גם הגדולים זקוקים לקטנים
IGBT הם רכיבי מפתח במישרי זרם חילופין בהספק גבוה, המשמשים להמרת אנרגיות מתחדשות מהשמש ומהרוח. למרות או אולי בגלל העובדה שמדובר כאן במאות וולטים ובהספק של הרבה קילו-וואטים, נחוצים ממירי זרם ישר/זרם ישר קטן עם בידוד מעולה לצורך בקרת IGBT. המאמר להלן מסביר למה.
ה-IGBT משמש כמתג מהיר באלקטרוניקת ההספק. כפי שמצביע השם “טרנזיסטור דו-קוטבי עם שער מבודד” (IGBT) מדובר ביצור כלאיים של טרנזיסטור MOSFET בכניסה וטרנזיסטור דו-קוטבי ביציאה. היתרונות, שמקורם הוא אצל “ההורים”, משלימים זה את זה באופן מיטבי. כמו ה-MOSFET מתאפשר מיתוג ה-IGBT כמעט ללא זרם ובמצב הממותג יש להם מפל מתח נמוך, האופייני לטרנזיסטורים דו-קוטביים, בטווח הקולט/פולט (קולקטור/אמיטר). לכן הם מסוגלים למתג מתחים וזרמים גבוהים כמעט ללא הספק. אין פלא שהם מבוקשים במיוחד באלקטרוניקת ההספק. ואכן לא במישרי זרם החילופין בענף אנרגיית השמש והרוח בלבד, אלא גם בבקרת מנועים, מערכות ספקי אל-פסק, מחוללי ריקם (גנרטורים לוואקום), תנורי השראה מגנטית, ומעבר לכך במכונית החשמלית העתידית.
שיפועים מהירים יוצרים שיאי מתח גבוהים
לשם כך משתמשים בדרייברים (מאיצי זרם) IGBT מיוחדים, המסופקים כמעגל משולב, או המורכבים בנפרד. בדרך כלל הם ממתגים בתדירויות גבוהות (kHz 10<) ומגיעים
לשיפועים של 1000V/ms. מכיוון שהדרייברים מחוברים ישירות לפוטנציאלים הגבוהים של ה-IGBT, יש לבודד היטב כניסות של אותות וספקי המתח. זה קורה באות המיתוג באמצעות צימוד אופטי פשוט. לצורך הספקה לדרייבר-מעגל משולב יש להשתמש בממירי זרם ישר/זרם ישר עם בידוד מעולה המספקים בדרך כלל אסימטרית לדרייבר מתחים של 15+ וולט ו-9- וולט. השיפוע הגבוה מפחית את הפסדי המיתוג אך גורם לעומס גבוה על מחסום הבידוד בממיר זרם ישר/זרם ישר.
איור 1: כל דרייבר IGBT מחייב ספק המצויד בממיר זרם ישר/זרם ישר מבודד היטב העומד בפני שיאי מתח.
לצערנו אין בידינו נוסחת פלא המאפשרת לקבוע במדויק את מתח הבידוד. למרות שבמבט ראשון במיתוג אמורים להיות פוטנציאלים של כמה מאות וולטים, זה נראה אחרת במהלך העבודה. ה-dv/dt הגדול של שיפוע המיתוג יחד עם קבולי צימוד שונים יוצרים שיאי מתח קצרים ומאד גבוהים. מכיוון שקיבולים סמויים בין המוליכים, רכיבים אחרים ורכיבי השנאי עשויים להיות בעלי השפעה מרבית, קשה להתחקות אחר הבעיה מבחינה חישובית. גם טכניקת המדידות יכולה לסייע במעט, מכיוון שגם הקיבול הנמוך יחסית בראש גשש האוסצילוסקופ למתח הגבוה משפיע על תוצאות המדידה במידה ניכרת. למשל, שיא מתח מדוד של kV3 מסוגל להכפיל את עצמו במציאות, גם ללא עומס בראש הגשש. מי שמסתמך על מדידה זאת ומשתמש בממיר עם בידוד של kV4, מסכן בטווח הארוך את אמינות המוצר שלו.
הבידוד מוגדר באופן מעורפל
לא רק שיאי המתח הגבוהים והבלתי צפויים במעגלי IGBT למיתוג מהיר מהווים בעיה, אלא גם הבידוד לכשעצמו. חזותית נראה הבידוד קרוב להשוואה לסכר, המוצב בפני מפלס בגובה מסוים. כאשר סערה מחוללת גלים גבוהים, השוטפים שוב ושוב את הסכר, הנזק בו מצטבר עד שנפרץ בנקודות החלשות ביותר. השפעה נוספת לעמידות הסכר הוא משך הזמן של מי השיטפון. כאשר הוא מתרכך לגמרי לאחר ימים אחדים הוא עלול לקרוס מבלי לחרוג מהמפלס המרבי.
איור 2: גודלו של מחשב ISO ה"ערמומי" כתקליטור ומספק את כל ערכי הבידוד הניתנים להשוואה.
