La placa de interfaz de personalidad del puente de accionamiento IGBT IS200BPIAG1A es un componente de interfaz crítico diseñado por GE Industrial Control Systems para sistemas de accionamiento de CA trifásicos basados en IGBT. El IS200BPIAG1A proporciona una interfaz de señal completa y confiable entre la electrónica de control y la electrónica de potencia, sirviendo como puente central que permite un control de alto rendimiento y una operación segura del sistema de accionamiento. El IS200BPIAG1A está montado en un bastidor de placa tipo VME estándar e interactúa con el backplane del sistema de control a través de su conector P1. Está conectado directamente a los dispositivos de alimentación IGBT de las fases A, B y C a través de seis conectores enchufables dedicados a las fases.
El IS200BPIAG1A integra seis circuitos de controlador de puerta IGBT aislados independientemente, tres circuitos de retroalimentación de corriente de oscilador controlado por voltaje (VCO) aislados en derivación y circuitos de retroalimentación VCO aislados para monitorear el voltaje del enlace de CC y los voltajes de salida VAB y VBC. Además, la placa IS200BPIAG1A cuenta con protección integrada contra sobrecorriente de fase y falla de desaturación IGBT a nivel de hardware, lo que proporciona un sistema de protección integral y localizado para el puente de alimentación IGBT. Todas estas funciones están integradas en una única placa de factor de forma VME estándar, lo que demuestra la filosofía de diseño modular y altamente integrada de GE para interfaces de electrónica de potencia.
Diseño del sistema de suministro de energía
El sistema de suministro de energía del IS200BPIAG1A emplea un esquema de diseño altamente aislado para garantizar la seguridad eléctrica entre fases y entre los lados de alto y bajo voltaje. La potencia aislada del tablero se deriva de los devanados secundarios de tres transformadores, uno dedicado a cada fase. Una señal de onda cuadrada de 17,7 V CA suministrada a través del conector P1 alimenta los primarios del transformador. Para cada transformador:
Fuentes de alimentación del controlador de puerta : Dos de los tres devanados secundarios están rectificados y filtrados en media onda para producir los suministros aislados de +15 V (VCC) y -7,5 V (VEE) requeridos por los circuitos del controlador de puerta IGBT superior e inferior. Estos proporcionan los voltajes de polarización positivos y negativos necesarios para garantizar un encendido y apagado confiable de los IGBT.
Fuente de alimentación de procesamiento de señal : El tercer devanado secundario está rectificado y filtrado de onda completa para proporcionar los ±12 V aislados requeridos por los circuitos de retroalimentación de corriente en derivación, los circuitos VCO de retroalimentación de voltaje de fase y los circuitos de detección de fallas. Además, un regulador lineal de 5 V en el suministro de +12 V genera un suministro lógico de 5 V de uso liviano.
Alimentación de la lógica de control : El suministro de referencia de +5 V requerido para la lógica de control del sistema se proporciona directamente a la placa IS200BPIAG1A a través del conector P1.
Los requisitos generales de alimentación para el IS200BPIAG1A están claramente definidos: un máximo de 1,5 W del suministro de +5 V CC y del suministro de 17,7 V CA, un máximo de 5 W sin carga de amplificador de controlador de puerta y un máximo de 18 W con carga de amplificador de controlador de puerta.
Circuitos de accionamiento de puerta IGBT
El IS200BPIAG1A está configurado con dos circuitos de accionamiento de compuerta IGBT totalmente independientes y aislados para cada tramo de fase: uno que controla el IGBT superior y el otro que controla el IGBT inferior. Esto suma un total de seis circuitos controladores para las tres fases. Cada circuito está compuesto por un módulo de accionamiento de compuerta híbrido ópticamente aislado y una pequeña cantidad de componentes discretos.
Características del variador y funciones de protección : El módulo de variador de compuerta impulsa la compuerta IGBT entre VCC (+15 V) y VEE (-7,5 V), proporcionando suficiente polarización positiva para garantizar que el IGBT esté completamente saturado durante la conducción y suficiente polarización negativa para garantizar un apagado confiable y resistencia al encendido parásito. Las entradas de control de los módulos superior e inferior están conectadas en una configuración antiparalela para evitar la conducción simultánea, lo que causaría un cortocircuito en el tramo de fase. El módulo presenta una capacidad máxima de corriente de fuente/sumidero de 5,0 A, con un retardo típico de encendido/apagado de solo 1,5 microsegundos.
Mecanismo de detección de fallas : cada circuito de accionamiento de puerta puede generar dos tipos de fallas:
Fallo de desaturación : cuando se ordena al módulo que encienda el IGBT, monitorea la caída de voltaje entre el colector y el emisor del IGBT. Si este voltaje excede un umbral típico de aproximadamente 10 V durante un período superior a 4,2 microsegundos (6,6 microsegundos como máximo), indica que el IGBT salió de la saturación y entró en la región de funcionamiento lineal, lo que puede provocar rápidamente un sobrecalentamiento y daños en el dispositivo. El módulo apagará inmediatamente el IGBT y anunciará una falla de desaturación.
Fallo de subtensión (UV) : el módulo también monitorea el voltaje entre VCC y VEE. Si este voltaje cae por debajo de 18 V, el voltaje del accionamiento de la puerta es insuficiente para accionar de manera confiable el IGBT y se producirá una falla por subvoltaje. Estas dos señales de falla se combinan en OR y se acoplan ópticamente nuevamente al circuito lógico de control.
