הגנה בפני זרם-יתר וקצר בהזנת מנועים תעשייתיים

תמצית
מגמה רחבת-שוק בהזנת מנועים תעשייתיים היא הדרישה הגוברת ליעילות גבוהה יותר ביחד עם אמינות וחוסן מוגברים. יצרנים של התקני מוליכים למחצה להספק דוחקים בהתמדה את גבולות הפסדי ההולכה ושיפורי זמן המיתוג. אחדות מהפשרות בתגבור הפסד ההולכה של טרנזיסטור דו-קוטבי בעל שער מבודד (insulated gate bipolar transistor – IGBT) הן רמות זרם הקצר, ממדי שבב (die) קטנים יותר ויכולת תרמית וזמן עמידה בפני קצר. דבר זה מדגיש את חשיבות מעגל הזנת השער ואת תכונות גילוי והזנה בפני זרם-יתר. מאמר זה ידון בסוגיות הכרוכות בהגנה מוצלחת ואמינה בפני קצר בהזנת מנועים תעשייתיים, עם דוגמאות ניסיוניות ממזין שער מבודד ביישום של בקרת מנוע תלת-מופעי.

קצרים בסביבות תעשייתיות
הזנות של מנועים תעשייתיים יכולות לפעול בסביבה נוקשה יחסית בה ניתן למצוא טמפרטורה גבוהה, תופעות מעבר של קווי ac, עומס-יתר מכני, חיווט מוטעה ואירועים אחרים. אחדים מאירועים אלה יכולים לגרום לרמות זרמי-יתר גבוהות הזורמים במעגלי ההספק של הזנת המנוע. שלושה אירועים של קצרים אופייניים מוצגים באיור 1.
אלה מתוארים להלן:
1. ירי (shoot-through) דרך מהפך (inverter). דבר זה עשוי להיגרם על-ידי הפעלה לא-נכונה של שני ה-IGBTs באחד מענפי המהפך, אשר עשויה בתורה להיגרם מהפרעה אלקטרו-מגנטית או פעולה לא נכונה בבקר. היא יכולה להיגרם גם על-ידי שחיקה/כשל של אחד ה-IGBTs בענף בשעה שה-IGBT התקין מוסיף למתג.
2. קצר מופע-למופע. דבר זה עשוי להיגרם על-ידי כשל במנוע בין הליפופים בשל התדרדרות, טמפרטורת-יתר או אירועי מתח-יתר.
3. קצר ממופע להארקה. דבר זה עשוי להיגרם על-ידי כשל בבידוד בין ליפוף במנוע ומעטפת המנוע; שוב, לרוב בשל התדרדרות, טמפרטורת-יתר או אירועי על-מתח.
ככלל, המנועים מסוגלים לספוג רמות זרם גבוהות ביותר למשך תקופות ארוכות יחסית (מילי-שניות עד שניות, תלוי בממדי המנוע וסוגו); אולם ה-IGBTs – המהווים את רוב הדרגות של מהפכי הזנות המנועים התעשייתיים – חשים זמני עמידה בפני קצר בסדר גודל של מיקרו-שניות.

יכולת הקצר של IGBT
זמן העמידה בפני קצר של IGBT קשור למוליכות הגומלין (transconductance) או שבח וליכולת התרמית של שבב ה-IGBT. שבח גדול יותר גורם לרמות זרם קצר גבוהות יותר בתוך ה-IGBT, כך שברור של-IGBTs בעלי שבח נמוך יותר יהיו רמות קצר נמוכות יותר. אולם, שבח גבוה יותר יגרום גם להפסדי הולכה במצב פעולה נמוכים יותר, כך שיש לעשות פשרה. 1התקדמות בטכנולוגיית ה-IGBT גורמת למגמה של רמות זרם קצר מוגברות ולכן זמני עמידה בקצר מוקטנים יותר. בנוסף, השיפורים בטכנולוגיה מאפשרים שימוש בשבבים קטנים יותר, 2תוך הקטנת ממד המודול אך הנמכה של היכולת התרמית, המקטינה בתורה את זמן העמידה. יש גם תלות חזקה במתח קולט-פולט, כך שהמגמה המקבילה לקראת רמות מתח באפיק ה-dc בהזנות תעשייתיות גורמת להפחתה נוספת בזמני העמידה בקצר. בעבר אלה היו בתחום של 10 מיקרו-שניות, אך בשנים האחרונות הם נוטים לקראת 5µs3 ולמטה עד 1 מיקרו-שנייה בתנאים מסוימים. 4יתר על כן, זמן העמידה בקצר עשוי להשתנות הרבה מהתקן להתקן, כך שלרוב מומלץ לבנות מרווח נוסף מעבר לזמן העמידה בקצר המוגדר, במעגלי הגנה של IGBT.

