IS200BPIAG1A IGBT Drive Bridge Personality Interface Board adalah komponen antarmuka penting yang dirancang oleh GE Industrial Control Systems untuk sistem penggerak AC tiga fase berbasis IGBT. IS200BPIAG1A menyediakan antarmuka sinyal yang lengkap dan andal antara elektronik kontrol dan elektronika daya, berfungsi sebagai jembatan inti yang memungkinkan kontrol berkinerja tinggi dan pengoperasian sistem penggerak yang aman. IS200BPIAG1A dipasang di rak papan tipe VME standar dan berinteraksi dengan bidang belakang sistem kontrol melalui konektor P1. Ini terhubung langsung ke perangkat daya IGBT fase A, B, dan C melalui konektor steker khusus enam fase.
IS200BPIAG1A mengintegrasikan enam rangkaian driver gerbang IGBT yang diisolasi secara independen, tiga rangkaian umpan balik arus Osilator Terkendali Tegangan (VCO) shunt terisolasi, dan rangkaian umpan balik VCO terisolasi untuk memantau tegangan tautan DC serta tegangan keluaran VAB dan VBC. Selain itu, papan IS200BPIAG1A memiliki fitur arus berlebih fase tingkat perangkat keras dan perlindungan kesalahan desaturasi IGBT bawaan, memberikan sistem perlindungan lokal yang komprehensif untuk jembatan daya IGBT. Semua fungsi ini diintegrasikan ke dalam satu papan faktor bentuk VME standar, yang menunjukkan filosofi desain GE yang sangat terintegrasi dan modular untuk antarmuka elektronika daya.
Desain Sistem Catu Daya
Sistem catu daya IS200BPIAG1A menggunakan skema desain yang sangat terisolasi untuk memastikan keamanan listrik antar fase dan antara sisi tegangan tinggi dan tegangan rendah. Daya terisolasi untuk papan berasal dari belitan sekunder tiga transformator, satu khusus untuk setiap fasa. Sinyal gelombang persegi 17,7 V AC yang disuplai melalui konektor P1 memberi daya pada transformator primer. Untuk setiap transformator:
Catu Daya Penggerak Gerbang : Dua dari tiga belitan sekunder disearahkan dan disaring setengah gelombang untuk menghasilkan suplai terisolasi +15 V (VCC) dan -7,5 V (VEE) yang diperlukan oleh rangkaian driver gerbang IGBT atas dan bawah. Ini memberikan tegangan bias positif dan negatif yang diperlukan untuk memastikan penyalaan dan penonaktifan IGBT yang andal.
Catu Daya Pemrosesan Sinyal : Gulungan sekunder ketiga disearahkan dan difilter gelombang penuh untuk menyediakan ±12 V terisolasi yang diperlukan oleh rangkaian umpan balik arus shunt, rangkaian VCO umpan balik tegangan fasa, dan sirkuit deteksi kesalahan. Selain itu, regulator linier 5 V pada suplai +12 V menghasilkan suplai logika tugas ringan 5 V.
Logika Kontrol Daya : Suplai referensi +5 V yang diperlukan untuk logika kontrol sistem disediakan langsung ke board IS200BPIAG1A melalui konektor P1.
Kebutuhan daya keseluruhan untuk IS200BPIAG1A didefinisikan dengan jelas: maksimum 1,5 W dari suplai +5 V DC, dan dari suplai 17,7 V AC, maksimum 5 W tanpa beban amplifier driver gerbang dan maksimum 18 W dengan beban amplifier driver gerbang.
Sirkuit Penggerak Gerbang IGBT
IS200BPIAG1A dikonfigurasikan dengan dua sirkuit penggerak gerbang IGBT yang sepenuhnya independen dan terisolasi untuk setiap kaki fase: satu mengendalikan IGBT atas dan yang lainnya mengendalikan IGBT bawah. Ini total enam sirkuit driver untuk tiga fase. Setiap sirkuit terdiri dari modul penggerak gerbang hibrida yang diisolasi secara optik dan sejumlah kecil komponen diskrit.
