La scheda di interfaccia personalizzata IS200BPIAG1A IGBT Drive Bridge è un componente di interfaccia critico progettato da GE Industrial Control Systems per sistemi di azionamento CA trifase basati su IGBT. L'IS200BPIAG1A fornisce un'interfaccia di segnale completa e affidabile tra l'elettronica di controllo e l'elettronica di potenza, fungendo da ponte principale che consente un controllo ad alte prestazioni e un funzionamento sicuro del sistema di azionamento. L'IS200BPIAG1A è montato in un rack per schede di tipo VME standard e si interfaccia con il backplane del sistema di controllo tramite il connettore P1. È collegato direttamente ai dispositivi di potenza IGBT delle fasi A, B e C tramite sei connettori a spina dedicati alla fase.
L'IS200BPIAG1A integra sei circuiti driver gate IGBT isolati in modo indipendente, tre circuiti di feedback di corrente VCO (oscillatore controllato in tensione) shunt isolati e circuiti di feedback VCO isolati per il monitoraggio della tensione del collegamento CC e delle tensioni di uscita VAB e VBC. Inoltre, la scheda IS200BPIAG1A è dotata di protezione integrata da sovracorrente di fase e desaturazione IGBT a livello hardware, fornendo un sistema di protezione completo e localizzato per il ponte di potenza IGBT. Tutte queste funzioni sono integrate su un'unica scheda con fattore di forma VME standard, a dimostrazione della filosofia di progettazione altamente integrata e modulare di GE per le interfacce dell'elettronica di potenza.
Progettazione del sistema di alimentazione
Il sistema di alimentazione dell'IS200BPIAG1A utilizza uno schema di progettazione altamente isolato per garantire la sicurezza elettrica tra le fasi e tra i lati ad alta e bassa tensione. L'alimentazione isolata per la scheda deriva dagli avvolgimenti secondari di tre trasformatori, uno dedicato a ciascuna fase. Un segnale ad onda quadra da 17,7 V CA fornito attraverso il connettore P1 alimenta i primari del trasformatore. Per ogni trasformatore:
Alimentatori del gate drive : due dei tre avvolgimenti secondari sono raddrizzati a semionda e filtrati per produrre le alimentazioni isolate +15 V (VCC) e -7,5 V (VEE) richieste dai circuiti del gate driver IGBT superiore e inferiore. Questi forniscono le tensioni di polarizzazione positiva e negativa necessarie per garantire un'accensione e uno spegnimento affidabili degli IGBT.
Alimentazione per l'elaborazione del segnale : il terzo avvolgimento secondario è raddrizzato a onda intera e filtrato per fornire i ±12 V isolati richiesti dai circuiti di feedback della corrente di shunt, dai circuiti VCO di feedback della tensione di fase e dai circuiti di rilevamento dei guasti. Inoltre, un regolatore lineare da 5 V sull'alimentazione +12 V genera un'alimentazione logica da 5 V per uso leggero.
Alimentazione della logica di controllo : l'alimentazione di riferimento di +5 V richiesta per la logica di controllo del sistema viene fornita direttamente alla scheda IS200BPIAG1A tramite il connettore P1.
I requisiti di potenza complessivi per l'IS200BPIAG1A sono chiaramente definiti: un massimo di 1,5 W dall'alimentazione +5 V CC e dall'alimentazione 17,7 V CA, un massimo di 5 W senza carico dell'amplificatore gate driver e un massimo di 18 W con carico dell'amplificatore gate driver.
Circuiti di comando del gate IGBT
L'IS200BPIAG1A è configurato con due circuiti di comando del gate IGBT completamente indipendenti e isolati per ciascun ramo di fase: uno che controlla l'IGBT superiore e l'altro che controlla l'IGBT inferiore. In totale sono sei circuiti di pilotaggio per le tre fasi. Ogni circuito è composto da un modulo di comando del gate ibrido otticamente isolato e da un numero limitato di componenti discreti.
