المستشعر الكهربائي التفاضلي للحماية من الحرارة الزائدة

تتمتع أجهزة أشباه موصلات الطاقة بحد أقصى لدرجة حرارة التوصيل، ولكن ليس من السهل اكتشاف أو فهم درجة الحرارة داخل الأجهزة المغلقة في المحولات الكهربائية العاملة، بحيث تتمثل إحدى الطرق في مراقبة السلوك الكهربائي والمعروف أنه يعتمد على درجة الحرارة، على سبيل المثال لقد تبين أنه في بعض أجهزة أشباه موصلات الطاقة من نيتريد الغاليوم (GaN).

أهمية المستشعر الكهربائي التفاضلي للحماية من الحرارة الزائدة

عادة ما تكون دوائر الحماية الكهربائية ضرورية لجعل محول الطاقة قوياً وزيادة الوظائف وتحقيق موثوقية كافية، وعلى وجه الخصوص يجب أن يكون مخطط التحكم في المحول قادراً على حماية المفاتيح من درجة الحرارة الزائدة، بحيث تتمثل الممارسة العامة في الصناعة في وضع شرائح استشعار درجة الحرارة على السبورة، وذلك في أقرب مكان ممكن من أجهزة التبديل أو في الأنظمة التي تستخدم الوحدات النمطية، وغالباً ما تشتمل الوحدات على ثرمستور متصل بالركيزة.

كذلك يتم إرجاع إشارات قراءة درجة الحرارة إلى وحدة التحكم ومعايرتها للحصول على نقطة درجة حرارة حرجة، كما تعمل هذه الطريقة فقط مع الارتفاع التدريجي في درجات الحرارة ويمكن أن يكون لها خطأ كبير في حالة الارتفاع الحاد في درجة الحرارة.

كما إن الانتقال من ترانزستور تأثير حقل نيتريد الغاليوم (GaN) من السيليكون (IGBTs) إلى ترانزستور تأثير المجال (FETs) له تأثير كبير على استشعار درجة الحرارة، في حين أن التبديل الأسرع يوفر خسارة تبديل عابرة أقل، لذلك؛ فإن الخصائص الحرارية في الواقع أكثر تحدياً، وهي حزم الأجهزة الصغيرة والقوالب لها كتلة حرارية أقل ومقاومة حرارية متزايدة. تعني الكتلة الحرارية المنخفضة أن القالب سوف يسخن بشكل أسرع لخسارة عابرة معينة، مما يحد من قدرة الخسارة العابرة.

كذلك تجعل المقاومة الحرارية العالية من الصعب نقل الحرارة إلى نظام التبريد، مما يحد من قدرة الخسارة الكلية، ونتيجة لذلك تكون دوائر (GaN) أكثر عرضة للحرارة من نظيراتها من السيليكون، وبالإضافة إلى ذلك يكون الاستشعار في هذه الدوائر أكثر صعوبة بشكل عام، حيث أن ترتيب معدلات التبديل الأعلى يزيد بشكل كبير من آليات الضوضاء مثل تداخل الوضع المشترك المقترن بالمجال القريب وهناك مساحة أقل لأجهزة الاستشعار، حيث يتطلب التبديل الأسرع مزيداً من الضغط تخطيطات الدائرة.

آلية استشعار الحرارة في دوائر الحماية الكهربائية

لعدد من الأسباب يعد استشعار درجة الحرارة في دوائر (GaN) أكثر صعوبة من السيليكون، بحيث تم الإبلاغ عن تقنيات الاستشعار وغير المباشرة لقياس درجة حرارة الجاليوم، بحيث يستخدم القياس المباشر مستشعراً فيزيائياً لقياس درجة الحرارة، على سبيل المثال يظهر الصمام الثنائي غير المتجانس المدمج (GaN-on-SiC) لمراقبة درجة حرارة الوصلة لجهاز طاقة (GaN).

كذلك تقدم شركة (Texas Instruments) أجهزة (600-V-GaN) مزودة بمحرك مدمج وحماية ضد التيار الكهربائي الزائد وحماية ضد درجات الحرارة الزائدة، بحيث يُذكر أن إغلاق درجة الحرارة الزائدة يمنع الهروب الحراري للرقاقة، ومع ذلك لم يتم تحديد وقت الاستجابة للحماية، أيضاً تحتوي وحدات (IGBT) أحياناً على ثرمستور في العبوة.

