La carte d'interface de personnalité de pont de lecteur IGBT IS200BPIAG1A est un composant d'interface critique conçu par GE Industrial Control Systems pour les systèmes de variateur CA triphasés basés sur IGBT. L'IS200BPIAG1A fournit une interface de signal complète et fiable entre l'électronique de commande et l'électronique de puissance, servant de pont central qui permet un contrôle haute performance et un fonctionnement sûr du système d'entraînement. L'IS200BPIAG1A est monté dans un rack de carte standard de type VME et s'interface avec le fond de panier du système de contrôle via son connecteur P1. Il est directement connecté aux dispositifs d'alimentation IGBT des phases A, B et C via six connecteurs dédiés aux phases.
L'IS200BPIAG1A intègre six circuits de commande de grille IGBT isolés indépendamment, trois circuits de retour de courant d'oscillateur contrôlé par tension (VCO) shunt isolés et des circuits de retour VCO isolés pour surveiller la tension du circuit intermédiaire et les tensions de sortie VAB et VBC. De plus, la carte IS200BPIAG1A est dotée d'une protection intégrée contre les surintensités de phase et les défauts de désaturation IGBT au niveau matériel, fournissant ainsi un système de protection complet et localisé pour le pont d'alimentation IGBT. Toutes ces fonctions sont intégrées sur une seule carte de facteur de forme VME standard, démontrant la philosophie de conception hautement intégrée et modulaire de GE pour les interfaces électroniques de puissance.
Conception du système d'alimentation
Le système d'alimentation électrique de l'IS200BPIAG1A utilise un schéma de conception hautement isolé pour garantir la sécurité électrique entre les phases et entre les côtés haute et basse tension. L'alimentation isolée de la carte provient des enroulements secondaires de trois transformateurs, un dédié à chaque phase. Un signal carré de 17,7 V CA fourni via le connecteur P1 alimente les primaires du transformateur. Pour chaque transformateur :
Alimentations de commande de grille : Deux des trois enroulements secondaires sont redressés et filtrés en demi-onde pour produire les alimentations isolées +15 V (VCC) et -7,5 V (VEE) requises par les circuits de commande de grille IGBT supérieur et inférieur. Ceux-ci fournissent les tensions de polarisation positive et négative nécessaires pour garantir une activation et une désactivation fiables des IGBT.
Alimentation pour le traitement du signal : le troisième enroulement secondaire est redressé et filtré en pleine onde pour fournir le ± 12 V isolé requis par les circuits de retour de courant shunt, les circuits VCO de retour de tension de phase et les circuits de détection de défauts. De plus, un régulateur linéaire de 5 V sur l'alimentation +12 V génère une alimentation logique légère de 5 V.
Alimentation de la logique de contrôle : L'alimentation de référence +5 V requise pour la logique de contrôle du système est fournie directement à la carte IS200BPIAG1A via le connecteur P1.
Les exigences globales en matière de puissance pour l'IS200BPIAG1A sont clairement définies : un maximum de 1,5 W à partir de l'alimentation +5 V CC et à partir de l'alimentation 17,7 V CA, un maximum de 5 W sans charge d'amplificateur de commande de grille et un maximum de 18 W avec une charge d'amplificateur de commande de grille.
Circuits de commande de porte IGBT
L'IS200BPIAG1A est configuré avec deux circuits de commande de grille IGBT entièrement indépendants et isolés pour chaque branche de phase : l'un contrôlant l'IGBT supérieur et l'autre contrôlant l'IGBT inférieur. Cela totalise six circuits pilotes pour les trois phases. Chaque circuit est composé d'un module de commande de grille hybride optiquement isolé et d'un petit nombre de composants discrets.
Caractéristiques du variateur et fonctions de protection : Le module de commande de grille pilote la grille de l'IGBT entre VCC (+15 V) et VEE (-7,5 V), fournissant une polarisation positive suffisante pour garantir que l'IGBT est complètement saturé pendant la conduction et une polarisation négative suffisante pour garantir une coupure fiable et une résistance à la mise sous tension parasite. Les entrées de commande des modules supérieur et inférieur sont connectées dans une configuration anti-parallèle pour empêcher une conduction simultanée, ce qui provoquerait un court-circuit dans la branche de phase. Le module présente une capacité de courant de pointe puits/source de 5,0 A, avec un délai d'activation/désactivation typique de seulement 1,5 microsecondes.
Mécanisme de détection de défauts : Chaque circuit de commande de porte peut générer deux types de défauts :
Défaut de désaturation : Lorsque le module reçoit l'ordre d'allumer l'IGBT, il surveille la chute de tension entre le collecteur et l'émetteur de l'IGBT. Si cette tension dépasse un seuil typique d'environ 10 V pendant une période supérieure à 4,2 microsecondes (6,6 microsecondes maximum), cela indique que l'IGBT est sorti de la saturation et est entré dans la zone de fonctionnement linéaire, ce qui peut rapidement entraîner une surchauffe et des dommages au dispositif. Le module éteindra immédiatement l'IGBT et annoncera un défaut de désaturation.
Défaut de sous-tension (UV) : le module surveille également la tension entre VCC et VEE. Si cette tension descend en dessous de 18 V, la tension de commande de grille est insuffisante pour piloter l'IGBT de manière fiable et un défaut de sous-tension se produira. Ces deux signaux de défaut sont combinés en OU et couplés optiquement au circuit logique de commande.
Système de rétroaction de courant de dérivation
L'IS200BPIAG1A réalise une mesure précise des courants de phase de sortie en détectant la chute de tension aux bornes d'une résistance shunt dans chacune des phases A, B et C. Le canal de retour de courant pour chaque phase est entièrement indépendant et isolé.
