Använd IGBT-drivkretsar med hög ström med inbyggt skydd för tillförlitlig industrimotorstyrning

I en pågående strävan att minska kostnader och energiförbrukning i industristyrtillämpningar använder konstruktörerna borstlösa likströmsmotorer (BLDC) med hög frekvens och hög ström. Dessa förlitar sig i allt högre grad på snabbare bipolära transistorer med isolerat styre (IGBT:er) istället för MOSFET-enheter (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) för snabbare omkoppling för att förstärka effekttätheten. För att de ska fungera effektivt och säkert måste konstruktörerna inkludera buffertkretsar mellan BLDC-motorstyrenhetens utgång och IGBT-strömtransistorer.

Diskreta kretsar som innehåller totempålekretsar med bipolär skikttransistor (BJT) kan utföra den här buffertrollen, men sådana lösningar saknar normalt skydd mot högspänning och höga strömtransienter. Dessutom kan de inte nivåväxla den digitala styrenhetens lågspänningsutmatning till de högre spänningar och strömmar som krävs för att driva IGBT:er ordentligt. Att lägga till dessa kretsar komplicerar dessutom och saktar ner konstruktionsprocessen, förbrukar utrymme och utökar strukturlistan (BOM).

För att hantera dessa problem finns nu en ny generation av integrerade högfrekvensgatedrivare för BLDC-motortillämpningar som kombinerar de buffert- och förstärkningskretsar som krävs för att driva IGBT:er, samtidigt som de inkluderar skyddskretsar. Tillsammans med funktioner för att öka effektiviteten kräver dessa enheter färre kringenheter och har lägre drifttemperaturer. Deras mindre storlek ökar en högfrekvensmotors effekttäthet ytterligare och sparar utrymme.

Den här artikeln går i korthet igenom fler drivkretsgrunder och beskriver rollen för IGBT-drivkretsar med hög ström i moderna industriella elmotortillämpningar. Därefter förklarar den vad du ska leta efter i en industriklassad enhet för att maximera skyddet och effektiviteten samtidigt som du minimerar kostnaden och komplexiteten. Artikeln introducerar provdrivkretsar från ROHM Semiconductor, Texas Instruments och ON Semiconductor och diskuterar hur de kan inkluderas effektivt i motordesignen.

Grundläggande information om BLDC-motordrivkretsar

En vanlig typ av elmotor är av trefas-DC-typ där rotorrörelsen induceras av det roterande magnetfältet som genereras by genom att strömsätta lindningarna i en styrd sekvens (kommutation). Rotorhastigheten är proportionell mot motorns drivfrekvens. Pulsbreddsmodulering (PWM) läggs över basdrivfrekvensen för att styra startström, vridmoment och effekt.

Högfrekvensdrift har några inbyggda fördelar. Till exempel minskas strömrippel – en följd av växelströmsinmatningen (AC) efter likriktningen – vilket i sin tur minskar storleken på och kostnaden för de passiva komponenter som krävs för filtrering. Högfrekvensdrift minskar även den ojämna elektromotoriska kraften (EMF) som kan uppstå från ojämn sinusvåginmatning till motorspolarna – vilket minskar motorvibrationer och slitage. I allmänhet ökar högre frekvensomkoppling effekttätheten så att fysiskt mindre motorer kan användas för en given uteffekt.

Trots att det finns variationer består ett typiskt styrsystem med sluten slinga för högfrekvensdrift av:

• En hastighetskontrollingång, en styrenhet som övervakar motorkommutation genom att generera rätt pulsbreddsmodulering för drivkretsen
• En drivkrets som sköter omkoppling av låg- och högsidans effekttransistorer
• Effekttransistorer, i en halv H-bryggtopologi som strömsätter motorspolarna

I en sensorstyrd BLDC-motor sluts styrkretsen via feedback från Halleffektsensorer som övervakar motorns roterande axel (figur 1). Sensorlösa modeller beräknar motorpositionen från back EMF (BEMF). (Läs mer om konstruktion av ett komplett styrsystem med sluten slinga för sensorutrustade och sensorlösa trefas-BLDC-motorer i DigiKey-artiklarna Driva och styra borstlösa DC-motorer, Varför och hur du kan sinusvågstyra borstlösa trefas-DC-motorer och Styra sensorlösa BLDC-motorer via Back EMF.)

