(d)
PROTEZIONE PER I TASTI DI POTENZA
Sollecitazioni sui tasti Gli azionamenti impieganti motori in continua sono soggetti più degli altri al rischio di cortocircuiti che si possono verificare soprattutto sul collettore della macchina alimentata. Tali cortocircuiti fanno si che i tasti di potenza in quel momento in conduzione siano attraversati da correnti elevate che possono portarli rapidamente al collasso per surriscaldamento della giunzione. In tali situazioni, il provvedimento più efficace consiste tipicamente nel portare il componente in stato di interdizione nel più breve tempo possibile, facendolo quindi operare anche cme “interruttore” della corrente di guasto. Per la salvaguardia dei componenti c’è quindi bisogno di predisporre delle protezioni che siano in grado di determinare l’istante in cui il tasto di potenza è attraversato da correnti di cortocircuito e quindi disabilitarlo prima che possa raggiungere i suoi limiti termici.
Motorola MC33153 Il circuito integrato che è stato scelto per pilotare il gate dei tasti di potenza ha implementati a bordo alcune funzioni di protezione dello switch pilotato:
• Short-circuit detection • Overcurrent protection • Desaturation protection • UnderVoltage Lock-Out
Sense IGBT Le prime due funzioni sono predisposte per i Sense IGBT, che hanno un pin che offre un segnale di tensione proporzionale alla corrente che li attraversa. In alternativa si può usare un resistore shunt posto in serie al componente pilotato. Il MC33153 ha un ingresso apposito per questo segnale di tensione connesso a due comparatori di tensioni integrati al suo interno. Il primo comparatore serve per rilevare i cortocircuiti ed interviene istantaneamente quando l’ingresso supera i 130mV generando un segnale di errore attraverso il pin Fault (guasto); il secondo comparatore invece interviene oltre i 65mV disabilitando il pin Drive Output che pilota il gate del tasto di
potenza, proteggendolo dalle sovracorrenti. Nel nostro caso però i tasti pilotati non hanno il pin che caratterizza i cosiddetti Sense IGBT, e sarebbe difficile realizzare un sistema alternativo di monitoraggio della corrente in ciascun componente in quanto i tasti sono integrati in un modulo unico.
Desaturazione La protezione contro la desaturazione sostanzialmente è costituita da un comparatore di tensione integrato nel driver che monitora la tensione tra il collettore e l’emettitore del tasto di potenza e blocca il componente nel caso in cui la tensione superi il valore di 6,5V. Questa protezione impedisce sostanzialmente che il tasto vada ad operare fuori dalla zona di saturazione, nella quale la tensione rimane pressoché costante al variare della corrente. Quando il tasto comincia ad operare fuori dalla zona di saturazione la tensione ai suoi capi aumenta rapidamente aumentando quindi, a parità di corrente, anche la potenza dissipata su di esso. Questo effetto ha come risultato di portare rapidamente al surriscaldamento eccessivo del componente. Sul datasheet del modulo ad IGBT viene fornito il grafico che indica l’andamento della tensione Vce al
variare della corrente di collettore parametrizzato in funzione della tensione di gate Vge. Da questo grafico si può estrapolare che la tensione Vce raggiunge il valore di 6,5V quando la corrente di collettore è di 120A. Per verificare che questa corrente sia sopportabile dal tasto senza danneggiarsi bisogna fare riferimento al grafico intitolato “Short Circuit Safe Operating Area”. Quest’ultimo ci indica che il tasto può sopportare correnti di cortocircuito dieci volte superiori al valore nominale, cioè 350A, per un tempo inferiore a 10us. Siccome il Motorola MC33153 ha un tempo di intervento, da quando rileva la desaturazione a quando disabilita il tasto, che varia da 0,3us ad 1us, possiamo ritenere che i tasti siano ragionevolmente protetti contro i cortocircuiti.
UVLO Il titolo di questo paragrafo è l’acronimo di Under Voltage Lock Out, con cui viene generalmente appellata la protezione che impedisce di perdere il controllo dei tasti di potenza nel caso in cui la tensione che alimenta il circuito integrato del driver del gate scenda sotto il valore di soglia minimo che garantisce
il corretto funzionamento del circuito di pilotaggio. Questa protezione impedisce che l’IGBT venga pilotato con una tensione di gate di valore insufficiente a farlo lavorare nella zona di saturazione, aumentando notevolmente le perdite e portando il tasto rapidamente a rottura. L’MC33153 ha un valore di soglia di 11,5V con isteresi pari a 0,5V.