Conversion du signal VCO : Le signal de tension aux bornes du shunt est d'abord conditionné par un amplificateur puis transmis à un circuit VCO, qui le convertit en signal de fréquence. La plage de fréquences de sortie du VCO est de 0 à 2 MHz et son point de fonctionnement est polarisé de sorte qu'à courant nul, la sortie nominale est de 1 MHz. La plage de tension de shunt à pleine échelle est de ±200 mV, correspondant à un changement de fréquence de sortie de ±800 kHz. Cela permet une mesure de courant de phase en temps réel de haute précision qui peut être facilement reconstruite par le système de contrôle grâce à un simple comptage de fréquence.
Fonctions de protection contre les défauts : Le circuit de retour de courant est également capable de détecter deux types de défauts :
Défaut DI/DT : Lorsque le courant shunt subit un changement progressif de 100 % ou plus de sa valeur nominale, le circuit de retour de courant peut détecter et signaler ce défaut dans un délai de 25 microsecondes, empêchant ainsi les perturbations du système dues à des taux excessifs de changement de courant.
Défaut de surintensité (OC) : Le seuil de surintensité est réglé à 250 % du courant de shunt nominal. Si le courant dépasse ce seuil, un signal de défaut de surintensité est immédiatement déclenché. Ces deux signaux de défaut de courant sont également combinés en OU et transmis au côté logique de commande via une isolation optique.
Retour de tension phase-à-phase et liaison CC
Retour de tension phase-phase VAB et VBC : L'IS200BPIAG1A mesure ingénieusement les tensions phase-phase de sortie VAB et VBC via deux canaux dérivés des points de connexion shunt. Le circuit VAB est basé sur le circuit VCO shunt de phase B et se connecte à la phase A via un réseau d'atténuation résistive. Le circuit VCB est basé sur le circuit VCO shunt de phase C et se connecte à la phase B via un réseau d'atténuation résistive. La plage de fréquences de sortie de chaque VCO est de 0 à 2 MHz, avec une sortie nominale de 976,8 kHz à une tension phase-phase nulle. Une tension entre phases de ±1,0 V correspond à un changement de fréquence de sortie de ±959,58 Hz. Toutes les sorties VCO sont connectées à la logique de contrôle via une isolation optique.
Retour de tension du lien CC : Un troisième circuit de retour de tension VCO est dédié à la surveillance de la tension du lien CC. Ce circuit est référencé au circuit de commande de grille inférieure de la phase A, avec un lien d'atténuation résistive à la connexion du collecteur IGBT supérieur de la phase A. La plage de sortie du VCO est également comprise entre 0 et 2 MHz. L'entrée est mise à l'échelle de sorte qu'une tension de liaison CC de 0 à 1 198 V corresponde à une fréquence de sortie de 0 à 2 MHz.
Mécanisme de contrôle des défauts et de désactivation du pilote de porte
Les signaux de défaut de l'IS200BPIAG1A sont de nature transitoire et ne restent vrais que pendant la durée de la condition de défaut. Par conséquent, le système de contrôle doit utiliser un circuit de gestion des défauts via le connecteur P1 pour verrouiller ces signaux.
Lorsqu'un défaut est détecté, l'IS200BPIAG1A prend une mesure de protection décisive en supprimant l'alimentation de commande des six modules de commande de grille IGBT. Des lignes de désactivation dédiées à haute vitesse et à sécurité intégrée dans le connecteur P1 sont fournies pour mettre en œuvre cette fonction :
Désactivation du pilote haute vitesse : pendant le fonctionnement normal, la ligne DRVPC doit être logiquement basse et +5 V doit être appliqué à la ligne DRVP5. Lorsqu'un défaut est détecté, le fait de mettre la ligne DRVPC à l'état haut déclenche une désactivation du pilote de portail rapide, minimisant ainsi le temps de réponse de la protection.
Désactivation du pilote de sécurité : la suppression de l'alimentation +5 V de la ligne DRVP5 via un ensemble de contacts externes fournit une méthode de sécurité pour désactiver les modules de pilote IGBT. Même en cas de défaillance du canal de désactivation à grande vitesse, cette méthode basée sur les contacts garantit que les IGBT sont désactivés de manière fiable.
Identification de la carte et connexions d'interface
L'IS200BPIAG1A est doté d'un dispositif de mémoire série intégré de 1 024 bits programmé avec des informations d'identification et de révision de la carte, prenant en charge une capacité d'identification automatique de la carte plug-and-play pour le système de contrôle.
Le connecteur de contrôle du pont P1 utilise un connecteur VME standard. Un grand nombre de broches dans les rangées A et D sont utilisées pour le dégagement de tension afin de garantir une distance d'isolation sûre entre les signaux haute et basse tension. Les lignes B et C transportent tous les signaux de commande de base : entrée d'alimentation 17,7 V CA, signaux d'activation du pont, contrôle de l'alimentation du pilote, réinitialisation des défauts, état de désaturation/UV et de défaut de shunt pour les trois phases, signaux de commande de commande de grille, signaux de sortie de fréquence VCO, une ligne d'identification de carte série et la sortie d'alimentation du pilote commutée +5 V.
Les connecteurs six phases se connectent directement aux dispositifs d'alimentation triphasés IGBT et sont divisés en : APL, BPL et CPL (qui transportent les lignes de commande de grille et les points de détection de shunt pour chaque phase), et AAPL, BAPL et CAPL (qui fournissent l'alimentation isolée pour les circuits de commande supérieur et inférieur de chaque phase).
