduktanssit indusoivat it
seensä jännitteen, joka vaikuttaa komponenttien yli näkyvään jännitteeseen.
Kuvassa 5.13 ylähaaran IGBT:n hilaohjaus muutetaan +15V:iin hetkellä to. Hetkellä ti hilajännite on saavuttanut kynnysjännitteen (F,/,= 4V) ja IGBT:n kautta kulkeva virta alkaa kasvaa neliöllisesti. Alahaaran diodi on vielä täysin johtavassa tilassa, jo
ten IGBT:n yli vaikuttaa jännite:
VJt) = Ud-Uh(t) = Ud- Lh , missä Ud = välipiirijännite (5.12)
atNeliöllinen virran muutos näkyy kuvassa 5.13 IGBT:n yli vaikuttavan jännitteen lineaarisena pienenemisenä välillä Z/-/^. Hetkellä t¡ IGBT:n virta on saavuttanut lo
pullisen arvonsa, mutta alahaaran diodin takavirta pitää diodin vielä johtavassa tilas
sa ja IGBT:n virta jatkaa kasvamistaan aina hetkeen t¡ asti. Myös hilajännite Vge jatkaa kasvamistaan hetkeen t3 asti. Koska takavirta muuttuu lineaarisesti ja diodi on edelleen johtavassa tilassa, Kce-jännite pysyy välillä Z^-Zj vakiona. Ajanhetkenä Zj diodin takavirta pienenee ja diodi alkaa muodostamaan estojännitettä, mistä joh-tuen Vce putoaa nopeasti. Tästä on seurauksena Miller-efekti, eli hilapiirin virta kul-kee M//er-kapasitanssin Cgc kautta. Näin ollen hilajännite laskee virran Ic mukana alaspäin hetkeen t4 asti. Hetkellä t4 diodin takavirrasta toipuminen on saatu päätök
seen, minkä seurauksena se ei enää tue IGBT:n yli olevaa jännitteen laskua. Välillä t4-t5 IGBT:n virran laskunopeus määräytyy Miller-efektin perusteella. Hetkellä IG ВТ: n yli oleva jännite on saavuttanut johtavan tilan jännitearvon Vcesoi ja hila- jännite nousee kohti lopullista arvoaan.
lGBT:n sammutus tapahtuu seuraavasti: Hetkellä te ylähaaran hilaohjausjännite muutetaan -15V:iin. Hilajännite lähtee laskemaan kunnes hetkellä t? saavutetaan raj- a, jossa hilajännite juuri ja juuri pystyy pitämään yllä IGBT:n läpi kulkevaa virtaa.
Hetkellä Zs IGBT:n yli oleva jännite on saavuttanut pisteen, jossa sen MOSFET-osa alkaa katkaista virtaa (Kuva 5.11). Hetkellä t9 myös pnp-osan kantavirta on laskenut niin paljon, että itse päävirta Ic alkaa katkeamaan. IGBT:n virran siirtyminen takai
sin alahaaran diodille saa hajainduktanssit nostamaan F«-jännitteen
yli välipiiri- jännitetason. Ajanhetkellä tn hilajännite laskee alle kynnysjännitteen, jolloin IGBT:n läpi kulkee vain hitaasti muuttuva jäännösvirta ja Vce-jännite on asettunut välipiirijännitteen tasoon /Niiranen. 1997. s. 99-102./, / Chokhawala, R. Catt, J.Pelly, B. 1994/.
Todelliset käyrämuodot on esitetty kuvassa 5.16.
№) uufuFAST toer mmesuoe (a) FAST IGBTIROTA090T06
VOUAGE: 100V/DtV WO NANOSECS/DIV
CURRENT 50A/OIV DC LOOP INDUCTANCE - WO NANOHENRIES JUNCTION TEMPERATURE - 150*0
VG = 15V RG! - 330
Figure 16. Oscillograms of IGBT turn on voltage and current lor Fast and Ultratast modules
TURN OFF ENERGY = 6mJ
(I) DC LOOP INDUCTANCE - WOnH
CURRENT
(b) DC LOOP INDUCTANCE - 20(>iH VOLTAGE: W0V/ÜIV 500 NANOSECS/DIV CURRENT: 50A/DIV
Vq - 15V Rg2 - 0 JUNCTION TEMPERATURE = 125*0
Figure 24. Turn-off oacHlogrems demonstrating the elled of Ih# dc loop Inductance on the voltage overshoot and turn-off energy
Kuva 5.16 Todellisen moduulin IG ВТ: n sytytys ja sammutus. Aikaskaala ylemmissä kuvissa on ¡OOns/ruutu ja alemmissa 500ns. Lisäksi alemmissa kuvissa on tutkittu hajainduktanssin vaikutusta virran katkaisuun, a)-kohdassa hajainduktanssi on lOOnHja b)-kohdassa 200nH.