הן הדבר לגבי הבידוד של ממירי זרם ישר/זרם ישר. כדוגמה ניקח ממיר 1 ואט R15P15D של RECOM, שמשמש היטב ליישומי IGBT. מפרט הבידוד שלו אובחן עם VDC6400 למשך שנייה אחת. נקודת המוצא תהיה שממיר זה יעמוד תמיד בפני המתח הנקוב לפחות שנייה אחת מבלי להינזק. אם בכל פעם הוא יחשף לזמן קצר, למשל ל-kV8, במשך הזמן יבוא סופו בטרם עת. הן הדבר אם 6400 וולט יעמדו ליותר מהשנייה הנבדקת. למשל, למשך דקה אחת הוזן ערך ייחוס של 5200 וולט, ולהפעלה רציפה אפילו 3200 וולט, וכך פחות ממחצית הערך הנבדק בשנייה אחת.
כל אלה הם ערכי ייחוס המתקרבים לנושא המורכב בידוד. אין ביטחון מתמטי. מסיבה זאת פיתחה RECOM את “מחשב הבידוד” כדי שיהיו זמינים בידי משתמשים בעלי עניין. בעזרתו הופך חישוב המרת מתחי הבידוד להליך פשוט מאד. ניתן לקבל את “מחשב הבידוד” חינם באמצעות אתר הרשת www.recom-electronic.com. למשתמש המקוון והנלהב קיים מחשב ישירות באתר הרשת, בו ניתן לרשום את הנתונים. בכל מקרה עם תנועת יד קלה יספק מחשב הבידוד את הנתונים בהתאם.
טכנולוגית שנאים חדשה לחיזוק הבידוד
כפי שקורה תכופות בטכנולוגית השנאים, על היתרונות מצד אחד מתגלים חסרונות מצד שני. מרווחי אוויר וזחילה גדולים יותר לשנאים מבודדים “בעובי כפול” מחייבים בהכרח ממירים גדולים יותר. במקום ללפף את הסליל הראשוני והמשני אחד על השני לצורך חיסכון במקום, יש להפרידם זה מזה במחסום חזק ופיזיקלי על ידי ליפוף על גרעין השנאי. בנוסך לכך ישנן תוצאות ניכרות במקדם היעילות. באמצעות ההפרדה משיגים אומנם את מרווחי האוויר והזחילה אך החפיפה המיטבית של השדות המגנטיים הולכת לאיבוד וגורמת להפסד יעילות של עד 10%. ממבט ראשון זה לא קריטי במיוחד במישר זרם. ההפסד הגדול גורם להתחממות עצמית ודורש נקיטת אמצעי קרור גדולים יותר, והדבר גורם לעומס על הסביבה האלקטרונית.
איור 3: מתווה מבני של שנאי מבודד בעובי כפול ויעיל מאד
מהנדסי RECOM הצליחו ב-2010 לתכנן שנאי מבודד, עם בידוד בעובי כפול ויעיל מאד. הסליל הראשוני והמשני משולבים זה בזה בצורה כזאת ששדות מגנטיים חופפים היטב, תוך שמירה על הערכים הגבוליים של מרווחי האוויר והזחילה הנדרשים. בידוד כפול שהוכן מחומר בידוד מיוחד יחד עם תיל נחושת מבודד 3 פעמים בליפוף המשני מאפשר את הזנת מתח בידוד של kVDC10. מפתיע במיוחד: הממירים הם בגודל זהה למוצרים ברי השוואה עם בידוד מאד פשוט.
מגוון מוצרים רחב בתחום ההספק עד 6 ואט
RECOM מציעה ממירי זרם ישר/זרם ישר “שימושיים” רבים ולצדם שפע ממירים עם בידוד רב, המיועדים במיוחד ליישומי IGBT. לכך משתייכים סדרת RK עם VDC4000 בידוד וכן סדרת RP עם VDC5200 וסדרת RV עם VDC6000. לעומתם החידוש הוא בסדרות הזמינות RxxPxx וכן RxxP2xx עבור 6400 ו-8000VDC/1s. ההספק הנקוב שלהם 1 ואט ו-2 ואט, והם ארוזים במארז הקטן 7SIP. למרות מידותיהם הקטנות הם מצטיינים
בבידוד בעובי כפול ובטיחותי ליישומי IGBT תובעניים.
מארזי 24DIP לממירים עם הספק של 3.5 ו-6 ואט מסדרת REC הינם זמינים, וניתן לספק אותם במתחי בידוד של 8,000 ו-10.000VDC/1s. מקדם היעילות המושג הוא עד 86% שהוא למעשה ערך מצוין. זה משפיע חיובית על הטמפרטורה המותרת הנקובה עבור 3.5REC ל- 85º אוורור טבעי וללא הפחתת ערך. טמפרטורת המארז יכולה להגיע עד ל-105.
איור 4: אפילו ממירי הזרם ישר/זרם ישר הקטנים, בדרגת 1 ו-2 ואט, הזמינים במארז 7SIP, הבידוד שלהם הוא "בעובי כפול" שנבדק עם kVDC8
כמקובל ב-RECOM, גם המשפחה החדשה עברה ניסויי עמידות במעבדת איכות הסביבה שלנו כדי לערוב לחיי שרות ארוכים. האחריות היא ל-3 שנים. למרות המבנה המושקע טכנית והספק התפוקה המוגדל, המחירים אינם גבוהים באופן משמעותי מהמחירים בטכנולוגיה הזמינה.
הכתבה באדיבות: RECOM אלקטרוניקה, חברה בע”ממרקו פרטה (Peretta) | מנהל פיתוח עסקי