Figur 1: Typiskt styrsystem med sluten slinga för en trefas-BLDC-motor bestående av styrenhet, drivkrets och halv-H-brygga med strömtransistor. Det här styrsystemet använder Hall-effektsensorer för feedbackretsen, men sensorlösa system är också populära. (Bildkälla: Texas Instruments)

Drivkretsen är en nyckelkomponent i en styrenhetdesign med BLDC-motor. Det är huvudsakligen en effektförstärkare som godtar låg ströminmatning från BLDC-motorstyrenheten och i sin tur producerar en drivinmatning med hög ström för gateenheterna till hög- och lågsidans effekt-IGBT:er i halv-H-bryggan. De senaste versionerna av drivkretsar för högfrekvensdrift är dock högintegrerade och kan göra mycket mer.

Fördelar med integrerade IGBT-drivkretsar

Det går att bygga en IGBT-drivkrets av diskreta komponenter. Bilden visar en totempålekrets med bipolär skikttransistor (BJT) som är utformad för att driva en effekttransistor (figur 2). I det här fallet används en mer traditionell MOSFET, men konfigurationen är tillämplig för en IGBT.

Figur 2: En diskret BJT-totempåle-MOSFET-drivkrets fungerar bra, men den omvänder spänningen, upplever genomgång och saknar skydd. (Bildkälla: Texas Instruments)

Två stora nackdelar med den här kretsen är inverterad spänning i utgången och viss genomgång under gatepänningstransienter. Dessutom, vid på- och avslagning (innan BJT-drivmatningen når full driftspänning) kan IGBT utsättas för kombinationen av hög spänning och hög ström. Detta ökar effektförlusten och kan orsaka överhettning och permanenta skador. Det är möjligt för konstruktören att lägga till de skyddskretsar som krävs för att uppfylla de säkerhetsstandarder som krävs för industriella BLDC-motorer, men konstruktionen är utmanande och extrakomponenterna ökar kostnaden, komplexiteten och storleken.

Ett annat problem med diskreta BJT-totempålekretsar är bristen på nivåväxling. Digital strömreglering dominerar nu BLDC-motorkontrollen, men erbjuder endast låg ström-/spänningsutmatning. Till exempel är PWM-signalen från den digitala styrenheten ofta en logiksignal på 3,3 volt som inte effektivt kan slå på en IGBT. Nivåväxling krävs för att höja de låga ström/spännings-PWM-signalerna från styrenheten till de höga ström/spännings-PWM-signalerna (normalt 9 till 12 volt) som krävs för att aktivera IGBT:erna.

Förutom uppenbara fördelar som minskad designkomplexitet, förkortad utvecklingstid och mindre storlek ger integrerade högström-IGBT-drivkretsar alla problem som en diskret lösning klarar. Enheterna minimerar även effekten av högfrekvent omkopplingsbrus genom att placera högströmdrivkretsen fysiskt nära strömbrytaren samtidigt som effektförlusten och den termiska belastningen i styrenheterna minskas.

Till exempel är en lösning som ROHM Semiconductors BM60212FV-CE2 integrerade gatedrivare idealisk för att driva ett par IGBT:er på hög- och lågsidan. Enheten är kompatibel med antingen 3,3 eller 5 volts styrenhetslogiksignaler samtidigt som den ger en flytande matningsspänning på högsidan upp till 1200 volt och en maximal gatedrivspännig på 24 volt. Den maximala på-/avslagningstiden är 75 nanosekunder (ns). Den maximala utgångsströmmen är 4,5 ampere (A) (med ett toppvärde på 5 A i 1 mikrosekund (µs)).

Inbyggt skydd

Nästa generations IGBT-drivkretsar som BM60212FV-CE2 inkluderar inbyggda skyddskretsar, huvudsakligen underspänningsskydd (UVLO) och avmättningsskydd (DESAT).

UVLO är användbart för att undvika överhettning och skador under påslagning. Om gatespänningen vid påslagning (V_GS för en MOSFET eller V_GE för en IGBT) är för låg finns risk att transistorn snabbt går till mättningsområdet där ledningsförluster och effektförlust ökar. En illustration av den här effekten visar hur värden för V_GS påverkar en effekttransistor (figur 3). Återigen används en MOSFET i illustrationssyfte, men liknande egenskaper gäller för IGBT. Den högra delen av den röda kurvan är mättnadsområdet, som definieras av en konstant drain till source-ström (eller kollektor till emitter-ström för IGBT), beroende på V_GS och oberoende av drain-source-spänning (V_DS).