Karakteristik Penggerak dan Fungsi Perlindungan : Modul penggerak gerbang menggerakkan gerbang IGBT antara VCC (+15 V) dan VEE (-7,5 V), memberikan bias positif yang cukup untuk memastikan IGBT sepenuhnya jenuh selama konduksi dan bias negatif yang cukup untuk memastikan pemadaman yang andal dan ketahanan terhadap pengaktifan parasit. Input kontrol modul atas dan bawah dihubungkan dalam konfigurasi anti-paralel untuk mencegah konduksi simultan, yang akan menyebabkan korsleting tembus pada kaki fase. Modul ini memiliki kemampuan puncak arus sink/sumber sebesar 5,0 A, dengan penundaan nyala/mati pada umumnya hanya 1,5 mikrodetik.
Mekanisme Deteksi Kesalahan : Setiap rangkaian penggerak gerbang dapat menghasilkan dua jenis kesalahan:
Kesalahan Desaturasi : Ketika modul diperintahkan untuk menghidupkan IGBT, modul memonitor penurunan tegangan antara kolektor dan emitor IGBT. Jika tegangan ini melebihi ambang batas tipikal sekitar 10 V untuk jangka waktu lebih lama dari 4,2 mikrodetik (maksimum 6,6 mikrodetik), hal ini menunjukkan bahwa IGBT telah keluar dari saturasi dan memasuki wilayah operasi linier, yang dapat dengan cepat menyebabkan perangkat menjadi terlalu panas dan rusak. Modul akan segera mematikan IGBT dan mengumumkan kesalahan desaturasi.
Kesalahan Undervoltage (UV) : Modul juga memonitor tegangan antara VCC dan VEE. Jika tegangan ini turun di bawah 18 V, tegangan penggerak gerbang tidak cukup untuk menggerakkan IGBT dengan andal, dan kesalahan tegangan rendah akan terjadi. Kedua sinyal kesalahan ini di-OR bersama-sama dan digabungkan secara optik kembali ke rangkaian logika kontrol.
Sistem Umpan Balik Arus Shunt
IS200BPIAG1A mencapai pengukuran arus fasa keluaran yang tepat dengan mendeteksi penurunan tegangan pada resistor shunt di setiap fasa A, B, dan C. Saluran umpan balik arus untuk setiap fasa sepenuhnya independen dan terisolasi.
Konversi Sinyal VCO : Sinyal tegangan melintasi shunt pertama-tama dikondisikan oleh penguat dan kemudian diteruskan ke rangkaian VCO, yang mengubahnya menjadi sinyal frekuensi. Rentang frekuensi keluaran VCO adalah 0–2 MHz, dan titik operasinya dibiaskan sehingga pada arus nol, keluaran nominalnya adalah 1 MHz. Rentang tegangan shunt skala penuh adalah ±200 mV, sesuai dengan perubahan frekuensi keluaran ±800 kHz. Hal ini memungkinkan pengukuran arus fasa dengan presisi tinggi dan real-time yang dapat dengan mudah direkonstruksi oleh sistem kontrol melalui penghitungan frekuensi sederhana.
Fungsi Perlindungan Kesalahan : Rangkaian umpan balik arus juga mampu mendeteksi dua jenis kesalahan:
Kesalahan DI/DT : Ketika arus shunt mengalami perubahan langkah sebesar 100% atau lebih dari nilai pengenalnya, rangkaian umpan balik arus dapat mendeteksi dan melaporkan kesalahan ini dalam waktu 25 mikrodetik, mencegah gangguan sistem dari laju perubahan arus yang berlebihan.
Gangguan Arus Lebih (OC) : Ambang batas arus lebih ditetapkan sebesar 250% dari arus shunt pengenal. Jika arus terdeteksi melebihi ambang batas ini, sinyal gangguan arus lebih akan segera dipicu. Kedua sinyal gangguan arus ini juga di-OR bersama-sama dan dikirim ke sisi logika kontrol melalui isolasi optik.
