Драйверы затвора с оптической развязкой Broadcom широко используются для управления IGBT в таких приложениях как солнечные инверторы, системы управления двигателями и т.д. Оптическая развязка является проверенной и надежной технологией для обеспечения изоляции между силовым IGBT и цепями управления. Кроме того, оптическая развязка позволяет снизить влияние синфазного шума (CMR) на управляющий сигнал и предотвратить ошибочное закрытие/открытие IGBT.
Для обеспечения работоспособности и сохранения целостности изоляционного барьера следует избегать возникновения на оптической развязке напряжения величиной, превышающей номинальное значение. Однако это довольно сложно организовать при возникновении отказа, вызванного коротким замыканием IGBT. В данной статье описано влияние возможных отказов незащищенных IGBT на изоляционный барьер драйверов затвора с оптической изоляцией компании Broadcom.
Оптическая развязка и структура изолятора
Оптическая развязка в компонентах Broadcom обеспечивает высокий уровень изоляции благодаря изоляционному барьеру, состоящему из трёх слоёв, общей толщиной, превосходящей аналогичный параметр у компонентов на основе других технологий. Три слоя изоляционного барьера представляют собой структуру кремний-полиимиидная пленка-кремний (рисунок 1).
Полиимидная пленка создана специально для того, чтобы противостоять разрушающему воздействию частичного разряда, который может вызвать ионизацию и разрушение изоляционного материала. Уникальные свойства полиимида, заключающиеся в высокой электрической прочности и широком температурном диапазоне работы, позволяют использовать его в компонентах для обеспечения изоляции в широком спектре приложений: от локомотивов и поездов до аэрокосмической техники. Полиимидная пленка, используемая в компонентах Broadcom, имеет диэлектрическую прочность 300 кВ/мм и способна выдерживать температуры от –200 °C до + 400 °C.
Примером компонента, использующего в своем составе полиимиидную пленку в качестве одного из слоев изоляции, может послужить драйвер затвора с оптической развязкой ACPL-337J. Данный драйвер имеет толщину изолятора (distance through solid insulation, DTI) 0,5 мм с пиковым значением пробивного напряжения до 1414 В (VIORM = 1414 VPEAK) и соответствует стандартам безопасности IEC / EN / DIN EN 60747-5-5.
Стандарт IEC / EN / DIN EN60747-5-5
является промышленным стандартом, разработанным специально для компонентов с оптической изоляцией. Стандарт регулирует температурные и механические требования компонентов, их стойкость к вибрационным воздействиям, влагозащищенность, стойкость к частичному разряду и перенапряжению, а также методики тестирования.
Перед тестированием на частичный разряд, компоненты проходят испытания на соответствие требованиям безопасности входов и выходов микросхемы в течение 72 часов. Тестирование на соответствие требованиям позволяет удостовериться, что ток в контактах, рассеиваемая мощность и температура корпуса не превышают установленные пределы и не способны повлиять на целостность изоляционного барьера.
Перегрузки на участке с оптической развязкой можно избежать при помощи шунтирования источника питания, а также включения в цепь ограничительного диода и резисторов. В то же время перегрузку, вызванную отказом высоковольтного IGBT, таким как короткое замыкание или ложное отпирание транзистора из-за наличия емкости Миллера, можно предотвратить с помощью функции обнаружения падения напряжения насыщения (IGBT DESAT) и функции активного подавления эффекта Миллера (Active Miller Clamp), которые, в том числе, присутствуют в драйвере ACPL-337J.
В данной публикации, помимо методов защиты, будет описана степень воздействия отказа незащищенного IGBT на целостность изоляционного барьера драйвера затвора с оптической изоляцией на примере компонентов Broadcom.
Режимы отказа IGBT и методы тестирования
Существует три основных причины отказа IGBT, которые могут спровоцировать появление высокого напряжения на оптической развязке и стать причиной разрушения изоляционного барьера:
1) десатурация (выход из насыщения) IGBT
2) скачок напряжения коллектор-эмиттер (VCE)
3) ложное отпирание транзистора из-за наличия емкости Миллера в структуре IGBT. Возможные причины отказов и методы тестирования приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, драйвер затвора ACPL-337J имеет защитные функции для предотвращения возможных последствий при отказе IGBT: функция обнаружения падения напряжения насыщения (DESAT), Плавное отключение транзистора (Soft shutdown) и функция активного подавления эффекта Миллера (Active Miller Clamp). При проведении тестирования на воздействие отказа IGBT на изоляционный барьер драйвера, данные функции будут отключены. Тестирование включает в себя 3 этапа:
Тест IGBT на короткое замыкание с отключенной функцией DESAT
Повторный тест на короткое замыкание с включенной функцией DESAT
Выброс тока с IGBT в оптическую развязку
Тест IGBT на короткое замыкание
При проведении теста на короткое замыкание для управления затвором IGBT на 1200 В/150 А использовался драйвер ACPL-337J. ACPL-337J обеспечивает гальваническую развязку между высоковольтной и логической частями схемы и был запитан от однополярного 15-вольтового источника питания.
