Die IS200BPIAG1A IGBT Drive Bridge Personality Interface Board ist eine wichtige Schnittstellenkomponente, die von GE Industrial Control Systems für IGBT-basierte dreiphasige AC-Antriebssysteme entwickelt wurde. Der IS200BPIAG1A bietet eine vollständige und zuverlässige Signalschnittstelle zwischen der Steuerelektronik und der Leistungselektronik und dient als Kernbrücke, die eine leistungsstarke Steuerung und einen sicheren Betrieb des Antriebssystems ermöglicht. Der IS200BPIAG1A wird in einem standardmäßigen VME-Board-Rack montiert und ist über seinen P1-Anschluss mit der Rückwandplatine des Steuerungssystems verbunden. Der direkte Anschluss an die IGBT-Leistungsgeräte der Phasen A, B und C erfolgt über sechs phasenspezifische Steckverbinder.
Der IS200BPIAG1A integriert sechs unabhängig isolierte IGBT-Gate-Treiberschaltungen, drei isolierte Shunt-VCO-Stromrückkopplungsschaltungen (VCO) und isolierte VCO-Rückkopplungsschaltungen zur Überwachung der DC-Zwischenkreisspannung und der VAB- und VBC-Ausgangsspannungen. Darüber hinaus verfügt die IS200BPIAG1A-Karte über einen integrierten Phasenüberstrom- und IGBT-Entsättigungsfehlerschutz auf Hardwareebene und bietet so ein umfassendes, lokalisiertes Schutzsystem für die IGBT-Leistungsbrücke. Alle diese Funktionen sind auf einer einzigen Standard-VME-Formfaktorplatine integriert und demonstrieren die hochintegrierte und modulare Designphilosophie von GE für Leistungselektronikschnittstellen.
Entwurf von Stromversorgungssystemen
Das Stromversorgungssystem des IS200BPIAG1A verwendet ein hochisoliertes Designschema, um die elektrische Sicherheit zwischen den Phasen sowie zwischen der Hochspannungs- und der Niederspannungsseite zu gewährleisten. Der isolierte Strom für die Platine wird von den Sekundärwicklungen von drei Transformatoren abgeleitet, von denen einer für jede Phase vorgesehen ist. Ein 17,7-V-AC-Rechteckwellensignal, das über den P1-Anschluss zugeführt wird, versorgt die Primärwicklungen des Transformators. Für jeden Transformator:
Gate-Treiber-Netzteile : Zwei der drei Sekundärwicklungen sind halbwellengleichgerichtet und gefiltert, um die isolierten +15 V (VCC) und -7,5 V (VEE)-Versorgungen zu erzeugen, die für die oberen und unteren IGBT-Gate-Treiberschaltungen erforderlich sind. Diese stellen die notwendigen positiven und negativen Vorspannungen bereit, um ein zuverlässiges Ein- und Ausschalten der IGBTs zu gewährleisten.
Signalverarbeitungs-Stromversorgung : Die dritte Sekundärwicklung ist vollwellengleichgerichtet und gefiltert, um die isolierten ±12 V bereitzustellen, die für die Shunt-Stromrückkopplungsschaltungen, Phasenspannungsrückkopplungs-VCO-Schaltungen und Fehlererkennungsschaltungen erforderlich sind. Zusätzlich erzeugt ein 5-V-Linearregler an der +12-V-Versorgung eine leichte 5-V-Logikversorgung.
Steuerlogikstrom : Die für die Systemsteuerlogik erforderliche +5-V-Referenzversorgung wird über den P1-Anschluss direkt an die IS200BPIAG1A-Karte geliefert.
Der Gesamtleistungsbedarf für den IS200BPIAG1A ist klar definiert: maximal 1,5 W aus der +5-V-DC-Versorgung und aus der 17,7-V-AC-Versorgung maximal 5 W ohne Last des Gate-Treiberverstärkers und maximal 18 W mit Last des Gate-Treiberverstärkers.
IGBT-Gate-Ansteuerschaltungen
Der IS200BPIAG1A ist mit zwei völlig unabhängigen und isolierten IGBT-Gate-Ansteuerkreisen für jeden Phasenzweig konfiguriert: einer steuert den oberen IGBT und der andere steuert den unteren IGBT. Insgesamt sind es also sechs Treiberschaltungen für die drei Phasen. Jeder Schaltkreis besteht aus einem optisch isolierten Hybrid-Gate-Treibermodul und einer kleinen Anzahl diskreter Komponenten.
