Alexander Savernin, Gamatronic
חוגים טכנולוגיים עסוקים באלקטרוניקת הספק, ולאחרונה התקדמו גם מחקרים לחקר ופיתוח טכניקות לניצול תופעות פרזיטיות לטובת המערכת.
שילוב מתח גבוה ומהירות מיתוג מהיר בעיקר, מושג ע”י הקטנת Inductances
ו-Capacitances פרזיטיים.
צמצום הפסדי מיתוג מתואר בשלבים:
בשלב הראשון: Inductance פרזיטי מצטמצם למינימום כדי לפתור את הבעיה עם TURN OFF של IGBT בממיר של האל-פסק CENTRIC.
בשלב השני: מקטינים הפסדים ON TURN של IGBT ממיר על-ידי ניצול Inductance פרזיטי במודול החדש של האל-פסק CENTRIC.
מוצגות תוצאות בדיקת הניסוי.
2.1 turn on של ממתגים
לצורך הדגמה עבודה של ממיר יציאה של מכשיר CENTRIC 25KVA/25KW ננתח מעגל מייצג – טופולוגיה STEP-DOWN.
במערכת המרה STEP-DOWN עם עומס אינדוקטיבי (ראה איור 1) דיודה D1 במצב מוליכה של זרם מתמשך של L-load לרגע של turn ON של הטרנזיסטור T1.
הטרנזיסטור מתחיל עכשיו להוליך. ברגע שטרנזיסטור T1 מוליך מלא, מתח המוצא על L-load יהיה שווה למתח DC-BUS החיובי (DC+). אזי הדיודה תעמוד בפני מתח הפוך ותזרים זרם לכוון הפוך עד השלמת החסימה (RECOVERY CURRENT). זה יגרום להפסדים בדיודה (PREC) וזה יגדיל את הזרם בטרנזיסטור. השיא הנוכחי לעתים קרובות הוא מקור של EMI במערכת. לאחר שהדיודה התאוששה לחלוטין ונחסמה, הזרם בטרנזיסטור ירד חזרה לרמת זרם יציאה (SCOPE 1). ובכך תהליך Turn On הושלם.
השראות טוריים לטרנזיסטור מקטינה את שיא RECOVERY CURRENT, וכך מקטינה הפסדי Turn On.
2.2 turn off של ממתגים
מיתוג turn off של IGBT בטופולוגיה STEP_DOWN מפתח בזמן שעל טרנזיסטור מתח מתפתח מסדר-גודל 2V עד מתח שווה למתח של DC-bus, זרם דרך IGBT יורד לאפס, דיודה D1 ממשיכה להעביר דרכה זרם של עומס יציאה.
מיתוג turn off של IGBT מפתח SPIKE מתח, מה שמוסיף הפסדים וזה עלול גם לגרום לטרנזיסטור להרס.
אנרגיה שמורה ברכיב השראי טורי
ל-DC-bus גורמת ל-SPIKE לפי:
VCE (peak) = VCE + L x di/dt
ולפי כך תלויה ממהירות המיתוג, או השראות נתונה.
אם רוצים מיתוג מהיר Turn-off, ברור שנדרש להקטין את השראות המעגל כמה שאפשר.
אבל נציין, שצמצום השראות פרזיטית במעגל לא מצמצמת הפסדים בזמן turn ON של IGBT, ואפילו מעלה אותם.
יש לנו מעגל אחד, מיתוג Turn-on, מיתוג Turn-off, לכן המטרה הינה מורכבת – לירידת השראות לכוון turn OFF, ולהעלות השראות של מעגל לכוון turn ON.
3.1.אמצעים לצמצום השראות פרזיטית לכוון Turn-off במעגל
לפי חוק לנץ במעגל חשמלי עם השראות, שינוי זרם חשמלי גורם למתח שמתנגד לשינוי בזרם (השראות עצמי).
הנושא המרכזי הוא שהשדה המגנטי מעורר השראה.
מכאן שהשיטות לצמצום השראות טפיליות הן בהקטנת השדה המגנטי כמה שאפשר. דוגמאות לגישה כזאת הם twisted pair conductors או coaxial cables.
במכשיר CENTRIC 25KVA/25KW חיבורים POWER מובילים נעשו בטכניקת (printed circuit board). ישנם שתי שיטות להעברת מוליכים על PCB.
שיטה ראשונה היא הצבת מוליכים אחד מעל השני, ויצירת מבנה מקבילי, כפי שמוצג באיור 3 (Figure2).
או הצבת מוליכים אחד על-יד השני באותו מישור, יוצר מבנה coplanar כפי שמוצג באיור 3 (Figure3).
הדרך הטובה ביותר להמחיש את ההשפעות הגיאומטריות היא לשקול את השדה המגנטי שנוצר על ידי מוליך יחיד, שמוצג באיור 4. קווי השדה המגנטיים והזרם הנוכחיים מצייתים לחוק יד ימין. עכשיו, קחו בחשבון את הזוגות המוליכים עם זרמים הזורמים בכיוונים מנוגדים.
איור 4 מצביע על המבנה שלו היתרון באופן משמעותי ביותר.
במבנה מקביל ישנה חפיפה המבטלת את השדה המגנטי טוב יותר מאשר גישת coplanar.
