(a)
CIRCUITO DI PILOTAGGIO DEI GATE
DEI TASTI DI POTENZA
Obiettivi I gate degli IGBT devono essere pilotati
adeguatamente in modo da ottenere sul circuito di potenza il mantenimento dello stato impostato dal microcontrollore, garantendo però anche il contenimento delle perdite di commutazione. Per avere un passaggio rapido tra gli stati di conduzione ed interdizione dei tasti di potenza, in modo da contenere le perdite di commutazione e una risposta rapida del sistema ai comandi del controllo digitale, si deve pilotare il gate degli IGBT opportunamente. Il gate può essere rappresentato come una capacità equivalente. Quando si vuole abilitare il tasto, questa capacità deve essere rapidamente caricata fino a raggiungere una tensione tale da garantire il funzionamento del tasto in condizioni di saturazione. Questa tensione è per il modulo BSM25 pari a 15Volt. E’ quindi evidente che i segnali di comando del PIC non sono adatti a comandare direttamente il gate dei tasti di
potenza, ed allora si rende necessario implementare una circuiteria che, pilotata dai segnali del microcontrollore, è in grado di garantire il pilotaggio ottimale dei gate.
Fattori di influenza Durante il funzionamento del ponte ad H i tasti sono soggetti a derivate di tensione elevate, dovute alle commutazioni degli altri tasti, che potrebbero comportarne l’accensione anche quando il rispettivo gate non è alimentato. Questo fenomeno si chiama shoot-through. La resistenza posta in serie al gate dell’IGBT determina la durata dei delay time, dei rise time e dei fall time di commutazione, e deve essere dimensionata in modo tale che i tempi di commutazione non siano troppo piccoli, così da contenere le derivate di corrente e tensione troppo elevate che possono sollecitare eccessivamente gli altri tasti di potenza, ma neanche troppo grandi, in modo da contenere le perdite di commutazione e le derivate di tensione. In accensione è necessaria una
resistenza di gate relativamente elevata in
modo da non avere una commutazione troppo brutale, mentre in spegnimento serve un valore più basso in modo da svuotare rapidamente le
cariche minimizzando le perdite di commutazione. Un resistore di gate unico dovrebbe avere un valore di compromesso tra le due esigenze. Per ottimizzare le prestazioni di commutazione invece si utilizzano due resistori in parallelo con un diodo in serie ad uno di essi opportunamente orientato, in modo da ottenere dei valori di resistenza diversi in serie al gate durante l’accensione e lo spegnimento. Questi due valori di resistenza sono denominati RGon
ed RGoff Un altro modo per rendere meno
probabile l’accensione indesiderata del componente è alimentare il suo gate in modo duale, cioè con una tensione positiva durante lo stato ON ed una tensione negativa durante lo stato OFF. L’alimentazione duale è però incompatibile con il metodo di alimentazione dei driver dei gate detto bootstrap, salvo complicazioni circuitale non giustificate.
Per poter pilotare opportunamente i gate degli IGBT ci avvaliamo di circuiti integrati che effettuano anche la protezione dei tasti contro le sovracorrenti, i cortocircuiti e la desaturazione. La scelta dell’alimentazione dei driver dei gate di tipo bootstrap è dettata dalle esigenze di ottimizzazione dei costi e delle dimensioni
dell’azionamento. I driver dei tasti lato alto hanno la massa riferita non al lato negativo del DC Bus, ma all’emettitore del relativo IGBT, che si trova a potenziale flottante, e che può raggiungere tensioni di quasi 200V. Piuttosto che realizzare delle alimentazioni complete, costituite da trasformatore e regolatore di tensione dedicati, che abbiano la massa riferita all’emettitore del relativo tasto, si è scelto di adottare la tecnica di alimentazione conosciuta come “bootstrap”, letteralmente “innesco”, che consente di alimentare tutti i driver di gate, sia lato alto, che lato basso, con una medesima alimentazione riferita al negativo del DC Bus.