Antriebseigenschaften und Schutzfunktionen : Das Gate-Antriebsmodul treibt das IGBT-Gate zwischen VCC (+15 V) und VEE (-7,5 V) an und sorgt für ausreichend positive Vorspannung, um sicherzustellen, dass der IGBT während der Leitung vollständig gesättigt ist, und ausreichend negative Vorspannung, um ein zuverlässiges Ausschalten und Widerstand gegen parasitäres Einschalten zu gewährleisten. Die Steuereingänge des oberen und unteren Moduls sind in einer antiparallelen Konfiguration verbunden, um eine gleichzeitige Leitung zu verhindern, die einen Durchschusskurzschluss im Phasenzweig verursachen würde. Das Modul verfügt über eine maximale Senken-/Quellenstromfähigkeit von 5,0 A mit einer typischen Ein-/Ausschaltverzögerung von nur 1,5 Mikrosekunden.
Fehlererkennungsmechanismus : Jeder Gate-Treiberschaltkreis kann zwei Arten von Fehlern erzeugen:
Entsättigungsfehler : Wenn das Modul den Befehl erhält, den IGBT einzuschalten, überwacht es den Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter des IGBT. Wenn diese Spannung für einen Zeitraum von mehr als 4,2 Mikrosekunden (maximal 6,6 Mikrosekunden) einen typischen Schwellenwert von etwa 10 V überschreitet, weist dies darauf hin, dass der IGBT die Sättigung verlassen hat und in den linearen Betriebsbereich eingetreten ist, was schnell zu einer Überhitzung und Beschädigung des Geräts führen kann. Das Modul schaltet den IGBT sofort aus und meldet einen Entsättigungsfehler.
Unterspannungsfehler (UV) : Das Modul überwacht auch die Spannung zwischen VCC und VEE. Wenn diese Spannung unter 18 V fällt, reicht die Gate-Ansteuerspannung nicht aus, um den IGBT zuverlässig anzusteuern, und es tritt ein Unterspannungsfehler auf. Diese beiden Fehlersignale werden durch eine ODER-Verknüpfung verknüpft und optisch an die Steuerlogikschaltung zurückgekoppelt.
Shunt-Strom-Feedback-System
Der IS200BPIAG1A erreicht eine präzise Messung der Ausgangsphasenströme, indem er den Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand in jeder der Phasen A, B und C erkennt. Der Stromrückführungskanal für jede Phase ist völlig unabhängig und isoliert.
VCO-Signalumwandlung : Das Spannungssignal am Shunt wird zunächst von einem Verstärker aufbereitet und dann an einen VCO-Schaltkreis weitergeleitet, der es in ein Frequenzsignal umwandelt. Der VCO-Ausgangsfrequenzbereich beträgt 0–2 MHz und sein Arbeitspunkt ist so voreingestellt, dass bei Nullstrom der Nennausgang 1 MHz beträgt. Der vollständige Shunt-Spannungsbereich beträgt ±200 mV, was einer Ausgangsfrequenzänderung von ±800 kHz entspricht. Dies ermöglicht eine hochpräzise Phasenstrommessung in Echtzeit, die vom Steuerungssystem durch einfache Frequenzzählung leicht rekonstruiert werden kann.
Fehlerschutzfunktionen : Der Stromrückkopplungskreis ist außerdem in der Lage, zwei Arten von Fehlern zu erkennen:
DI/DT-Fehler : Wenn der Shunt-Strom eine sprunghafte Änderung von 100 % oder mehr seines Nennwerts erfährt, kann die Stromrückkopplungsschaltung diesen Fehler innerhalb von 25 Mikrosekunden erkennen und melden und so Systemstörungen durch übermäßige Stromänderungsraten verhindern.
Überstromfehler (OC) : Der Überstromschwellenwert ist auf 250 % des Nenn-Shunt-Stroms eingestellt. Wenn festgestellt wird, dass der Strom diesen Schwellenwert überschreitet, wird sofort eine Überstromfehlermeldung ausgelöst. Diese beiden aktuellen Fehlersignale werden ebenfalls ODER-verknüpft und über optische Trennung an die Steuerlogikseite übertragen.
