حماية الدائرة القصيرة لوحدة الطاقة الذكية IPM

ضرورة حماية الدائرة القصيرة لوحدة الطاقة الذكية IPM

وحدة الطاقة الذكية (IPM) عبارة عن وحدة مدمجة وذاتية التنظيم تغلف شرائح (IGBT) ورقائق الصمام الثنائي ودوائر السائق والحماية المختلفة داخل نفس وحدة العزل، كما أنه جذاب بسبب دوائر المنطق والتحكم والكشف والحماية المتكاملة داخلياً وأجهزة استشعار درجة الحرارة والتيار والوحدات الوظيفية الأخرى، بالإضافة إلى ذلك يمكنه إرسال إشارة كشف إلى وحدة المعالجة المركزية أو (DSP) لمزيد من المعالجة.

لذلك تم التحقيق على نطاق واسع في قصر الدائرة لوحدات (IPM) و (IGBT) في الدراسات البحثية الحالية، وفي كلتا الوحدتين تلعب وظائف الكشف عن الدائرة القصيرة والحماية أدواراً مهمة في تصميم دائرة حماية السائق، بحيث تتضمن هذه الوظائف الكشف السريع عن حالة خطأ (IGBT) ، كذلك تقييد تيار الذروة الأولي والحماية من التيار الزائد وإيقاف آمن، بالإضافة إلى ذلك يجب أن تتمتع دوائر الحماية بقدرات قمع الضوضاء من أجل منع حدوث خطأ بسبب التداخل.

كذلك تعتبر تقنية إزالة التشبع بجهد المجمع-الباعث (VCE) هي الطريقة الأكثر شيوعاً لحماية الدارة القصيرة، بحيث تكتشف تقنية اكتشاف إزالة التشبع (VCE) في تشغيل (IGBT)، والذي يكون منخفضاً جداً في ظل الظروف العادية، وعند حدوث عطل في الدائرة القصيرة، سيزداد تيار المجمع IGBT) (IC)) إلى المستوى الذي سيحول عملية (IGBT) من المنطقة المشبعة إلى المنطقة الخطية، مما يتسبب في زيادة (VCE) بسرعة.

أيضاً يمكن استخدام مستويات الجهد العتبة لرحلة إزالة التشبع للإشارة إلى وجود عطل في الدائرة القصيرة، وهذه طريقة بسيطة منخفضة التكلفة تعتمد على “صمام ثنائي” بسيط ودائرة مقارنة، كما ولا تتطلب أي مستشعر حالي، ومع ذلك لتجنب أي إجراء غير صحيح من قبل دائرة الحماية أثناء تشغيل (IGBT)؛ فإن هذه الطريقة عموماً لها وقت طمس (1-5) ميكرو ثانية.

وعندما يتم تشغيل (IGBT) أثناء حالة الدائرة القصيرة، سيكون هناك تيار زائد كبير، ومع ذلك لا يمكن اكتشاف هذا التيار الكهربائي الزائد خلال هذا الوقت بسبب وقت الطمس، مما يؤثر بشدة على الاستخدام الآمن لـ (IGBT).

تحليل الماس الكهربائي الخاص بوحدة الطاقة الذكية IPM

هناك نوعان من الدوائر القصيرة، وهي الماس الكهربائي و”الدائرة القصيرة”، بحيث يتم أخذ دائرة الجسر ثلاثية الطور كمثال. تشير الدارة القصيرة (I) إلى الدائرة القصيرة في ذراع جسر (IGBT) وهي موضحة في الشكل التالي (1-A)، لذلك  يحدث هذا النوع من “لدوائر القصيرة” في الغالب بسبب سوء تشغيل دائرة السائق أو تلف (IGBT)، كما تشير الدائرة القصيرة (II) إلى دائرة قصر بين أذرع جسر (IGBT) وعادة ما يتم تحميل دائرة قصر أو طور إلى “دائرة قصر الأرض”.

عند حدوث دائرة قصر، يجب إيقاف تشغيل (IPM) عالي الطاقة بسرعة خلال وقت الصمود لتجنب أي ضرر، وذلك مع ضمان اقتصار تيار الدائرة القصيرة والجهد الكهربائي أثناء انتقال الإيقاف على التشغيل الآمن للدائرة القصيرة المنطقة (SCSOA) من وحدة (IPM) في التطبيقات العملية، كما يعد الكشف عن ماس كهربائي (II) والحماية منه أكثر صعوبة منه ضد ماس كهربائي (I).

وضع وآلية فشل الماس الكهربائي

يكشف تحليل الماس الكهربائي عن اختلافات كبيرة بين التيارات في دائرة القصر وعمليات التبديل العادية، وفي العملية السابقة، تكون القيمة الحالية في مرحلة المنطقة النشطة والجهد عبر طرفي الجهاز يساوي جهد الناقل، لذلك يكون التيار التشغيلي المقدر في منطقة التشبع في المرحلة الخطية الحالية، وفي هذه اللحظة، يكون الجهد عبر طرفي الجهاز منخفضاً، وبالتالي يكون استهلاك طاقة الجهاز منخفضاً.

