IS200BPIAG1A IGBT Drive Bridge Personality Interface Board er en kritisk grænsefladekomponent designet af GE Industrial Control Systems til IGBT-baserede trefasede AC-drevsystemer. IS200BPIAG1A giver en komplet og pålidelig signalgrænseflade mellem styreelektronikken og effektelektronikken, der fungerer som kernebroen, der muliggør højtydende kontrol og sikker drift af drivsystemet. IS200BPIAG1A er monteret i et standard VME-type kortrack og forbinder med kontrolsystemets backplane gennem dets P1-stik. Den er direkte forbundet til IGBT-strømenhederne i fase A, B og C gennem seks fasededikerede stik.
IS200BPIAG1A integrerer seks uafhængigt isolerede IGBT-gatedriverkredsløb, tre isolerede shuntspændingskontrollerede oscillator-strømfeedback-kredsløb (VCO) og isolerede VCO-feedbackkredsløb til overvågning af DC-linkspændingen og VAB- og VBC-udgangsspændingerne. Derudover har IS200BPIAG1A-kortet indbygget faseoverstrøm på hardwareniveau og IGBT-desaturationsfejlbeskyttelse, hvilket giver et omfattende, lokaliseret beskyttelsessystem til IGBT-kraftbroen. Alle disse funktioner er integreret på et enkelt standard VME formfaktorkort, hvilket demonstrerer GE's meget integrerede og modulære designfilosofi for kraftelektronikgrænseflader.
Design af strømforsyningssystem
Strømforsyningssystemet til IS200BPIAG1A anvender et meget isoleret designskema for at sikre elektrisk sikkerhed mellem faser og mellem højspændings- og lavspændingssiden. Den isolerede effekt til kortet er afledt af de sekundære viklinger af tre transformere, en dedikeret til hver fase. Et firkantbølgesignal på 17,7 V AC, der leveres gennem P1-stikket, forsyner transformatorens primærelementer. For hver transformer:
Gate Drive Strømforsyninger : To af de tre sekundære viklinger er halvbølge ensrettede og filtrerede for at producere de isolerede +15 V (VCC) og -7,5 V (VEE) forsyninger, der kræves af de øvre og nedre IGBT gate driver kredsløb. Disse giver de nødvendige positive og negative forspændinger for at sikre pålidelig tænding og slukning af IGBT'erne.
Signalbehandlingsstrømforsyning : Den tredje sekundære vikling er fuldbølge ensrettet og filtreret for at give den isolerede ±12 V, der kræves af shuntstrømfeedback-kredsløbene, fasespændingsfeedback-VCO-kredsløbene og fejldetektionskredsløbene. Derudover genererer en 5 V lineær regulator på +12 V forsyningen en let 5 V logikforsyning.
Styrelogikstrøm : Den +5 V referenceforsyning, der kræves til systemkontrollogikken, leveres direkte til IS200BPIAG1A-kortet gennem P1-stikket.
De overordnede effektkrav til IS200BPIAG1A er klart defineret: maksimalt 1,5 W fra +5 V DC-forsyningen, og fra 17,7 V AC-forsyningen, maksimalt 5 W uden gatedriverforstærkerbelastning og maksimalt 18 W med gatedriverforstærkerbelastning.
IGBT Gate Drive kredsløb
IS200BPIAG1A er konfigureret med to fuldstændigt uafhængige og isolerede IGBT-gate-drivkredsløb for hvert faseben: det ene styrer den øvre IGBT og det andet styrer det nederste IGBT. Dette udgør i alt seks driverkredsløb for de tre faser. Hvert kredsløb er sammensat af et optisk isoleret hybrid gate-drevmodul og et lille antal diskrete komponenter.
Drevkarakteristika og beskyttelsesfunktioner : Gate-drevmodulet driver IGBT-porten mellem VCC (+15 V) og VEE (-7,5 V), hvilket giver tilstrækkelig positiv bias til at sikre, at IGBT er fuldt mættet under ledning og tilstrækkelig negativ bias til at sikre pålidelig sluk og modstand mod parasitisk tænding. Kontrolindgangene på de øvre og nedre moduler er forbundet i en anti-parallel konfiguration for at forhindre samtidig ledning, hvilket ville forårsage en kortslutning i fasebenet. Modulet har en maksimal synk/kildestrømkapacitet på 5,0 A, med en typisk tænd/sluk-forsinkelse på kun 1,5 mikrosekunder.
Fejldetektionsmekanisme : Hvert gate-drevkredsløb kan generere to typer fejl:
Desaturationsfejl : Når modulet bliver kommanderet til at tænde for IGBT, overvåger det spændingsfaldet mellem solfangeren og emitteren på IGBT. Hvis denne spænding overstiger en typisk tærskel på omkring 10 V i en længere periode end 4,2 mikrosekunder (6,6 mikrosekunder maksimum), indikerer det, at IGBT er kommet ud af mætning og er kommet ind i det lineære driftsområde, hvilket hurtigt kan føre til enhedens overophedning og beskadigelse. Modulet vil øjeblikkeligt slukke for IGBT og meddele en desaturationsfejl.
Underspændingsfejl (UV) : Modulet overvåger også spændingen mellem VCC og VEE. Hvis denne spænding falder til under 18 V, er gate-drivspændingen utilstrækkelig til pålideligt at drive IGBT, og der vil opstå en underspændingsfejl. Disse to fejlsignaler er OR-ed sammen og kobles optisk tilbage til det logiske styrekredsløb.