הגנה בפני זרם יתר ב-IGBT
הגנה של IGBT מתנאי זרם יתר היא חלק קריטי של אמינות המערכת, הן בתור הרס הנכס ובביטחון העצמי. IGBTs לא נחשבים לרכיב חסין-כשל והכשל שלהם עשוי לגרום לפיצוץ של קבל האפיק וכשל מלא של ההזנה. 5הגנה בפני זרם-יתר ממומשת אופיינית באמצעות מדידת הזרם או גילוי ה-desaturation. טכניקות אלה מוצגות באיור 2. עבור מדידת הזרם, התקני מדידה כגון נגדים מיצדיים (shunt resistors) דרושים הן בענף המהפך והן במוצא המופע כדי לכסות על כשלי ירייה בדרך וכשלים בליפוף המנוע. פעולה מהירה במעגל הנסיעה בהזנות הבקר ו/או השערים צריכה לכבות את ה-IGBTs בצורה נוחה כדי למנוע חריגה בזמן העמידה בקצר. החיסרון העיקרי של שיטה זו היא הדרישה לכלול שני התקני מדידה בכל ענף של המהפך, ביחד עם מעגל כרוך של התניית האות ובידוד. ניתן להקל על הדבר הזה רק על-ידי הוספת נגדים מיצדיים בקווי האפיק dc החיובי והשלילי. אולם, במקרים רבים, או נגד מיצדי בענף או נגד מיצדי במופע יהיו נוכחיים בארכיטקטורת ההזנה לשם השגת לולאת בקרת הזרם והגנת זרם-היתר של המנוע, ואלה ניתנים לשימוש לשם הגנה בפני זרם-יתר של ה-IGBT בתנאי שזמן ההיענות של התניית האות מהיר דיו כדי להגן על ה-IGBT בתוך זמן העמידה בפני קצר הדרוש.
גילוי ה-desaturation משתמש ב-IGBT עצמו בתור רכיב למדידת זרם. הדיודות המוצגות בסכימה מבטיחות שמתח הקולט-פולט של ה-IGBT מנטר רק במעגל הגילוי במהלך זמן ה-גע, בשעה שבפעולה רגילה מתח הקולט-פולט הוא נמוך מאוד (1 עד 4 וולט אופייני). אולם אם קורה אירוע של קצר, זרם הקולט של ה-IGBT עולה לרמה המוציאה את ה-IGBT מאזור הרוויה ובתוך האזור הליניארי של פעולה. דבר זה גורם לגידול מהיר במתח הקולט-פולט. רמת המתח הרגילה הזו ניתנת לשימוש כדי להציג את קיום הקצר, ורמות סף עבור מסע ה-desaturation הן לרוב באזור ה-7 עד 9 וולט. חשוב לציין, ה-desaturation יכולה להצביע על מתח קולט-פולט נמוך מידי ושה-IGBT אינו מוזן במלואו לאזור הרווייה. יש לשים לב במימוש גילוי ה-desaturation כדי למנוע מעידה לא-נכונה. דבר זה עשוי לקרות במשך המעבר ממצב התוק של ה-IGBT למצב גע בו ה-IGBT אינו נמצא במלואו במצב רווי. זמן סימוי (blanking) מוכנס כללית בין תחילת אות ה-turn-on והזמן בו גילוי ה-desaturation מופעל כדי למנוע גילוי לא-נכון. קבל נטעם על-ידי מקור זרם או מסנן RC מוסף לרוב כדי להציג קבוע זמן קצר לתוך מנגנון הגילוי וכדי לסנו תופעות ארעיות המוכנסות על-ידי קליטת הרעש.