Umpan Balik Tegangan Fase-ke-Fase dan DC Link
Umpan Balik Tegangan Fase-ke-Fase VAB dan VBC : IS200BPIAG1A dengan cerdik mengukur tegangan output fase-ke-fase VAB dan VBC melalui dua saluran yang berasal dari titik sambungan shunt. Rangkaian VAB didasarkan pada rangkaian VCO shunt fase B dan terhubung ke fase A melalui jaringan atenuasi resistif. Rangkaian VCB didasarkan pada rangkaian VCO shunt fase C dan terhubung ke fase B melalui jaringan atenuasi resistif. Rentang frekuensi keluaran setiap VCO adalah 0–2 MHz, dengan keluaran nominal 976,8 kHz pada tegangan fasa ke fasa nol. Tegangan fase-ke-fase ±1,0 V sesuai dengan perubahan frekuensi keluaran ±959,58 Hz. Semua output VCO dihubungkan ke logika kontrol melalui isolasi optik.
Umpan Balik Tegangan Tautan DC : Rangkaian umpan balik tegangan VCO ketiga didedikasikan untuk memantau tegangan tautan DC. Sirkuit ini direferensikan ke sirkuit penggerak gerbang bawah fase A, dengan ikatan redaman resistif ke koneksi kolektor IGBT atas fase A. Kisaran keluaran VCO juga sama 0–2 MHz. Inputnya diskalakan sehingga tegangan link DC 0 hingga 1198 V sesuai dengan frekuensi output 0 hingga 2 MHz.
Kontrol Kesalahan dan Mekanisme Penonaktifan Driver Gerbang
Sinyal kesalahan dari IS200BPIAG1A bersifat sementara, dan tetap benar hanya selama durasi kondisi kesalahan. Oleh karena itu, sistem kendali harus menggunakan rangkaian penanganan kesalahan melalui konektor P1 untuk mengunci sinyal tersebut.
Ketika ada kesalahan yang terdeteksi, IS200BPIAG1A mengambil tindakan perlindungan yang tegas dengan menghilangkan daya kontrol dari keenam modul driver gerbang IGBT. Jalur penonaktifan khusus berkecepatan tinggi dan anti-gagal di konektor P1 disediakan untuk mengimplementasikan fungsi ini:
Penonaktifan Driver Berkecepatan Tinggi : Selama pengoperasian normal, jalur DRVPC harus berlogika rendah dan +5 V harus diterapkan ke jalur DRVP5. Ketika kesalahan terdeteksi, mengambil jalur DRVPC tinggi akan memulai penonaktifan driver gerbang berkecepatan tinggi, meminimalkan waktu respons perlindungan.
Penonaktifan Driver Fail-Safe : Melepaskan daya +5 V dari saluran DRVP5 melalui serangkaian kontak eksternal menyediakan metode anti-gagal untuk menonaktifkan modul driver IGBT. Sekalipun saluran penonaktifan berkecepatan tinggi gagal, metode berbasis kontak ini memastikan IGBT dimatikan dengan andal.
Identifikasi Papan dan Koneksi Antarmuka
IS200BPIAG1A dilengkapi perangkat memori serial onboard 1024-bit yang diprogram dengan identifikasi papan dan informasi revisi, mendukung kemampuan identifikasi papan plug-and-play otomatis untuk sistem kontrol.
Konektor Kontrol Jembatan P1 menggunakan konektor VME standar. Sejumlah besar pin di baris A dan D digunakan untuk izin tegangan guna memastikan jarak isolasi yang aman antara sinyal tegangan tinggi dan rendah. Baris B dan C membawa semua sinyal kontrol inti: input daya AC 17,7 V, sinyal pengaktifan jembatan, kontrol daya driver, pengaturan ulang kesalahan, desaturasi/UV dan status kesalahan shunt untuk ketiga fase, sinyal perintah penggerak gerbang, sinyal keluaran frekuensi VCO, jalur ID papan serial, dan keluaran daya driver yang diaktifkan +5 V.
Konektor Enam Fasa terhubung langsung ke perangkat daya IGBT tiga fasa dan dibagi menjadi: APL, BPL, dan CPL (yang membawa jalur penggerak gerbang dan titik penginderaan shunt untuk setiap fasa), dan AAPL, BAPL, dan CAPL (yang menyuplai daya terisolasi untuk sirkuit penggerak atas dan bawah setiap fasa).