Между коллектором и эмиттером IGBT был подключен конденсатор на 5600 мкФ для создания короткого замыкания при включении питания, а сама цепь запитана от источника 600 В. Вывод DESAT драйвера ACPL-337J был подключен на землю для отключения соответствующей функции защиты и предотвращения автоматического отключения IGBT во время короткого замыкания. Схема подключения драйвера ACPL-337J к IGBT приведена на рисунке 2, в схеме отсутствует ограничительный диод.
При возникновении короткого замыкания, ток эмиттера (IE) составил 7 кА, транзистор не вошел в режим насыщения (VCE) и напряжение затвор-эмиттер (VGE) значительно возросло (рисунок 3), в результате чего произошел перегрев и взрыв компонента. Напряжение затвор-эмиттер также было приложено к изоляционному барьеру ACPL-337J.
Несмотря на то, что корпус ACPL-337J не был подвержен негативным воздействиям за исключением ожогов, полученных в результате взрыва IGBT (рисунок 4), многие второстепенные компоненты платы драйвера затвора были повреждены и она утратила работоспособность (рисунок 5).
После проведения теста на короткое замыкание, драйвер затвора ACPL-337J дополнительно прошел электрические испытания на частичный разряд (1.88 кВ(RMS)/с) и воздействие высокого напряжения (6.2 кВ(RMS)/с) для определения степени повреждения изоляционного барьера. После чего был проведен визуальный осмотр внутренней и наружной части компонента (рисунок 6).
Визуальный осмотр полиимидной пленки не выявил повреждений, а изоляция осталась неповрежденной, что свидетельствует об успешном прохождении теста.
Повторный тест IGBT на короткое замыкание с включенным DESAT
Схема подключения драйвера ACPL-337J к IGBT для проведения данного теста имеет такой же вид, как и в предыдущем испытании, за исключением того, что вывод DESAT драйвера не был замкнут на землю, а оставался в плавающем положении (функция обнаружения падения напряжения насыщения активирована) (рисунок 7).
ACPL-337J будет отключать IGBT при возникновении короткого замыкания в течение 1 мкс. Потребуется от 10 до 20 циклов тестирования с периодом около 2 с, чтобы спровоцировать выброс напряжения коллектор-эмиттер (VCE) и вызвать повреждения IGBT. После проведения испытания, драйвер ACPL-337J также прошел тест на частичный разряд (1.88 кВ(RMS)/с) и воздействие высокого напряжения (6.2 кВ(RMS)/с).
Плата драйвера затвора утратила работоспособность из-за повреждения второстепенных компонентов, однако визуальный осмотр снова не выявил повреждений полиимидной пленки, что свидетельствует о том, что изоляция осталась неповрежденной (рисунок 8).
Выброс тока с IGBT в оптическую развязку
В данном тесте на выход драйвера затвора ACPL-337J был подан ток с эмиттера IGBT. Транзистор был запущен импульсом 15 В, на входе драйвера затвора поддерживался высокий логический сигнал, а к коллектору IGBT был подключен конденсатор на 5600 мкФ при напряжении шины 600 В (рисунок 9).
В момент возникновения на затворе IGBT напряжения 15 В, подключенный осциллограф зафиксировал скачок тока на эмиттере величиной около 700 А (рисунок 10). Данный тест является наиболее разрушительным, так как ток напрямую втекал в вывод драйвера затвора, вызывая серьезные повреждения платы.
После проведения испытания, драйвер ACPL-337J прошел тест на частичный разряд (1.88 кВ(RMS)/с) и воздействие высокого напряжения (6.2 кВ(RMS)/с). Визуальный осмотр полииминой пленки также, как и в предыдущих испытаниях, не выявил повреждений (рисунок 11).
Заключение
Полиимидная пленка и изоляционный барьер драйверов затвора с оптической развязкой от Broadcom доказали свою надежность даже при высоких нагрузках, вызванных отказом подключенного IGBT (короткое замыкание с включённым и отключенным DESAT, выброс тока высокого значения в оптическую развязку).
Несмотря на то, что платы драйвера затвора в результате испытаний вышли их строя, сами драйверы успешно прошли испытания на частичный разряд и воздействие высокого напряжения, а значит сохранили должный уровень изоляции, способный обеспечить безопасность оператора и оборудования системы. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2. Результаты испытаний на влияние отказа IGBT на оптическую развязку подключенного драйвера затвора
Компоненты, которые используют альтернативные технологии изоляции (индуктивная и емкостная изоляция) имеют куда меньшую величину изоляционного барьера (менее 17 мкм) и не смогут обеспечить должный уровень безопасности в случае наступления одного из описанных в данной статье режимов отказа IGBT.
