IS200BPIAG1A IGBT Drive Bridge Personality Interface Board je kritická komponenta rozhraní navržená společností GE Industrial Control Systems pro třífázové systémy střídavých pohonů na bázi IGBT. IS200BPIAG1A poskytuje kompletní a spolehlivé signálové rozhraní mezi řídicí elektronikou a výkonovou elektronikou a slouží jako můstek jádra, který umožňuje vysoce výkonné řízení a bezpečný provoz systému pohonu. IS200BPIAG1A je namontován ve standardním stojanu desky typu VME a propojuje se se základní deskou řídicího systému prostřednictvím konektoru P1. Je přímo připojen k napájecím zařízením IGBT fází A, B a C prostřednictvím šesti fázově vyhrazených konektorů.
IS200BPIAG1A integruje šest nezávisle izolovaných obvodů budiče hradla IGBT, tři izolované obvody proudové zpětné vazby řízeného bočníkem napětím řízeného oscilátoru (VCO) a izolované obvody zpětné vazby VCO pro monitorování napětí meziobvodu a výstupních napětí VAB a VBC. Kromě toho je deska IS200BPIAG1A vybavena vestavěnou ochranou fázového nadproudu a desaturace IGBT na hardwarové úrovni, která poskytuje komplexní systém lokalizované ochrany pro napájecí most IGBT. Všechny tyto funkce jsou integrovány do jediné standardní desky VME form-factor, což demonstruje filozofii vysoce integrovaného a modulárního designu GE pro rozhraní výkonové elektroniky.
Návrh napájecího systému
Napájecí systém IS200BPIAG1A využívá vysoce izolované schéma návrhu pro zajištění elektrické bezpečnosti mezi fázemi a mezi vysokonapěťovou a nízkonapěťovou stranou. Izolovaný výkon pro desku je odvozen ze sekundárních vinutí tří transformátorů, jeden vyhrazený pro každou fázi. 17,7 V AC obdélníkový signál dodávaný přes konektor P1 napájí primáry transformátoru. Pro každý transformátor:
Napájecí zdroje pohonu hradla : Dvě ze tří sekundárních vinutí jsou půlvlnně usměrněna a filtrována, aby produkovala izolované napájení +15 V (VCC) a -7,5 V (VEE) vyžadované obvody horního a dolního budiče hradla IGBT. Ty poskytují nezbytná kladná a záporná předpětí pro zajištění spolehlivého zapínání a vypínání IGBT.
Napájecí zdroj pro zpracování signálu : Třetí sekundární vinutí je celovlnně usměrněno a filtrováno, aby poskytovalo izolované ±12 V požadované obvody zpětné vazby bočníkového proudu, obvody fázové napěťové zpětné vazby VCO a obvody detekce poruch. Navíc 5 V lineární regulátor na +12 V napájení generuje 5V logické napájení pro nenáročné provozy.
Napájení řídicí logiky : Referenční napájení +5 V požadované pro řídicí logiku systému je poskytováno přímo na desku IS200BPIAG1A přes konektor P1.
Celkové požadavky na výkon pro IS200BPIAG1A jsou jasně definovány: maximálně 1,5 W ze zdroje +5 V DC a ze zdroje 17,7 V AC maximálně 5 W bez zátěže hradlového zesilovače a maximálně 18 W se zátěží hradlového zesilovače.
Hnací obvody IGBT brány
IS200BPIAG1A je konfigurován se dvěma plně nezávislými a izolovanými obvody IGBT brány pro každou fázovou větev: jeden ovládá horní IGBT a druhý ovládá spodní IGBT. To znamená celkem šest budicích obvodů pro tři fáze. Každý obvod se skládá z opticky izolovaného modulu hybridního pohonu brány a malého počtu diskrétních součástek.
Charakteristiky pohonu a ochranné funkce : Modul pohonu brány řídí bránu IGBT mezi VCC (+15 V) a VEE (-7,5 V), poskytuje dostatečné kladné předpětí, aby bylo zajištěno, že IGBT je plně saturován během vedení, a dostatečné negativní předpětí pro zajištění spolehlivého vypnutí a odolnosti vůči parazitnímu zapnutí. Řídicí vstupy horního a spodního modulu jsou zapojeny antiparalelně, aby se zabránilo současnému vedení, které by způsobilo přestřelovací zkrat ve fázové větvi. Modul se vyznačuje špičkovou spotřebou/zdrojovým proudem 5,0 A s typickým zpožděním zapnutí/vypnutí pouze 1,5 mikrosekundy.
Mechanismus detekce chyb : Každý obvod pohonu brány může generovat dva typy poruch:
Desaturační chyba : Když je modulu přikázáno zapnout IGBT, monitoruje pokles napětí mezi kolektorem a emitorem IGBT. Pokud toto napětí překročí typický práh přibližně 10 V po dobu delší než 4,2 mikrosekundy (maximálně 6,6 mikrosekundy), znamená to, že IGBT překročilo saturaci a vstoupilo do lineární provozní oblasti, což může rychle vést k přehřátí a poškození zařízení. Modul okamžitě vypne IGBT a oznámí poruchu desaturace.
Porucha podpětí (UV) : Modul také monitoruje napětí mezi VCC a VEE. Pokud toto napětí klesne pod 18 V, napětí pohonu brány je nedostatečné pro spolehlivé řízení IGBT a dojde k podpěťové poruše. Tyto dva poruchové signály jsou spojeny OR a jsou opticky spojeny zpět s řídicím logickým obvodem.