Kuvista voi selvästi huomata hajainduktanssien vaikutuksen IGBT:n yli olevaan jän
nitteeseen. Esim. sammutuksessa hajainduktanssin tuplaaminen kasvattaa myös jän- nitepiikin arvon lähes kaksinkertaiseksi. Kuvat on esitetty pahimmassa mahdolli
sessa tilanteessa, eli isossa lämpötilassa, jolloin takavirta ja sammutushäviöt ovat suurimmillaan/Catt, J. 1994/.
Yhtälöistä (5.3), (5.7), (5.8) ja (5.9) nähdään, mikä merkitys hilaohjauksella on
virran ja jännitteen muutosnopeuksiin. Hilaohjaus yhdessä välipiirin jännitteen, hajain
duktanssien ja katkaistavan virran kanssa määräävät sytytyksessä ja sammutuksessa ilmenevät häviöt sekä virta- ja jänniteylitykset. Lisäksi IGBT-moduulin toiminta- lämpötilalla on merkittävä vaikutus sytytyksessä ja sammutuksessa esiintyviin käy
rämuotoihin. Tämän perusteella IGBT-moduuliin vaikuttavat suureet kannattaa ja
kaa viiteen osaan: Hilaohjaukseen, välipiirijännitteeseen, hajainduktansseihin, kat
kaistavaan virtaan ja jäähdytykseen. Kuvaan 5.17 on hahmoteltu näiden vaikutukset virran ja jännitteen käyrämuotoihin.
Haluttu wrran ja jamtteen каугаписхо Hilaohjaus
Haja induktanssit
Jännitteen ja virran käyrämuodot
Kuva 5.17 Lohkokaavio ulkoisen piirin vaikutuksesta IGBT-moduulin toimintaan.
5.1.6 Lämpötilan vaikutus komponenttien toimintaan
Toimintalämpötilan muuttuminen vaikuttaa IGBT-moduulin jännitteen ja virran käyrämuotoihin, mistä seuraa häviöiden muuttuminen. Häviöt ovat pääasiassa läm- pöhäviöitä, mikä puolestaan muuttaa moduulin toimintalämpötilaa. Jos toiminta- lämpötilan muutos ei ole hallittua, seurauksena voi olla moduulin hajoaminen joko suoraan maksimitoimintalämpötilan ylityksenä tai välillisesti virta- ja jänniteylityk- sinä. Lisäksi on mahdollista, että toimintalämpötilan vaikutuksesta moottorille me
nevän virran ja jännitteen käyrämuodot eivät ole haluttuja, jolloin taajuusmuuttajan säätö ei pysy sallituissa rajoissa. Toimintalämpötila pyritään pitämään halutuissa ra
joissa oikean hilaohjauksen (häviöiden kontrollointi) ja jäähdytyksen (häviöiden johtaminen pois moduulista) avulla. Toimintalämpötilan määrittäminen edellyttää, että tunnetaan IGBT-moduulin häviöt ja käytetyn jäähdytysmenetelmän lämmön- johtokyky. Jäähdytyksen lämmönjohtokyky on suhteellisen helppo laskea tai mitata.
Häviöiden määrittäminen onkin sitten huomattavasti hankalampaa, sillä syntyvät hä
viöt riippuvat mm. seuraavista seikoista:
• Kokonaishäviöt muodostuvat sytytys-, johto- ja sammutushäviöistä, jotka kaikki voivat riippua lämpötilasta eri tavalla. Tästä seuraa, että tutkittaessa kokonais- häviöitä lämpötilan funktiona saadaan erilaiset käyrät riippuen siitä, mikä on käy
tetty kytkentätaajuus, pulssisuhde ja komponenttien johtoajat. Jos kytken- tätaajuus ja pulssisuhde muuttuvat moduulin ohjauksen aikana, on kokonais- häviöiden määrittäminen laskennallisesti hankalaa.