نظراً لأن الخصائص الحالية لـ (IGBT) تعتمد على خصائص الجهد الكهربائي، بحيث يمكن تحليل وضع فشل الدائرة القصيرة والآلية الأساسية الخاصة به بالتفصيل بناءً على شكل الموجة الحالية في عملية ماس كهربائي، وذلك وفقاً لتغيير تيار الماس الكهربائي أثناء العملية، بحيث يمكن تقسيم أوضاع الفشل إلى أربعة أنواع موصوفة على النحو التالي:

فشل بسبب زيادة التيار في ماس كهربائي أثناء انتقال التشغيل، كما يحدث وضع فشل التيار الزائد في بداية الدائرة القصيرة، وهي ممثلة بـ (t1-t2)، وذلك كما في الشكل التالي (2)، بحيث يتم تشغيل وضع فشل الدائرة القصيرة عندما يصبح تيار الدائرة القصيرة اللحظي مساوياً لتيار المزلاج.

عطل حراري أثناء انتقال التشغيل، لذلك يحدث وضع العطل الحراري أثناء توصيل الدائرة القصيرة، حيث يوجد الجهد العالي والتيار الكبير في وقت واحد، مما يتسبب في ارتفاع حاد في درجة حرارة الشريحة، كما يمكن أن يحدث الفشل الحراري في (IGBT) عند مستويات مختلفة من الجهد والتيار.

كما تتسبب الحرارة الناتجة عن كثافة الطاقة العالية في ظهور نقاط ساخنة محلية في رقاقة السيليكون، و عندما يتم تجاوز درجة الحرارة الحرجة للجهاز؛ فإن وضع الفشل يسمى وضع فشل الدائرة القصيرة الجوهري، بحيث يتم تمثيل الوقت الذي يصل فيه الجهاز إلى درجة الحرارة الحرجة بواسطة (t3) في الشكل (2)، لذلك يجب إيقاف تشغيل جهاز (IGBT) تماماً قبل (t3) لتجنب أي ضرر.

وأثناء فشل إيقاف تشغيل ماس كهربائي، يحدث وضع فشل إيقاف التشغيل أثناء انتقال إيقاف تشغيل ماس كهربائي، وفي هذا الوضع يؤدي تراكم الحرارة داخل الجهاز إلى ارتفاع درجة حرارة الوصلة، كما ويتم إعادة توزيع منطقة النضوب والناقلات، وأثناء انتقال الإيقاف العادي؛ فإنه يكون الجهاز في منطقة التشبع ويكون المجال الكهربائي في منطقة الانجراف صغيراً جداً.

ومن ناحية أخرى، عند إيقاف تشغيل الجهاز أثناء حدوث ماس كهربائي، يكون الجهاز في المنطقة النشطة، وذلك بالمقارنة مع الإيقاف العادي، لذا من المرجح أن يتسبب إيقاف تشغيل الدائرة القصيرة في تراكم الأسلاك الحالية والانهيار الديناميكي وظاهرة المزلاج الدينامي، مما يؤدي إلى فشل إيقاف التشغيل.

كذلك يحدث فشل التأخير عندما لا يتم تقليل التيار الكهربائي تماماً إلى الصفر بعد قصر الدائرة وإيقاف تشغيل الجهاز، وبعد فترة زمنية معينة، سيصاب الجهاز بفشل في الهروب الحراري لأن تيار التسرب ودرجة الحرارة يشكلان ردود فعل إيجابية في درجات الحرارة العالية.

نقطة الكشف عن تيار الدائرة القصيرة

الهدف من الحماية ضد “الماس الكهربائي” هو تحديد أعطال ماس كهربائي بدقة متناهية، أي الكشف عن التيارات الخاصة بالماس الكهربائي نفسه، لذلك يوضح الشكل التالي (3) نقاط الكشف الخمس لدائرة الجسر ثلاثية الطور التي يمكن من خلالها اكتشاف تيارات الدائرة القصيرة. في كل نقطة كشف، بحيث يمكن اكتشاف شكل معين من ماس كهربائي كما هو موضح في الجدول التالي.

يمكن لنقطتي الكشف (A) و (B) تسهيل الحماية السريعة والمباشرة للدائرة القصيرة للوحدة من خلال توجيه اتجاه تيار باعث (IGBT)، كما تكون نقطة الكشف (C) متسلسلة في نهاية الإخراج ثلاثية الطور، والتي يمكن أن تعكس بشكل مباشر التيار المتدفق عبر (IGBT)، ومع ذلك في هذه المرحلة، يمكن فقط اكتشاف الحمل والمرحلة إلى الدوائر القصيرة على الأرض ولا يمكن اكتشاف دائرة قصر ذراع الجسر.

كما توفر نقطتا الكشف (D) و (E) الكشف عن الدائرة القصيرة والحماية من خلال تمكين اكتشاف (VCE) باستخدام طريقة إزالة التشبع.