Systém zpětné vazby spouštěcího proudu
IS200BPIAG1A dosahuje přesného měření výstupních fázových proudů detekcí poklesu napětí na bočníku v každé z fází A, B a C. Kanál proudové zpětné vazby pro každou fázi je plně nezávislý a izolovaný.
Konverze signálu VCO : Napěťový signál na bočníku je nejprve upraven zesilovačem a poté předán do obvodu VCO, který jej převede na frekvenční signál. Výstupní frekvenční rozsah VCO je 0–2 MHz a jeho pracovní bod je vychýlen tak, že při nulovém proudu je nominální výstup 1 MHz. Rozsah bočního napětí v plném rozsahu je ±200 mV, což odpovídá změně výstupní frekvence ±800 kHz. To umožňuje vysoce přesné měření fázového proudu v reálném čase, které lze snadno rekonstruovat řídicím systémem pomocí jednoduchého frekvenčního počítání.
Funkce ochrany proti poruchám : Obvod proudové zpětné vazby je také schopen detekovat dva typy poruch:
Porucha DI/DT : Když bočníkový proud podstoupí skokovou změnu o 100 % nebo více své jmenovité hodnoty, obvod proudové zpětné vazby může detekovat a ohlásit tuto poruchu do 25 mikrosekund, čímž se zabrání narušení systému z nadměrné rychlosti změny proudu.
Porucha nadproudu (OC) : Prahová hodnota nadproudu je nastavena na 250 % jmenovitého bočníkového proudu. Pokud je detekován proud, který překračuje tuto prahovou hodnotu, okamžitě se spustí nadproudový poruchový signál. Tyto dva proudové poruchové signály jsou také spojeny OR a přenášeny na stranu řídicí logiky přes optickou izolaci.
Zpětná vazba mezi fázemi a stejnosměrným meziobvodem
Zpětná vazba fázového napětí VAB a VBC : IS200BPIAG1A důmyslně měří výstupní sdružená napětí VAB a VBC prostřednictvím dvou kanálů odvozených z připojovacích bodů bočníku. Obvod VAB je založen na obvodu bočníku VCO fáze B a připojuje se k fázi A přes odporovou útlumovou síť. Obvod VCB je založen na obvodu bočníku VCO fáze C a připojuje se k fázi B přes odporovou útlumovou síť. Výstupní frekvenční rozsah každého VCO je 0–2 MHz, s nominálním výkonem 976,8 kHz při nulovém sdruženém napětí. Sdružené napětí ±1,0 V odpovídá změně výstupní frekvence ±959,58 Hz. Všechny výstupy VCO jsou připojeny k řídicí logice přes optickou izolaci.
Zpětná vazba napětí meziobvodu : Třetí obvod zpětné vazby napětí VCO je určen pro monitorování napětí meziobvodu. Tento obvod se vztahuje k budicímu obvodu spodní brány fáze A s odporovým útlumovým spojením s připojením horního kolektoru IGBT fáze A. Výstupní rozsah VCO je obdobně 0–2 MHz. Vstup je upraven tak, aby napětí stejnosměrného meziobvodu 0 až 1198 V odpovídalo výstupní frekvenci 0 až 2 MHz.
Fault Control a mechanismus deaktivace ovladače brány
Poruchové signály z IS200BPIAG1A jsou přechodné povahy a zůstávají pravdivé pouze po dobu trvání poruchového stavu. Proto musí řídicí systém používat obvod pro zpracování poruch přes konektor P1 k zachycení těchto signálů.
Když je detekována jakákoliv porucha, IS200BPIAG1A provede rozhodující ochrannou akci tím, že odebere řídicí napájení ze všech šesti modulů IGBT brány. Pro implementaci této funkce jsou k dispozici vyhrazené vysokorychlostní a bezpečné blokovací linky v konektoru P1:
Vypnutí vysokorychlostního ovladače : Během normálního provozu by linka DRVPC měla být logicky nízká a na linku DRVP5 by mělo být přivedeno +5 V. Když je detekována porucha, aktivace vysokorychlostní linky DRVPC deaktivuje ovladač vysokorychlostní brány, čímž se minimalizuje doba odezvy ochrany.
Vypnutí ovladače zabezpečeného proti selhání : Odpojení napájení +5 V z linky DRVP5 prostřednictvím sady externích kontaktů poskytuje bezpečnou metodu pro deaktivaci modulů ovladače IGBT. I když vysokorychlostní deaktivační kanál selže, tato kontaktní metoda zajišťuje spolehlivé vypnutí IGBT.
Identifikace desky a připojení rozhraní
IS200BPIAG1A je vybaven 1024bitovým integrovaným sériovým paměťovým zařízením, které je naprogramováno s identifikací desky a informacemi o revizi a podporuje automatickou funkci identifikace desky plug-and-play pro řídicí systém.
P1 Bridge Control Connector používá standardní konektor VME. Velký počet kolíků v řadách A a D se používá pro napěťovou vůli pro zajištění bezpečné izolační vzdálenosti mezi vysokonapěťovými a nízkonapěťovými signály. Řady B a C nesou všechny hlavní řídicí signály: vstup 17,7 V střídavého proudu, signály povolení mostu, řízení napájení budiče, reset poruchy, desaturace/UV a chybový stav bočníku pro všechny tři fáze, signály příkazů pohonu hradla, výstupní signály frekvence VCO, ID linka sériové desky a spínaný +5 V napájecí výstup budiče.
Šestifázové konektory se připojují přímo k třífázovým IGBT napájecím zařízením a jsou rozděleny na: APL, BPL a CPL (které nesou vedení brány a snímací body bočníku pro každou fázi) a AAPL, BAPL a CAPL (které dodávají izolované napájení pro horní a spodní obvody budiče každé fáze).