Figur 3: Förlusterna eskalerar om MOSFET- eller IGBT-enheten går in i mättnadsområdet (till höger i den röda kurvan) innan fullständig aktivering. (Bildkälla: Texas Instruments)

Lösningen är att inkludera UVLO så att ingen spänning appliceras på gaten förrän strömförsörjningen har nått en tillräcklig nivå för att säkerställa ett MOSFET- eller IGBT-enheten kan slås på snabbt och därigenom undvika hög effektförlust. Texas Instruments UCC27512MDRSTEP IGBT (och MOSFET) gatedrivare, till exempel, inkluderar en UVLO-mekanism som jordar drivkretsens utgång när strömförsörjningen inte har nått en UVLO-tröskel som avgörs av konstruktören (figur 4). UCC27512MDRSTEP är en gatedrivare på lågsidan som ger en högsta sänkström på 8 A.

Figur 4: IGBT-drivkretsar som TI:s UCC27512MDRSTEP inkluderar UVLO för att säkerställa att drivkretsen inte börjar omkoppla IGBT:n förrän strömförsörjningen når ett tröskelvärde. (Bildkälla: Texas Instruments)

ON Semiconductors NCV5702DR2G är typisk för IGBT-drivkretsar med en DESAT-funktion. Den här skyddskretsen jämför IGBT:ns kollektor-emitterspänning (V_CE) med a referensspänning. Om den är högre stänger IGBT-drivkretsen av sin utspänning för att skydda effekttransistorn.

NCV5702DR2G är en högström-IGBT-drivkrets som är utformad för att driva ett hög- och lågsidespar av IGBT:er i en motordrivtillämpning. Enheten kan ge upp till 22 volts utmatning från -0,3 till 5,5 volts inmatning. Toppsänkströmmen är 6,8 A (13 volts utmatning) medan toppkällströmmen är 7,8 A (-5 volt utgångsspänning).

NCV5702DR2G övervakar IGBT:s V_CE när enheten är helt påslagen. Vid normal drift ska V_CE ligga runt 3 volt för moderna IGBT:er. Om V_CE är betydligt högre brukar det indikera överström eller en liknande stresshändelse som potentiellt kan skada IGBT.

Under en kort tid vid start är V_CE typiskt hög (och sjunker endast till den lägre nivån efter cirka 1 µs), så för att hindra DESAT-skyddet från att aktiveras för tidigt fördröjs jämförelsen med referensspänningen av en släckpulstid, som ställs in med en kondensator C_BLANK (figur 5).

Figur 5: DESAT-skyddskretsen i ON Semiconductor NCV5702DR2G IGBT-drivkrets stänger av utmatningen till IGBT om V_CE stiger över en referensspänning V_DESAT-THR. C_BLANK ställer in en tidsfördröjning för att säkerställa att DESAT-skyddet inte uppstår innan IGBT är helt påslagen. Anmärkning: ON Semiconductor använder NCD570x för referenssyften i databladet. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Utöver deras skyddskretsar erbjuder integrerade IGBT-drivkretsar överlägsen prestanda jämfört med drivkretsar som konstruerats av diskreta komponenter eftersom de normalt innehåller funktioner som förbättrar effektiviteten.

Maximera effektiviteten

BLDC-motoreffektdensiteten avgörs delvis av effektiviteten. En BLDC som sprider mer effekt kräver högre värmehantering inklusive större kylare, vilket ökar lösningens storlek.

Förlusterna som genereras under transistoromkopplingen kategoriseras som statiska eller dynamiska. Statiska förluster genereras av parametrar som enhetens parasitiska resistans medan dynamiska omkopplingsförluster delvis beror på parasitisk kapacitans.

Under omkoppling är transistorns effektförlust proportionell mot matningsspänningen, gateladdningen (Q_G) och omkopplingsfrekvensen. Vid en given matningsspänning måste en höjning av omkopplingsfrekvensen för att öka effekttätheten kompenseras genom en minskning av Q_G om effektiviteten inte ska försämras.

En starkt bidragande faktor till en IGBT:s Q_G är parasitisk kapacitans och en stor del av den utgörs av Miller-kapacitansen. Miller-effekten identifierades först i trepoliga, men den påverkar även moderna transistorer och yttrar sig som en ökning av den övergripande ingångskapacitansen på grund av förstärkningskapacitans mellan ingångs- och utgångterminalerna under faser i omkopplingscykeln. Utöver att öka Q_G är det en viktig faktor i begränsningen av transistorernas förstärkning vid höga frekvenser.