• Häviöiden suuruus riippuu katkaistavasta virrasta ja jännitteestä. Koska taajuusmuuttajassa katkaistava virta muuttuu pitkän ajan kuluessa sinimuotoises- ti, tämä on otettava kokonaishäviölaskuissa huomioon.
e IGBT-moduulissa häviöt muodostuvat kahdessa lämpötilakäyttäytymiseltään eri
laisessa komponentissa: IGBT- ja diodipaloissa. Laskuissa pitää ottaa huomioon molempien komponenttien häviöt.
• Rinnankäytettävät komponentit ovat jäähdytyksen kautta termisesti kytkeytyneitä toisiinsa. Terminen kytkeytyminen voi olla niiden keskinäistä toimintaa tasapai
noiltava tai horjuttava tekijä.
Sytytyksessä eniten lämpötilasta riippuva tekijä on sammutettavan diodin takavirta (Kuva 5.18). Takavirta suurenee lämpötilan kasvaessa, mikä yhdessä piirin hajain- duktanssien kanssa lisää IGBT:n häviöitä. Myös diodin häviöt ovat IGBT:n sytytyk
sessä suurimmillaan, sillä takavirta aiheuttaa diodissa jänniteylityksen, mikä lisää sen häviöitä (Kuva 5.18, alue Qr:n häviöt). Kuten IGBTillä, myös diodilla jänni- teylitys aiheutuu piirin hajainduktansseista. Ulkoisesti takavirtaa voidaan pienentää alentamalla katkaistavan virran maksimiarvoa tai hilaohjauksella sen di/dt-arvoa.
<CV*FUseV\ldh
$ 250 —j
InstcrtcneoLE Fcrvvcfd Valtapa <У)
Flg. 6 - Forward Voltage Drop Characteristics
COLLECTOR EMITTER VOLTAGE
COU ECTOR - CURRENT
Vq = 13V RqI = ЗЗП
Kuva 5.18 a) Diodin pääsi öjännitekäyrä, b) takavirrasta aiheutuvat häviöt ja jänniteylitykset diodissa ja c) takavirran vaikutukset IGBT. n virran ja jännitteen
käyrämuotoihin. /Toshiba. 1994/.
Kuvasta 5.8 nähdään, että NPT-IGBT:n johtavan tilan häviöt riippuvat lämpötilasta selvästi, kun taas PT-IGBT:n lämpötilariippuvuus on huomattavasti pienempää.
Kuvan 5.18 a) tapauksessa pienillä virroilla diodin häviöt pienenevät lämpötilan kasvaessa, kun taas suuremmilla virta-arvoilla ne kasvavat. Tämä on otettava huo
mioon mitoitettaessa IGBT-moduulin jäähdytystarvetta, joka on kuvan 5.18 a) ta
pauksessa suurimmillaan, kun virta ja jännite ovat maksimissaan.
Sammutuksessa PT-IGBT:n lämpötilariippuvuus on NPT-IGBT:tä suurempi (Kuva 5.7). Sammutuksen häviöiden eroavuudet NPT:n ja PT:n välillä johtuvat jäännös- virran suuruudesta. PT-tyypin vahvasti seostettuun N+ alueeseen jää sammutuksessa paljon ylimääräisiä varauksenkuljettajia (ja niiden määrä riippuu paljolti lämpötilas
ta), jotka aiheuttavat suuren jäännösvirran. /Calmon ym.l994.s. 1178/. Diodin häviöt ei-vät ole suuret IGBT:n sammutuksen aikana, sillä nyt sen virtajännitekäyrä noudattaa normaalia eksponenttikäyrää (Kuva 5.18).
5.1.7 Suojaus
IGBT-moduulin suojauksen perusidea on estää komponenttia lämpenemästä vikati
lanteessa niin paljoa, että se tuhoutuu. Suurin osa suojauksista liittyy ylivirran käsit
telyyn. Tässä esimerkkejä IGBT-moduulissa käytetyistä suojauksista:
• Pehmeä sammutus vikatilanteissa. Jos taajuusmuuttajassa havaitaan vika, se py
säytetään aina pehmeän sammutuksen kautta.Vikatilanteissa sammutettavat virrat ovat usein normaalia suurempia. Tällöin sammutustilanteen di/dt-arvo kasvaa niin suureksi, että hajainduktanssien vaikutuksesta piirissä syntyy isoja jännite- piikkejä. Pehmeässä sammutuksessa hilaohjausjännite lasketaan estotilaan nor