Phase-zu-Phase- und DC-Link-Spannungsrückmeldung
VAB und VBC Phase-zu-Phase-Spannungsrückmeldung : Der IS200BPIAG1A misst auf raffinierte Weise die Phase-zu-Phase-Ausgangsspannungen VAB und VBC über zwei Kanäle, die von den Shunt-Verbindungspunkten abgeleitet werden. Die VAB-Schaltung basiert auf der Shunt-VCO-Schaltung der Phase B und ist über ein Widerstandsdämpfungsnetzwerk mit Phase A verbunden. Die VCB-Schaltung basiert auf der Shunt-VCO-Schaltung der Phase C und ist über ein Widerstandsdämpfungsnetzwerk mit Phase B verbunden. Der Ausgangsfrequenzbereich jedes VCO beträgt 0–2 MHz, mit einer Nennausgangsleistung von 976,8 kHz bei einer Phase-zu-Phase-Spannung von Null. Eine Phase-zu-Phase-Spannung von ±1,0 V entspricht einer Ausgangsfrequenzänderung von ±959,58 Hz. Alle VCO-Ausgänge sind über eine optische Isolierung mit der Steuerlogik verbunden.
DC-Link-Spannungsrückmeldung : Ein dritter VCO-Spannungsrückkopplungskreis dient der Überwachung der DC-Link-Spannung. Diese Schaltung bezieht sich auf die untere Gate-Ansteuerschaltung der Phase A, mit einer Widerstandsdämpfungsverbindung zum oberen IGBT-Kollektoranschluss der Phase A. Der VCO-Ausgangsbereich beträgt ebenfalls 0–2 MHz. Der Eingang ist so skaliert, dass eine Zwischenkreisspannung von 0 bis 1198 V einer Ausgangsfrequenz von 0 bis 2 MHz entspricht.
Fehlerkontroll- und Gate-Treiber-Deaktivierungsmechanismus
Die Fehlersignale vom IS200BPIAG1A sind vorübergehender Natur und bleiben nur für die Dauer des Fehlerzustands wahr. Daher muss das Steuersystem einen Fehlerbehandlungsschaltkreis über den P1-Anschluss verwenden, um diese Signale zu speichern.
Wenn ein Fehler erkannt wird, ergreift der IS200BPIAG1A entscheidende Schutzmaßnahmen, indem er die Steuerspannung von allen sechs IGBT-Gate-Treibermodulen abschaltet. Zur Implementierung dieser Funktion stehen spezielle Hochgeschwindigkeits- und ausfallsichere Deaktivierungsleitungen im P1-Anschluss zur Verfügung:
Hochgeschwindigkeitstreiber-Deaktivierung : Während des normalen Betriebs sollte die DRVPC-Leitung logisch niedrig sein und +5 V sollten an die DRVP5-Leitung angelegt werden. Wenn ein Fehler erkannt wird, löst das Hochsetzen der DRVPC-Leitung eine Deaktivierung des Hochgeschwindigkeits-Gate-Treibers aus, wodurch die Reaktionszeit des Schutzes minimiert wird.
Ausfallsichere Treiberdeaktivierung : Das Entfernen der +5-V-Stromversorgung von der DRVP5-Leitung über einen Satz externer Kontakte bietet eine ausfallsichere Methode zum Deaktivieren der IGBT-Treibermodule. Selbst bei Ausfall des High-Speed-Disable-Kanals sorgt diese kontaktbasierte Methode dafür, dass die IGBTs zuverlässig abgeschaltet werden.
Platinenidentifikation und Schnittstellenverbindungen
Der IS200BPIAG1A verfügt über ein integriertes serielles 1024-Bit-Speichergerät, das mit Platinenidentifikations- und Revisionsinformationen programmiert ist und eine automatische Plug-and-Play-Platinenidentifikationsfunktion für das Steuerungssystem unterstützt.
Der P1 Bridge Control Connector verwendet einen Standard-VME-Anschluss. Eine große Anzahl von Pins in den Reihen A und D dient der Spannungstrennung, um einen sicheren Isolationsabstand zwischen Hoch- und Niederspannungssignalen zu gewährleisten. Die Reihen B und C übertragen alle Kernsteuersignale: 17,7-V-Wechselstromeingang, Brückenaktivierungssignale, Treiberleistungssteuerung, Fehlerreset, Entsättigungs-/UV- und Shunt-Fehlerstatus für alle drei Phasen, Gate-Antriebsbefehlssignale, VCO-Frequenzausgangssignale, eine serielle Platinen-ID-Leitung und den geschalteten +5-V-Treiberleistungsausgang.
Die sechs Phasenanschlüsse werden direkt an die dreiphasigen IGBT-Leistungsgeräte angeschlossen und sind unterteilt in: APL, BPL und CPL (die die Gate-Ansteuerleitungen und Shunt-Erfassungspunkte für jede Phase tragen) und AAPL, BAPL und CAPL (die den isolierten Strom für die oberen und unteren Treiberschaltkreise jeder Phase liefern).