בדיקה ע” חישוב מתמטי מחזקת מסקנה זו (איור 5):
For the parallel plate case, the inductance per unit length is 0.0377nH/ mm.
For the coplanar plate case, the inductance per unit length is 0.2167nH/mm.
3.2 בדיקת אמצעים לצמצום השראות פרזיטית לכוון Turn-off במעגל
בשלבים מוקדמים של פיתוח מכשיר CENTRIC 25KVA/25KW בדקנו השפעה של מבנה מוליכים במרחב בניסוי מעשי.
נעשו בדיקות בתנאים שווים, חוץ ממבנה מוליכים.
Test conditions: Vdc=400V,Iout=80A,Rg=4ohm(+_ 15V),Q1=IKW75N60T
SCOPE 3 מראה תוצאות מדידה של ניסוי עם מוליכים coplanar.
SCOPE 3
Results:
Vds max=876V, ITY=2.86523mVAs.
IGBT turn-off chart with coplanar plate.
Yellow-Vds, blue-Id, green-Vgs, red-losses (ITY).
SCOPE 4 מראה תוצאות מדידה של ניסוי עם מוליכים parallel plate בתנאים שווים לניסוי הקודם.
Results:
Vds max=551V, ITY=2.25383mVAs.
ההבדל בתוצאות מרשים במיוחד, לכן, מבנה מוליכים מקבילי נותן לא רק ירידה נכרת בהפסדים Turn-off, אלא חשוב מזה, הוא יותר משפיע על רמות OVER-SHOOTING Vds.
במסגרת פרויקט במכשיר CENTRIC 25KVA/25KW נבחרה אסטרטגיית הצבת מוליכים אחד מעל השני, היוצר מבנה מקבילי.
4.1 אמצעים לצמצום הפסדים לכוון Turn-on במעגל
כדי להקטין הפסדי Turn-on צריך להגדיל השראות טורי לזרם, משימה מנוגדת למשימה קודמת, אבל, זה אפשרי, כי מסלול של חלק מזרמים בזמן
Turn-on בטופולוגיה 3-LEVEL הם שונים ממסלולי Turn-off. בזמן Turn-on של Q1 לדוגמה (איור 6) בנוסף לזרם LOAD (ירוק), מתאסף גם CR2 Recovery current (אדום).
יצירת השראות Strain inductors באזור מובחר, משפיע על הירידה בגודל
ה-Recovery current נוצר ברכיב טורי לרכיב ממתג, ולא משפיע על מסלול Load current.
באיור 7 אפשר לראות איך ביצענו השראות Strain inductors.
חישוב מתמטי להשראות שנוצרה:
השראות מחושבת היא 133nH. ניתן לראות את ההשפעה שלה על הפסדי המיתוג באופן ברור בתנאים קיצוניים, שיכולים לקרות לטרנזיסטורים במעגל 3-LEVEL INVERTER, הניסוי מוסבר בהמשך הכתבה.
4.2 בדיקת אמצעים לצמצום הפסדים לכוון Turn-on במעגל
במסגרת בדיקות אמינות ל-CENTRIC 25KVA/25KW, נבדקו תקלות יזומות.
אחד מהם – תקלה יזומה יוצרת מצב CROSS_CONDUCTION.
כנגד תקלה אפשרית קיימת במעגל בקרת 3-LEVEL INVERTER הגנה DESATURATION של IGBT (רכיב ACPL331J-Agilent).
בדקנו השפעה של השראות טורית 133nH בניסוי מעשי.
נעשו בדיקות בתנאים שווים.
Test conditions: Vdc=400V,Rg=4ohm(+_ 15V),Q1=IKW75N60T, sense time DESAT=4uS
SCOPE 5 מראה תוצאות מדידה ללא השראות טורית 133nH.
Results:
Vds max=497V,Imax=231A, ITY=273.260mVAs.
SCOPE 6 מראה תוצאות מדידה עם השראות טורית 133nH, בתנאים שווים לניסוי הקודם.
Results:
Vds max=498V,Imax=227A, ITY=265.900mVAs.
ירידה בהפסדים:
ירידה בהפסדים במצב הנבדק IGBT DESAT תורמת לאמינות, מורידה סטרס ממערכת.
סיכום
צמצום הפסדי מיתוג נותן בסיס לעליה בתדר מיתוג, מה שגורם לירידה בגודל ומשקל רכיבים פסיביים.
הכרת הפיסיקה של התקני הספקים, מוליכים, חצאי מוליכים, חדשות לבקרים מאפשרת טופולוגיות נצילות יותר, שבאים לביטוי במכשיר CENTRIC 25KVA/25KW בנפח הקטן ביותר בשוק שמאפשר ריכוז רב של הספק בשטח רצפה מזערי.
הנצילות הגבוהה המגיעה ל-96% מקטינה את הוצאות החשמל באופן ישיר וכן באופן עקיף על ידי דרישות למתקני מיזוג אוויר מוקטנים, הגורמים לצמצום צריכת אנרגיה ובכך להפחתת פליטת דו תחמוצת הפחמן כאמצעי נגד שינוי האקלים הגלובלי. נצילות גבוהה זו מייתרת את עבודת ה-ECO ה”חסכונית” שהיא למעשה מערכת Standby מסוכנת.
