Хабрахабр

[Перевод] Электробезопасность оптических изоляторов в условиях возможных отказов

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 подавлением 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.

Таблица 1. Режимы отказа IGBT и методы тестированияТаблица 1. Режимы отказа IGBT и методы тестирования

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.

Рисунок 2. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения теста на короткое замыканиеРисунок 2. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения теста на короткое замыкание

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.

Рисунок 3. Замер тока и напряжения IGBT при проведении теста на короткое замыканиеРисунок 3. Замер тока и напряжения IGBT при проведении теста на короткое замыкание

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).

Рисунок 4. Разрушение IGBT после теста на короткое замыканиеРисунок 4. Разрушение IGBT после теста на короткое замыканиеРисунок 5. Плата драйвера затвора ACPL-337J до и после теста на короткое замыканиеРисунок 5. Плата драйвера затвора ACPL-337J до и после теста на короткое замыкание

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).

Рисунок 6. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения теста на короткое замыканиеРисунок 6. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения теста на короткое замыкание

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).

Рисунок 7. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения повторного теста на короткое замыканиеРисунок 7. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения повторного теста на короткое замыкание

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).

Рисунок 8. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения повторного теста на короткое замыканиеРисунок 8. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения повторного теста на короткое замыкание

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).

Рисунок 9. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения теста на воздействие постоянного тока на оптическую развязкуРисунок 9. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения теста на воздействие постоянного тока на оптическую развязку

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.

Рисунок 10. Скачок тока на эмиттере в момент включения транзистораРисунок 10. Скачок тока на эмиттере в момент включения транзистора

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).

Рисунок 11. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения теста на воздействие постоянного тока высокого значенияРисунок 11. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения теста на воздействие постоянного тока высокого значения

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

Таблица 2. Результаты испытаний на влияние отказа IGBT на оптическую развязку подключенного драйвера затвора 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.

Литература
ACPL-337J 4. 0 Amp Gate Drive Optocoupler with Integrated (VCE) Desaturation Detection, Active Miller Clamping, Fault and UVLO Status Feedback, Broadcom, AV02-4390EN.

Показать больше

Похожие публикации

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»