הבחירה של רכיבי סינון אלה מהווה פשרה בין השגת חסינות לרעש ופעולה בתוך זמן הקצר של ה-IGBT.
לאחר גילוי זרם-היתר של ה-IGBT, אתגר נוסף הוא בניתוק IGBT ברמות זרם גבוהות מהמקובל. תחת תנאי הפעלה רגילים, מזין השער מתוכנן לכבות את ה-IGBT מהר ככל האפשר כדי למזער את הפסדי המיתוג. דבר זה מושג באמצעות עכבת הזנה נמוכה והתנגדות הזנת שער קטנה. אם אותו קצב כיבוי השער מופעל עבור תנאי זרם-יתר, ה-di/dt בקולט-פולט יהיה משמעותית גדול יותר בשל שינוי הזרם הגבוה בפרק זמן קצר. השראה טפילית בתוך מעגל הקולט-פולט בשל השראת חיבור המוליכים והשראת עקבות של המעגל המודפס יכולות לגרום לרמות מתח-יתר גדולות המושגות בתופעת מעבר על-גבי ה-IGBT (מאחר ש-VLstray=Lstray x di/dt). לכן, חשוב לספק נתיב ניתוק עכבה גבוה יותר כאשר מכבים את ה-IGBT במהלך אירוע ה-desaturation במגמה להקטין את ה-di/dt וכל רמות מתח-יתר ההרסניות בכוח.
מלבד קצרים הקורים כתוצאה של כשלים בתוך המערכת, ירייה רגעית של המהפך יכולה לקרות גם בפעולה רגילה. בתנאי פעולה רגילים, הצתת ה-IGBT דורשת שה-IGBT יוזן בתוך אזור הרוויה שם הפסדי ההולכה יהיו מזעריים. דבר זה מחייב אופיינית מתחי שער-פולט של וולט במהלך מצב ההפעלה. כיבוי ה-IGBT מחייב שה-IGBT יוזן לאזור הקיטעון של הפעולה כך שיוכל לחסום בהצלחה את המתח הגבוה ההפוך דרכו נדלק ה-IGBT בצד הגבוה. בעיקרון דבר זה ניתן להשיג על-ידי הקטנת מתח השער-פולט של ה-IGBT ל-0 וולט. אולם, יש להביא בחשבון תופעה משנית כאשר הטרנזיסטור בצד הנמוך של ענף המהפך מופעל. המעבר המהיר של מתח קשר המיתוג בהפעלה גורם לזרם המושג על-ידי קיבול לזרום בקבל Miller שער-קולט טפילי בצד הנמוך של ה-IGBT . זרם זה עובר דרך עכבת הניתוק של מזין השער בצד הנמוך , תוך יצירת עלייה של מתח המעבר בחיבורי השער-פולט בצד הנמוך של ה-IGBT, כמתואר. אם מתח זה עולה מעל מתח הסף של ה-IGBT, VTH, הוא יכול לגרום להפעלה קצרה של הצד הנמוך של ה-IGBT, תוך גרימה של ירייה רגעית של המהפך מאחר ששני ה-IGBTs מופעלים לפרק זמן קצר. דבר זה לא יגרום ככלל להרס ה-IGBT, אך הוא יעלה את פיזור ההספק ויסכן את האמינות.
קיימות ככלל שתי גישות לחיבור מהפך מופעל של IGBTs – תוך שימוש בספקים דו-קוטביים ו/או הוספת מעגל ריתוק Miller. היכולת לקבל ספק-כוח דו-קוטבי בצד המבודד של מזין השער מספקת מרווח נוסף עבור תופעת המעבר של המתח המושרה. לדוגמה, פס הספקה שלילי של -7.5 וולט פירושו שתופעת מעבר של מתח בגודל של מעל 8.5 וולט תהיה דרושה כדי ליצור הפעלה לא-רצויה. דבר זה מספיק בד”כ כדי למנוע הפעלה לא-רצויה.