Caratteristiche di azionamento e funzioni di protezione : il modulo di azionamento del gate guida il gate dell'IGBT tra VCC (+15 V) e VEE (-7,5 V), fornendo una polarizzazione positiva sufficiente per garantire che l'IGBT sia completamente saturato durante la conduzione e una polarizzazione negativa sufficiente per garantire uno spegnimento affidabile e una resistenza all'accensione parassita. Gli ingressi di controllo dei moduli superiore e inferiore sono collegati in una configurazione antiparallela per impedire una conduzione simultanea, che causerebbe un cortocircuito passante nel ramo di fase. Il modulo presenta una capacità di corrente di picco sink/source di 5,0 A, con un ritardo di accensione/spegnimento tipico di soli 1,5 microsecondi.
Meccanismo di rilevamento guasti : ciascun circuito di azionamento del gate può generare due tipi di guasti:
Errore di desaturazione : quando al modulo viene comandato di accendere l'IGBT, monitora la caduta di tensione tra il collettore e l'emettitore dell'IGBT. Se questa tensione supera una soglia tipica di circa 10 V per un periodo superiore a 4,2 microsecondi (6,6 microsecondi massimo), indica che l'IGBT è uscito dalla saturazione ed è entrato nella regione operativa lineare, il che può portare rapidamente al surriscaldamento e al danneggiamento del dispositivo. Il modulo spegnerà immediatamente l'IGBT e segnalerà un errore di desaturazione.
Guasto di sottotensione (UV) : il modulo monitora anche la tensione tra VCC e VEE. Se questa tensione scende al di sotto di 18 V, la tensione di comando del gate non è sufficiente per pilotare in modo affidabile l'IGBT e si verificherà un errore di sottotensione. Questi due segnali di guasto vengono collegati in OR insieme e accoppiati otticamente al circuito logico di controllo.
Sistema di feedback della corrente di shunt
L'IS200BPIAG1A consente una misurazione precisa delle correnti di fase in uscita rilevando la caduta di tensione attraverso un resistore di shunt in ciascuna delle fasi A, B e C. Il canale di feedback della corrente per ciascuna fase è completamente indipendente e isolato.
Conversione del segnale VCO : il segnale di tensione attraverso lo shunt viene prima condizionato da un amplificatore e quindi passato a un circuito VCO, che lo converte in un segnale di frequenza. L'intervallo di frequenza di uscita del VCO è 0–2 MHz e il suo punto operativo è polarizzato in modo che a corrente zero l'uscita nominale sia 1 MHz. L'intervallo di tensione shunt a fondo scala è ±200 mV, corrispondente a una variazione della frequenza di uscita di ±800 kHz. Ciò consente una misurazione della corrente di fase in tempo reale e ad alta precisione che può essere facilmente ricostruita dal sistema di controllo attraverso un semplice conteggio della frequenza.
Funzioni di protezione dai guasti : il circuito di feedback della corrente è anche in grado di rilevare due tipi di guasti:
Guasto DI/DT : quando la corrente shunt subisce una variazione di gradino pari o superiore al 100% del suo valore nominale, il circuito di feedback di corrente può rilevare e segnalare questo guasto entro 25 microsecondi, prevenendo disturbi del sistema dovuti a velocità eccessive di variazione di corrente.
Guasto da sovracorrente (OC) : la soglia di sovracorrente è impostata al 250% della corrente di shunt nominale. Se viene rilevato che la corrente supera questa soglia, viene immediatamente attivato un segnale di guasto da sovracorrente. Questi due segnali di guasto corrente vengono anche collegati in OR insieme e trasmessi al lato della logica di controllo tramite isolamento ottico.