Shuntstrømtilbagemeldingssystem
IS200BPIAG1A opnår præcis måling af udgangsfasestrømmene ved at detektere spændingsfaldet over en shuntmodstand i hver af faserne A, B og C. Strømfeedback-kanalen for hver fase er fuldstændig uafhængig og isoleret.
VCO-signalkonvertering : Spændingssignalet over shunten konditioneres først af en forstærker og sendes derefter til et VCO-kredsløb, som konverterer det til et frekvenssignal. VCO-udgangsfrekvensområdet er 0–2 MHz, og dets driftspunkt er forspændt, så ved nulstrøm er den nominelle udgang 1 MHz. Fuldskala shuntspændingsområdet er ±200 mV, svarende til en udgangsfrekvensændring på ±800 kHz. Dette muliggør fasestrømmåling med høj præcision i realtid, som nemt kan rekonstrueres af kontrolsystemet gennem simpel frekvenstælling.
Fejlbeskyttelsesfunktioner : Det aktuelle feedback-kredsløb er også i stand til at detektere to typer fejl:
DI/DT-fejl : Når shuntstrømmen gennemgår en trinændring på 100 % eller mere af sin nominelle værdi, kan strømfeedback-kredsløbet detektere og rapportere denne fejl inden for 25 mikrosekunder, hvilket forhindrer systemforstyrrelser fra for store strømændringshastigheder.
Overstrømsfejl (OC) : Overstrømstærsklen er indstillet til 250 % af den nominelle shuntstrøm. Hvis strømmen detekteres at overskride denne tærskel, udløses et overstrømsfejlsignal straks. Disse to strømfejlsignaler bliver også OR-ed sammen og transmitteret til styrelogiksiden via optisk isolation.
Fase-til-fase og DC Link spænding feedback
VAB og VBC fase-til-fase spændingsfeedback : IS200BPIAG1A måler genialt udgangsfase-til-fase spændingerne VAB og VBC gennem to kanaler afledt af shuntforbindelsespunkterne. VAB-kredsløbet er baseret på fase B-shunt-VCO-kredsløbet og forbindes til fase A via et resistivt dæmpningsnetværk. VCB-kredsløbet er baseret på fase C-shunt-VCO-kredsløbet og forbindes til fase B via et resistivt dæmpningsnetværk. Udgangsfrekvensområdet for hver VCO er 0–2 MHz, med en nominel udgang på 976,8 kHz ved nul fase-til-fase spænding. En ±1,0 V fase-til-fase spænding svarer til en udgangsfrekvensændring på ±959,58 Hz. Alle VCO-udgange er forbundet til styrelogikken via optisk isolation.
DC Link spænding feedback : Et tredje VCO spænding feedback kredsløb er dedikeret til at overvåge DC link spændingen. Dette kredsløb er refereret til fase A nedre gate-drivkredsløb med et resistivt dæmpningsbånd til fase A øvre IGBT-kollektorforbindelse. VCO-udgangsområdet er tilsvarende 0–2 MHz. Indgangen skaleres således, at en 0 til 1198 V DC mellemkredsspænding svarer til en udgangsfrekvens på 0 til 2 MHz.
Fejlkontrol og gatedriver deaktiveringsmekanisme
Fejlsignalerne fra IS200BPIAG1A er af forbigående karakter og forbliver kun sande under fejltilstandens varighed. Derfor skal styresystemet bruge et fejlhåndteringskredsløb via P1-stikket til at låse disse signaler.
Når der opdages en fejl, tager IS200BPIAG1A en afgørende beskyttelseshandling ved at fjerne kontrolstrømmen fra alle seks IGBT-gatedrivermoduler. Dedikerede højhastigheds- og fejlsikre deaktiveringslinjer i P1-stikket leveres til at implementere denne funktion:
High-Speed Driver Disable : Under normal drift skal DRVPC-linjen være logisk lav, og +5 V skal tilføres DRVP5-linjen. Når en fejl detekteres, starter en højhastigheds-gate-driver-deaktivering ved at tage DRVPC-linjen højt, hvilket minimerer beskyttelsesresponstiden.
Fail-Safe Driver Disable : Fjernelse af +5 V-strømmen fra DRVP5-linjen gennem et sæt eksterne kontakter giver en fejlsikker metode til at deaktivere IGBT-drivermodulerne. Selv hvis højhastighedsdeaktiveringskanalen fejler, sikrer denne kontaktbaserede metode, at IGBT'erne er pålideligt slukket.
Kortidentifikation og grænsefladeforbindelser
IS200BPIAG1A har en 1024-bit indbygget seriel hukommelsesenhed, der er programmeret med kortidentifikation og revisionsinformation, der understøtter en automatisk plug-and-play-kortidentifikationsfunktion til kontrolsystemet.
P1 Bridge Control Connector bruger et standard VME-stik. Et stort antal ben i række A og D bruges til spændingsfrigang for at sikre sikker isolationsafstand mellem høj- og lavspændingssignaler. Række B og C bærer alle kernestyringssignaler: 17,7 V AC-strømindgang, broaktiveringssignaler, drivereffektkontrol, fejlnulstilling, desaturation/UV- og shuntfejlstatus for alle tre faser, gate-drevkommandosignaler, VCO-frekvensudgangssignaler, en seriel kort-ID-linje og den switchede +5 V-drivereffektudgang.
De seksfasede konnektorer forbinder direkte til de trefasede IGBT-strømenheder og er opdelt i: APL, BPL og CPL (som bærer gate-drivlinjerne og shuntfølingspunkter for hver fase) og AAPL, BAPL og CAPL (som leverer den isolerede strøm til de øvre og nedre driverkredsløb i hver fase).