Sistema de retroalimentación de corriente en derivación
El IS200BPIAG1A logra una medición precisa de las corrientes de fase de salida detectando la caída de voltaje a través de una resistencia en derivación en cada una de las fases A, B y C. El canal de retroalimentación de corriente para cada fase es completamente independiente y está aislado.
Conversión de señal VCO : la señal de voltaje a través de la derivación primero es acondicionada por un amplificador y luego pasa a un circuito VCO, que la convierte en una señal de frecuencia. El rango de frecuencia de salida del VCO es de 0 a 2 MHz y su punto de funcionamiento está polarizado de modo que, con corriente cero, la salida nominal es de 1 MHz. El rango de voltaje de derivación a escala completa es ±200 mV, correspondiente a un cambio de frecuencia de salida de ±800 kHz. Esto permite una medición de corriente de fase de alta precisión en tiempo real que el sistema de control puede reconstruir fácilmente mediante un simple conteo de frecuencia.
Funciones de protección de fallas : el circuito de retroalimentación de corriente también es capaz de detectar dos tipos de fallas:
Fallo DI/DT : cuando la corriente en derivación sufre un cambio escalonado del 100 % o más de su valor nominal, el circuito de retroalimentación de corriente puede detectar e informar esta falla en 25 microsegundos, evitando perturbaciones en el sistema debido a tasas excesivas de cambio de corriente.
Fallo de sobrecorriente (OC) : el umbral de sobrecorriente se establece en 250% de la corriente nominal de derivación. Si se detecta que la corriente excede este umbral, se activa inmediatamente una señal de falla por sobrecorriente. Estas dos señales de falla de corriente también se combinan en OR y se transmiten al lado de la lógica de control mediante aislamiento óptico.
Retroalimentación de voltaje entre fases y enlace CC
Retroalimentación de voltaje fase a fase VAB y VBC : El IS200BPIAG1A mide ingeniosamente los voltajes fase a fase de salida VAB y VBC a través de dos canales derivados de los puntos de conexión en derivación. El circuito VAB se basa en el circuito VCO en derivación de la fase B y se conecta a la fase A a través de una red de atenuación resistiva. El circuito VCB se basa en el circuito VCO en derivación de la fase C y se conecta a la fase B a través de una red de atenuación resistiva. El rango de frecuencia de salida de cada VCO es de 0 a 2 MHz, con una salida nominal de 976,8 kHz con voltaje cero entre fases. Una tensión entre fases de ±1,0 V corresponde a un cambio de frecuencia de salida de ±959,58 Hz. Todas las salidas VCO están conectadas a la lógica de control mediante aislamiento óptico.
Retroalimentación de voltaje del enlace de CC : un tercer circuito de retroalimentación de voltaje VCO está dedicado a monitorear el voltaje del enlace de CC. Este circuito está referenciado al circuito de accionamiento de compuerta inferior de fase A, con un vínculo de atenuación resistiva a la conexión del colector IGBT superior de fase A. El rango de salida del VCO es igualmente de 0 a 2 MHz. La entrada se escala de modo que una tensión de enlace CC de 0 a 1198 V corresponda a una frecuencia de salida de 0 a 2 MHz.
Mecanismo de desactivación del controlador de fallas y del controlador de puerta
Las señales de falla del IS200BPIAG1A son de naturaleza transitoria y permanecen verdaderas solo mientras dure la condición de falla. Por lo tanto, el sistema de control debe utilizar un circuito de manejo de fallas a través del conector P1 para bloquear estas señales.
Cuando se detecta cualquier falla, el IS200BPIAG1A toma una acción protectora decisiva cortando la energía de control de los seis módulos de controlador de puerta IGBT. Se proporcionan líneas de desactivación dedicadas de alta velocidad y a prueba de fallas en el conector P1 para implementar esta función:
Desactivación del controlador de alta velocidad : durante el funcionamiento normal, la línea DRVPC debe tener una lógica baja y se deben aplicar +5 V a la línea DRVP5. Cuando se detecta una falla, elevar la línea DRVPC inicia una desactivación del controlador de puerta de alta velocidad, minimizando el tiempo de respuesta de protección.
Desactivación del controlador a prueba de fallas : Quitar la alimentación de +5 V de la línea DRVP5 a través de un conjunto de contactos externos proporciona un método a prueba de fallas para desactivar los módulos del controlador IGBT. Incluso si falla el canal de desactivación de alta velocidad, este método basado en contacto garantiza que los IGBT se apaguen de manera confiable.
Identificación de la placa y conexiones de interfaz
El IS200BPIAG1A cuenta con un dispositivo de memoria serie integrado de 1024 bits que está programado con información de revisión e identificación de la placa, lo que admite una capacidad automática de identificación de la placa plug-and-play para el sistema de control.
El conector de control de puente P1 utiliza un conector VME estándar. Se utiliza una gran cantidad de pines en las filas A y D para la separación de voltaje para garantizar una distancia de aislamiento segura entre señales de alto y bajo voltaje. Las filas B y C transportan todas las señales de control principales: entrada de alimentación de 17,7 V CA, señales de habilitación de puente, control de potencia del controlador, restablecimiento de falla, desaturación/UV y estado de falla de derivación para las tres fases, señales de comando del controlador de puerta, señales de salida de frecuencia VCO, una línea de identificación de placa serie y la salida de alimentación conmutada de +5 V del controlador.
Los conectores de seis fases se conectan directamente a los dispositivos de alimentación IGBT trifásicos y se dividen en: APL, BPL y CPL (que transportan las líneas de accionamiento de puerta y los puntos de detección de derivación para cada fase) y AAPL, BAPL y CAPL (que suministran la energía aislada para los circuitos de controlador superior e inferior de cada fase).