Feedback di tensione fase-fase e collegamento CC
Feedback di tensione fase-fase VAB e VBC : IS200BPIAG1A misura ingegnosamente le tensioni fase-fase in uscita VAB e VBC attraverso due canali derivati dai punti di connessione shunt. Il circuito VAB si basa sul circuito VCO shunt di fase B e si collega alla fase A tramite una rete di attenuazione resistiva. Il circuito VCB si basa sul circuito VCO shunt di fase C e si collega alla fase B tramite una rete di attenuazione resistiva. L'intervallo di frequenza di uscita di ciascun VCO è 0–2 MHz, con un'uscita nominale di 976,8 kHz con tensione fase-fase pari a zero. Una tensione fase-fase di ±1,0 V corrisponde a una variazione della frequenza di uscita di ±959,58 Hz. Tutte le uscite VCO sono collegate alla logica di controllo tramite isolamento ottico.
Feedback della tensione del collegamento CC : un terzo circuito di feedback della tensione VCO è dedicato al monitoraggio della tensione del collegamento CC. Questo circuito fa riferimento al circuito di pilotaggio del gate inferiore della fase A, con un collegamento di attenuazione resistiva alla connessione del collettore IGBT superiore della fase A. La gamma di uscita del VCO è analogamente 0–2 MHz. L'ingresso è scalato in modo che una tensione del collegamento CC da 0 a 1198 V corrisponda a una frequenza di uscita da 0 a 2 MHz.
Meccanismo di controllo guasti e disabilitazione del gate driver
I segnali di guasto provenienti dall'IS200BPIAG1A sono di natura transitoria e rimangono veri solo per la durata della condizione di guasto. Pertanto, il sistema di controllo deve utilizzare un circuito di gestione degli errori tramite il connettore P1 per bloccare questi segnali.
Quando viene rilevato un guasto, IS200BPIAG1A intraprende un'azione protettiva decisiva rimuovendo l'alimentazione di controllo da tutti e sei i moduli gate driver IGBT. Per implementare questa funzione sono fornite linee di disabilitazione dedicate ad alta velocità e fail-safe nel connettore P1:
Disabilitazione driver ad alta velocità : durante il normale funzionamento, la linea DRVPC dovrebbe essere logicamente bassa e +5 V dovrebbero essere applicati alla linea DRVP5. Quando viene rilevato un guasto, portando la linea DRVPC a livello alto si avvia la disabilitazione del driver del gate ad alta velocità, riducendo al minimo il tempo di risposta della protezione.
Disabilitazione del driver a prova di errore : la rimozione dell'alimentazione +5 V dalla linea DRVP5 tramite una serie di contatti esterni fornisce un metodo a prova di errore per disabilitare i moduli driver IGBT. Anche se il canale di disabilitazione ad alta velocità fallisce, questo metodo basato sul contatto garantisce che gli IGBT vengano spenti in modo affidabile.
Identificazione della scheda e collegamenti dell'interfaccia
IS200BPIAG1A è dotato di un dispositivo di memoria seriale integrato a 1024 bit programmato con informazioni di identificazione e revisione della scheda, che supporta una funzionalità di identificazione automatica plug-and-play della scheda per il sistema di controllo.
Il connettore di controllo del ponte P1 utilizza un connettore VME standard. Un gran numero di pin nelle file A e D vengono utilizzati per la separazione della tensione per garantire una distanza di isolamento sicura tra i segnali ad alta e bassa tensione. Le righe B e C trasportano tutti i segnali di controllo principali: ingresso di alimentazione CA da 17,7 V, segnali di abilitazione del ponte, controllo dell'alimentazione del driver, ripristino dei guasti, stato di desaturazione/UV e guasto shunt per tutte e tre le fasi, segnali di comando del comando del gate, segnali di uscita della frequenza VCO, una linea ID della scheda seriale e l'uscita di alimentazione del driver commutata da +5 V.
I sei connettori di fase si collegano direttamente ai dispositivi di alimentazione IGBT trifase e sono suddivisi in: APL, BPL e CPL (che trasportano le linee di comando del gate e i punti di rilevamento dello shunt per ciascuna fase) e AAPL, BAPL e CAPL (che forniscono l'alimentazione isolata per i circuiti di pilotaggio superiore e inferiore di ciascuna fase).