Miller-kapacitansen är störst när transistorn arbetar i det så kallade Miller-platåområdet. I det här området hålls gatespänningen konstant (normalt runt 10 volt) medan gatedrivspänningen byggs upp eller laddas ur – beroende på om IGBT slås på eller stängs av. Om drivkretsen kan konfigureras för att ge en hög drivström vid Miller-platån kan den minska fasens varaktighet betydligt och hjälpa till att minska omkopplingsförlusterna.

Genom att tillhandahålla hög ström vid Miller-platån förkortar IGBT-drivkretsar som ON Semiconductor NCV5702DR2G och ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2 Miller-platån och säkerställer att omkopplingen styrs mer noggrant. Högströmdrivningen specifikt leder till minskad påslagningsenergi (E_ON) under IGBT-omkopplingen, vilket hjälper till att begränsa effektförlusten. Dessutom säkerställer den höga IGBT-drivkretsströmmen, som genereras av IGBT-drivkretsens interna FET-enheter med låg impedans, att effektförlusten även vid höga omkopplingsfrekvenser huvudsakligen sker från över det externa seriemotståndet. Därigenom blir det mer hanterbart ur ett termiskt perspektiv.

Miller-effekten kan även öka förlusterna vid IGBT-omkoppling på lågsidan. Problemet uppstår när påslagning av högsidans IGBT orsakar en spänningspuls (dv/dt) på kollektorn hos den avstängda lågsides-IGBT:n. Spänningspulsen inducerar en Miller-ström genom Miller-kapacitansen till gatekapacitansen hos lågsidans IGBT (figur 6(a)). Om banan från gate till jord (GND) hart en kritisk impedans (som orsakas av gatemotstånd R_G) kan Miller-strömmen förskjuta gatespänningen över tröskelnivån och lågsidans IGBT kan slås på i några få tiondels eller hundradels nanosekunder, vilket ökar omkopplingsförlusterna. Ett sätt att undvika den här situationen är att implementera en negativ gatespänning, men nackdelen är att det kräver en andra likströmskälla.

Ett alternativ är att tillhandahålla en lågimpedansbana från gate till GND. Drivkretsar som NCV5702DR2G och BM60212FV-CE2 erbjuder aktivt Miller-klämskydd, vilket implementerar den här typen av skydd genom att lägga till ett spår från gaten hos IGBT till klämstiftet hos gatedrivaren. När spänningsutmatningen (V_O) sjunker under den aktiva Miller-klämmans tröskel (V_MC-THR) kortsluts klämmans stift till GND och hindrar spänningen på IGBT:ns gate från att stiga över tröskelspänningen och omkoppla lågsidans IGBT (figur 6(b)). Klämmans stift kopplas från GND när IGBT:ns påslagningssignal tas emot vid gatedrivarens ingång. Eftersom klämmans stift aktiveras först när gatespänningen sjunker under V_MC-THR-tröskeln säkerställer det att stiftets funktion inte stör den normala användarstyrbara (via val av R_G) avstängningsomkopplingens prestanda.

Figur 6: Miller-effekten kan även öka förlusterna vid IGBT:n på lågsidan när högsidans IGBT orsakar en spänningspuls i den avstängda lågsides-IGBT:n. Spänningspulsen inducerar ström genom Miller-kapacitansen till gatekapacitansen hos lågsidans IGBT (a). Lösningen (b) är att kortsluta klämmans stift till jord för att hindra spänningen från att stiga nog för att slå på lågsidans IGBT. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Konstruktionsöverväganden för IGBT-drivkretsar

Även med en högpresterande integrerad IGBT-drivkrets finns det utmaningar att övervinna om konstruktören ska undvika obehagliga spänningspulser, ringning och falska påslagningar i BLDC-motorstyrenheten. De här problemen sker normalt på grund av strömförsörjningsförbikoppling av låg kvalitet, dålig layout och felmatchning av drivkrets och effekttransistor.

