Capacitancia de Miller que provoca el encendido del IGBT en medio puente

Question

Hace algún tiempo construí un puente en H con 5 IRFP250N en paralelo y después de un par de IR2104 reventados se me ocurrió este diseño de driver que tenía más que ver con la protección del CI que con otra cosa:

Dónde:

• HO es la puerta superior del MOSFET
• LO es la puerta inferior del MOSFET
• Vs es la salida de medio puente

(R2 no está conectado. Fue diseñado para que pueda poner otro chip allí. R1, R4, R5 están en cortocircuito si no recuerdo mal. R17, R18, R19, R21, R22, R23 están ahí para que pueda experimentar con diferentes valores. Las resistencias de puerta están soldadas directamente a los transistores).

Funcionó bien y nunca tuve ningún problema con él. La frecuencia de conmutación era de 400 Hz con tiempos de conexión y desconexión de unos 700 nS. Luego compré dos módulos 2MBI200U2A-060 baratos y conecté estos controladores. Cuando no se aplica alimentación al medio puente, esta es la forma de onda en la puerta del IGBT inferior:

A mí me parece bien. Entonces después de aplicar 30 V al puente esto es lo que pasó:

La forma de onda amarilla es Vge y la azul Vce del IGBT inferior. Esto es sin la carga. Hay amortiguadores añadidos, pero todavía hay un poco de zumbido en la salida, pero esto no es lo que me preocupa.

El voltaje en la puerta de repente se eleva muy por encima del umbral de encendido y el IGBT realmente comienza a conducir porque puedo ver el aumento de consumo de energía cuando este pico va por encima de 7 V. He intentado diferentes resistencias de puerta y diodos, así como la adición de un circuito de descarga de puerta PNP (usando creo que era TIP42C emparejado con el segundo transistor conectado en Darlington) y el pico de tensión máxima fue de alrededor de 5 V.

Cuando conecto la carga mejora un poco pero sigue sin ser bonito. Con una resistencia de 100 y un diodo en la puerta el tiempo de encendido era de unos 7 s y el de apagado de 1 s, pero en este punto tener estos tiempos tan grandes es sólo una pérdida de potencia.

He probado diferentes combinaciones de resistencias de puerta, diodos, e incluso un segundo controlador de tótem, pero no puedo deshacerme de este pico. Sé que puedo usar voltaje negativo en la puerta pero esto complica mucho el circuito. ¿Cómo puedo evitarlo?

Creo que esto tiene algo que ver con la capacitancia de Miller, pero no estoy seguro. La hoja de datos dice que este módulo tiene 14 nF capacitancia de entrada, por lo que bastante alto. Al final planeo usar este puente con 150 V, 180 A funcionando a 400 Hz y temo que con 150 V ambos transistores se enciendan y exploten.

Se agradece cualquier ayuda.

Answer 1

Un excitador de arranque es totalmente inadecuado para este tipo de IGBT. Observe la curva Cres vs. Coes en la ficha técnica (véase también la edición a continuación): esto significa para un paso de tensión en el colector, la mitad de ese voltaje aparece en la puerta. Son bastante horribles como transistores hoy en día, pero qué se puede esperar de un diseño de hace unos 20 años, supongo. (Bastante buenos para, por ejemplo, accionamientos de motor, que era probablemente la principal aplicación en la que se utilizaban).

Los dispositivos de este tipo deben funcionar con una impedancia de accionamiento de puerta lo suficientemente baja y una dV/dt lo suficientemente lenta en el nodo de conmutación, para que el diferenciador así formado (entre el divisor de condensadores C-G-E y la resistencia de puerta equivalente total) no deje caer una tensión suficiente para encender el transistor, provocando así una conmutación destructiva (shoot-through). V _ge(off) podría estar hasta un par de voltios por debajo de V _ge(th) por lo que debe ser bastante inferior: la ficha técnica recomienda -15 V.

El dV/dt de encendido también está controlado por R _G y la misma capacitancia equivalente, por lo que basta con conectar el accionamiento de puerta que se tenga y ajustar R _G hasta que la conmutación sea lo suficientemente segura en todas las condiciones de funcionamiento.

Su circuito puede seguir funcionando, pero R _G debe ser mucho más alto para conseguir que dV/dt sea lo suficientemente bajo como para soportarlo. Esto es una consecuencia directa de V _GE(apagado) unos pocos voltios por debajo de V _GE(th) en lugar de más de 15 por debajo.

Normalmente se utiliza un controlador de puerta aislado, con una alimentación total de 30 V (o una alimentación de 15 V y una salida de puente H, pero esto dificulta la adición de protección contra la desaturación, otra característica muy recomendable). Esto resuelve tanto el problema del aislamiento entre la tensión de control y la tensión de red (los dispositivos de 600 V se utilizan normalmente en equipos industriales de 240 V), como la dificultad (¡o imposibilidad!) de utilizar controladores de tipo bootstrap.

¿Realmente se necesitan IGBT para tensiones tan bajas? -- ¿se trata de una cuestión de comodidad, este módulo es más barato que las alternativas? ¿Es realmente más barato cuando la eficiencia perdida (V _CE(sat) ~ 2 V, máx. ~97% de eficiencia). La pérdida de conmutación a 400 Hz al menos no es un problema, en cualquier caso. (De hecho, con los MOSFET, su aplicación podría beneficiarse de la reducción de armónicos, o del tamaño de los componentes, mediante el uso de PWM a mayor frecuencia; esto requerirá más cuidado en el diseño del inversor, y más diseño de los controles, por supuesto, así que entiendo si esto no es una opción en este momento).

Supongo que originalmente estabas trabajando con MOSFETs, pero estropeaste el driver, lo cual es muy probable que se deba a una mala disposición. Esto no se verá afectado por pasar a IGBTs. La frecuencia de conmutación no importa: es la velocidad lo que mata, lo rápido que pasa entre encendido/apagado. La disposición forma parte del circuito y no puede ignorarse.

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Edición: El fabricante explica los parámetros aquí:
Términos técnicos y características
En particular la Fig. 2-13: las capacitancias están separadas, utilizando una definición diferente a la de la mayoría de los MOSFET. Esto explica por qué C _oes puede ser inferior a C _res . Esto también significa que debe utilizar las sumas de estos valores, según proceda, en los cálculos.

Fíjate también en la errata de la página 3, se olvidaron de editar la descripción de la "Capacitancia de salida" para que dijera capacitancia C-E. Es de suponer que utilizan esta última definición.