גישה משלימה היא להקטין את עכבת הכיבוי של מעגל הזנת השער לפרק זמן לאחר השלמת העברת הכיבוי. דבר זה מוכר כמעגל ריתוק Miller. הזרם הקיבולי זורם עכשיו במעגל בעל עכבה נמוכה יותר, תוך הקטנת גודל תופעת המעבר של המתח. גמישות נוספת בבקרה על קצבי המיתוג יכולה להיגרם על-ידי שימוש בנגדי שער לא-סימטריים עבור ההפעלה והניתוק. לכל פעולות מזין השער הללו יש השפעה חיובית על אמינות ויעילות המערכת.

דוגמה ניסיונית
המערך הניסיוני משתמש במהפך תלת-מופעי המוזן מרשת ה-ac דרך מיישר חצי-גל. במקרה זה דבר זה גורם למתח אפיק ה-dc של 320 וולט, אם כי ניתן להשתמש במערכת במתחי אפיק dc של עד 800 וולט. מנוע השראה של 0.5HP מוזן על-ידי בקרה בחוג פתוח V/Hz בפעולה רגילה. ה-IGBTs הם IRG7PH46UDPBF של 1200 וולט, 30 אמפר של International Rectifier. הבקר הוא מעבד אותות מעורבים ADSP-CM408F Cortex®-M4F של Analog Devices . מדידת זרם המופע מבוצעת תוך שימוש במאפנני Ʃ-Δ AD7403 והזנת השער המבודד ממומשת על-ידי שימוש ב-ADuM4135, מזין שער מבודד מגנטית בעל גילוי desaturation משולב, ריתוק Miller, ותכונות הגנת ה-IGBT אחרות. בדיקת הקצר מבוצעת על-ידי מיתג ידני של קצר בין מופעי המנוע או בין מופע של מנוע ואפיק dc שלילי. הקצר להארקה אינו נבדק בדוגמה זו.
הבקר וכרטיסי ההספק מוצגים באיור 5. אלה הם ה-©ADSP-CM408F EZ-kit ופלטפורמת המהפך המבודד EV-MCS-ISOINVEP-Z ,7, שניהם זמינים מ-Analog Devices.
זרם היתר של IGBT וההגנה בפני קצר ממומשים תוך שימוש במגוון שיטות בחומרה הניסיונית. אלה הם:
חישת זרם באפיק DC (כשל הירי של המהפך)
חישת זרם מופע המנוע (כשלים בליפופי המנוע)
גילוי ה-desaturation של מזין השער (כל הכשלים)
בשביל מעגל חישת זרם האפיק dc, יש להוסיף מסנן קטן כדי למנוע כשל מוטעה, מאחר שזרם אפיק ה-dc הוא בלתי רציף ובעל סיכוי של תוכן רועש. מסנן RC בעל קבוע זמן של 3 מיקרו-שניות משמש לכך. לאחר גילוי של זרם-היתר, יתר ההשהיות של ניתוק ה-IGBT הן השהיות דרך מגבר המכשור, המשווה, מבודד האותות, זמן היענות של התנועה ב-ADSP-CM408F והשהיית ההתפשטות במזין השער. דבר זה מסתכם בתוספת של 0.4 מיקרו-שניות, וכתוצאה נוצרת השהיית ניתוק כוללת של 3.4 מיקרו-שניות – הרבה בתוך קבוע הזמן של קצר ב-ICBTs רבים. תזמון דומה קיים גם בחישת זרם מופע המנוע תוך שימוש ב-AD7403 בצירוף עם מסנני ה-sinc של גילוי עומס היתר המלא במעבד ADSP-CM408F. אלה פועלים היטב עם קבוע זמן של מסנן sinc של כ-3 מיקרו-שניות8. השהיות המערכת הנותרות במקרה זה הן רק בשל הניתוב הפנימי של אות התנועה אל יחידת ה-PWM והשהיית ההתפשטות של מזין השער, מאחר שמסנני עומס היתר sinc הם פנימיים למעבד. ביחד עם זמן התגובה של מעגל חישת הזרם או המסננים הדיגיטליים המהירים, השהיית ההתפשטות הקצרה ביותר של ה-ADuM4135 בשני המקרים היא קריטית להשגת הגנה בפני זרם-יתר מהירה וסבירה תוך שימוש באחת השיטות הללו.
באיור 6, מוצגת ההשהיה בין אות מהלך החומרה, אות המוצא PWM וצורת הגל שער-פולט האמיתית של ה-IGBT העליון באחת מענפי המהפך. ההשהיה הכוללת בתחילת הכיבוי של ה-IGBT מוערכת כ-100 ננו-שניות.