Till exempel, att slå på och stänga av IGBT:n motsvarar att ladda upp och ladda ur stora kapacitiva belastningar på exempelvis 10 000 pikofarad (pF) från 0 till 15 volt på 50 ns. Strömmen som krävs för detta är 3 A (från I = dV x (C/dt)). Det här exemplet visar att strömutmatningen från drivkretsen är direkt proportionell mot spänningssvängningen och/eller lastkapacitansen och omvänt proportionell mot stigningstiden. Det är viktigt att notera att laddningsströmmen i praktiska situationer inte är stadig utan har en topp runt 4,7 A, så det är viktigt att drivkretsen har överkapacitet att hantera den här toppen. En enhet som ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2, som ger 4,5 A utmatning och en toppström på 5 A skulle vara ett bra val för den här tillämpningen.

Utöver toppströmvärdet måste konstruktören komma ihåg att IGBT-drivkretsen måste hämta den här strömmen från strömförsörjningen på bara 50 ns. En teknik för att aktivera den här snabba strömförbrukningen är att lägga till ett par av parallella förbikopplingskondensatorer (md ett värde på minst 10 gånger belastningskapacitansen och med kompletterande impedanskurvor) mycket nära drivkretsens försörjningsstift (V_CC) med positiv bias hos IGBT. Dessa kondensatorer ska ha lägsta möjliga ESR (equivalent series resistance) och ESL (equivalent series inductance) och deras sladdlängder ska minimeras.

IGBT-drivkretsar kräver en strömbana med låg impedans för strömretur till jord. I en typisk topologi finns tre banor för returström till jord:

• Mellan IGBT-drivkretsen och styrenheten
• Mellan drivkretsen och dess egen strömförsörjning
• Och mellan drivkretsen och emittern i den IGBT som drivs

Varje strömbana ska vara så kort och bred som möjligt för att reducera induktansen och motståndet. Dessutom ska jordströmbanorna hållas separata, framförallt för att undvika jordström från lasten som påverkar gränssnittet mellan styrenheten och drivkretsen. En bra strategi är att dedikera ett kopparplan på kretskortet som jord och sedan säkerställa att alla jordpunkter i kretsen återgår till samma fysiska punkt för att undvika att generera olika jordpotentialer.

För att underlätta de snabba stig- och falltider som krävs för högfrekvensomkoppling ska de strömbärande ledarnas längd minimeras. Eftersom varje centimeter i längd lägger till cirka 8 nanohenry (nH) induktans genererar di/dt på 95 A/µs en transientspänning L(dI/dt) på 1,9 volt per centimeter trådlängd, vilket minskar drivkretsens utmatning. Den praktiska effekten blir en ökning av stigningstiden för varje ökning i ledarlängd från IGBT-drivkretsens utgång till IGBT-gaten. Till exempel kan en extra centimeter ledarlängd öka stigningstiden från 8 ns till 28 ns. En annan skadlig effekt av längre ledarlängd är potentiellt ökade elektromagnetiska störningar (EMI) från den snabba omkopplingen.

Slutligen ju lägre induktansvärde hos IGBT-drivkretsen desto bättre omkopplingsprestanda, eftersom den här induktansen är i serie med IGBT-emittern och genererar feedback som ökar omkopplingstiderna. En typisk tillämpningskrets för en IGBT-drivkrets som omkopplar ett hög- och lågsideseffekttransistorpar visas i figur 7.

Figur 7: En typisk tillämpningskrets för en integrerad IGBT/MOSFET-drivkrets med hög ström (i det här fallet ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2) med UVLO och Miller-klämning. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Slutsats

Kravet på högre effekttäthet i industriella BLDC-motorer ställer krav på styrelektroniken som är svåra att uppfylla med konventionella diskreta MOSFET-komponentlösningar. IGBT-drivkretsar tillhandahåller en lösning för den högfrekventa högströmsdrift som krävs för att driva IGBT:er i BLDC-motorer med hög effekttäthet. I takt med att dessa enheter har utvecklats har de blivit mer integrerade och lättare att använda samtidigt som funktioner har lagts till för att skydda effekttransistor, förbättra effektiviteten och spara utrymme.

För att utnyttja dessa IGBT-drivkretsar fullt ut måste konstruktörerna matcha drivkrets och kringenheter med kraven på frekvens och ström hos IGBT:erna samtidigt som de måste vara uppmärksamma på kretskortslayouten.

Referenser

1. Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits, Laszlo Balogh, Texas Instruments, mars 2017.
2. Low-side gate drivers with UVLO vs BJT totem-pole, Mamadou Diallo, Texas Instruments, februari 2018.