أيضاً يمكن تحقيق تقدير دقيق لدرجة حرارة الوصلة، لذلك إذا كانت الممانعات الحرارية في المسار من الوصلة إلى الثرمستور معروفة ومع الأخذ في الاعتبار أن بعض هذه المعلمات قد تتغير مع تقدم الوحدات النمطية؛ فإنه يمكن أن تلغي مؤشرات درجة الحرارة غير المباشرة الحاجة إلى فهم المسار الحراري والاعتماد بدلاً من ذلك على معرفة كيفية تغير سلوك الجهاز مع درجة الحرارة، والتي قد تتغير مرة أخرى مع تقدم الأجهزة في العمر.

كما يكون المفهوم موضح في الشكل التالي (1)، بحيث يوفر مستشعر (d / dt) إشارة جهد (k⋅diS / dt)، حيث أن (k) هو ثابت تناسب متأصل في المستشعر، أي إشارة ضمن حدود النطاق الترددي، كما تتناسب مع التدرج الحالي لمصدر جهاز (GaN dis)، بحيث تم دمج هذه الإشارة وتحجيمها لتوفير إشارة جهد (vI) تمثل تيار مصدر الجهاز اللحظي، والذي يمكن من خلاله تقدير الحمل الحالي لـ (ILOAD).

أيضاً يتم تغذية إشارات الجهد الكهربائي هاتين والجهد المرجعي (VT) اللذين يمثلان عتبة درجة الحرارة التي يختارها المستخدم (TSET) في دائرة الكشف التماثلية، والتي تولد إشارة تنبيه إذا كانت درجة حرارة تقاطع جهاز (GaN) أعلى من (TSET).

استشعار درجة الحرارة في GaN FETs باستخدام di / dt

يتم الاعتماد على درجة الحرارة لتدرج الذروة الحالي (diS / dt | max)، بحيث يوضح الرسم البياني العلوي في الشكل التالي (2)، وذلك بالاعتماد على درجة الحرارة للتيار العابر لجهاز (GaN) الثابت التبديل عند التشغيل، كما يُلاحظ أن ارتفاع درجة الحرارة يقلل من الانحدار (dis / dt)، كما تم تقديمه من خلال إحدى السمات البارزة لـ (GaN HFET)، والذي يعني هي أن الموصلية التحويلية الخاصة به تنخفض بشكل كبير مع زيادة درجة حرارة الوصلة.

كما أنه ينتج عن الموصلية التحويلية المنخفضة، وعند درجة حرارة أعلى تكون سرعة تحويل أقل وبالتالي انخفاض (di / dt)، بحيث ينتج انخفاض الموصلية التحويلية عن انخفاض في تنقل إلكترون الجهاز مع زيادة درجة الحرارة.

عملياً يؤدي ارتفاع درجة الحرارة بمقدار (100) درجة مئوية إلى تقليل التدرج الحالي بنحو يتراوح (25٪)، كذلك الأشكال الموجية السفلية في الشكل السابق هي مشتقات الوقت لأشكال الموجة الحالية، وهنا يكون من الواضح أن ارتفاع درجة حرارة الجهاز يؤدي أيضاً إلى انخفاض ذروة التدرج الحالي (diS / dt | max)، كما يوضح الشكل التناسب العكسي بين ذروة الانحدار ودرجة الحرارة.

وعند السؤال لماذا يتم تحديد (Peak di / dt) من بين جميع برامج (TSEPs)، يبقى الجواب وكما تمت مناقشته في القسم الأول؛ بأن هناك العديد من برامج (TSEP) التي يمكن استخدامها لاستنتاج درجة حرارة الوصلة لأجهزة (GaN)، بحيث يعد القياس لأي من برامج (TSEP)، بما في ذلك (di / dt) تحدياً من حيث الحساب والعزل وحساسية الإشارة، علاوة على ذلك لا يمكن قياس العديد من (TSEPs)، مثل (VTH) أو (Rdson) مباشرة ويجب استنتاجها بطريقة ما.

وأخيراً؛ فإن الحد الأقصى للاعتماد على تيار الحمل (|diS / dt)، بحيث لا تعتمد ذروة (di / dt) على درجة الحرارة فحسب؛ بل تزداد أيضاً مع تيار الحمل، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق، وهذه خاصية لأرجل الجسر ذات التبديل الثابت والتي تستخدم أجهزة طاقة تزداد نواقلها التحويلية مع التيار الكهربائي، لذلك يحجب الوضع في الاعتبار الدائرة المبسطة للشكل التالي (4)، والذي يصمم ساق الجسر في نهاية فترة الوقت الميت، حيث يتم تبديل التيار من الجهاز العلوي “المطفأ” إلى الجهاز السفلي.