גילוי ה-desaturation של מזין השער עשוי לפעול משמעותית מהר יותר מאשר שיטות גילוי זרם היתר המתוארות לעיל, והוא חשוב כדי להגביל את מידת זרמי הקצר המותרת לעלות, ובכך מוגברת אמינות המערכת הכוללת מעל הרמות שניתן להשיג אפילו בהגנת זרם יתר מהירה. דבר זה מוצג באיור 7. בשעה שהכשל קורה, הזרם מתחיל לגדול במהירות – למעשה הזרם הוא הרבה יותר גבוה מאשר מוצג כאשר המדידה נלקחת עם חיישן זרם של 20 אמפר מוגבל ברוחב-פס לשם הדגמה בלבד. מתח ה-desaturation מגיע לרמת מהלך של 9 וולט ומזין השער מתחיל להיכבות. ברור שהמשך הכולל של הקצר הוא פחות מ-400 ננו-שניות. הזנב הארוך של הזרם הוא הדעיכה של האנרגיה ההשראתית על-ידי המהלך החופשי של הזרם בדיודה האנטי-מקבילה של ה-IGBT הנמוך יותר.
העלייה ההתחלתית במתח ה-desaturation במהלך ההפעלה היא דוגמה של יכולת גילוי ה-desaturation האקראי בשל מצב המעבר של מתח קולט-פולט. דבר זה ניתן לביטול על-ידי העלאת קבוע הזמן של מסנן ה-desaturation כדי להוסיף זמן סימוי (blanking time) נוסף.
איור 8 מראה את מתח הקולט-פולט על-גבי ה-IGBT. קיימת כאן עליית-יתר התחלתית של כ-80 וולט מעל מתח האפיק של 320VDC בשל העכבה הגבוהה יותר בכיבוי במהלך ההגנה בפני desaturation. התנועה של הזרם בדיודה האנטי-מקבילה וטפילות המעגל גורמות למעשה לעליית יתר מעט גבוהה יותר עד כדי כ-420 וולט.
הערך של ריתוק Miller במניעת ירייה של המהפך בפעולה רגילה מוצג באיור 9.

סיכום
גילוי זרם יתר וקצר וכיבוי בפרק זמן קצר ביותר הופך לחשוב יותר בשעה שזמן העמידה של קצר ה-IGBT יורד עד כדי רמה של 1 מיקרו-שנייה. האמינות של הזנת מנועים תעשייתיים קשורה היטב למעגלי ההגנה של ה-IGBT. מאמר זה ציין כמה גישות לטיפול בבעיה זו, והציג תוצאות ניסיוניות המדגישות של הערך של ICs חזקים מבודדים של הזנת שער דוגמת ה-ADuM4135 של Analog Devices.
סימוכין
1 Jonah Chen, Pengwei Sun, and Anna Grishina. “Gen2 SIP1A IRAM:
AN-1215.” International Rectifier, 2015.
2 Rahul Chokhawala, Jamie Catt, and Laszlo Kiraly. “A Discussion on
IGBT Short-Circuit Behavior and Fault Protection Schemes.” Industry
Applications, IEEE Transactions, Vol 31, No 2, 1995.
3 IRGP4266PbF Data Sheet. International Rectifier.
4 IGBT Application Note. Renesas Electronics Corporation, 2013.
5 “High Speed HSJ.” Mersen.
6 Mixed Signal Control Processors—ADSP-CM408F. Analog Devices, Inc.
7 Isolated Inverter Platform Evaluation Board. Analog Devices, Inc.
8 Dara O’Sullivan, Jens Sorensen, and Aengus Murray. AN-1265
Application Note, Isolated Motor Control Feedback Using the ADSPCM402F/
ADSP-CM403F/ ADSP-CM407F/ADSP-CM408F Sinc Filters and
the AD7403. Analog Devices, Inc.

Dara O’Sullivan הוא מהנדס יישומי מערכת ב-Motor and Power Control Group של Analog Devices. התמחותו היא בהמרה ובקרה של הספק ביישומי בקרת מנועי ac.