IS200DSFCG1A è una scheda gate driver/shunt feedback IGBT da 1000/1800 Amp progettata da General Electric (GE) per la sua linea di prodotti Innovation Series™. Questa scheda è un componente critico della serie DSFC, utilizzata principalmente nei source bridge PWM (Pulse width modulated) e nei sistemi di azionamento CA. Il DSFCG1A integra un circuito di rilevamento della corrente, un circuito di rilevamento dei guasti e due circuiti di pilotaggio del gate IGBT. Sia il circuito di pilotaggio che quello di feedback utilizzano tecnologie di isolamento galvanico e ottico per garantire un isolamento sicuro tra i lati ad alta e bassa tensione.
Questa scheda è progettata specificamente per applicazioni di azionamento/sorgente con ingresso CA da 600 V LL rms e supporta sistemi di azionamento classificati per livelli di corrente sia di 1000 A che di 1800 A. In un sistema da 1000 A, è necessaria una scheda DSFC per fase, per un totale di tre schede. In un sistema da 1800 A, sono necessarie due schede DSFC collegate in una configurazione 'a margherita' per fase, per un totale di sei schede. Il DSFCG1A si interfaccia con il sistema di controllo dell'azionamento tramite la scheda IS200BPIB Drive Bridge Personality Interface Board (BPIB).
La scheda DSFCG1A è montata direttamente sui moduli IGBT superiore e inferiore di ciascun ramo di fase per garantire che le connessioni di uscita del comando del gate e di ingresso shunt siano le più corte possibile, riducendo così al minimo l'induttanza parassita e l'interferenza del segnale. La scheda è fissata agli IGBT tramite connessioni gate, emettitore e collettore. Il corretto orientamento dei fori di montaggio della scheda durante l'installazione è essenziale.
II. Funzioni principali
Le funzioni principali dell'IS200DSFCG1A includono, ma non sono limitate a, quanto segue:
1. Azionamento del gate di fase in uscita
Fornisce due circuiti di comando del gate IGBT isolati: uno che controlla gli IGBT superiori di un ramo di fase, l'altro che controlla gli IGBT inferiori.
Ciascun circuito di pilotaggio può pilotare due moduli IGBT in parallelo.
L'intervallo di tensione del convertitore va da VCC (+15 V) a VEE (-15 V), con l'emettitore IGBT come comune.
La capacità di corrente di picco sorgente/dissipatore è fino a 20 A.
La frequenza massima di taglio PWM è 6 kHz.
I diodi di ingresso del fotoaccoppiatore di controllo del convertitore sono collegati in una configurazione antiparallela, consentendo il controllo degli IGBT sia superiori che inferiori da una singola linea di controllo differenziale a doppino intrecciato.
I resistori della serie gate e i condensatori gate-emettitore della scheda sono dimensionati specificatamente per i moduli IGBT.
2. Rilevamento e segnalazione dei guasti
Il DSFCG1A è in grado di rilevare due tipi di guasti: guasto di desaturazione e guasto di sottotensione. Questi guasti vengono segnalati attraverso un'unica linea di guasto differenziale 'multiplexata' che copre i circuiti IGBT superiore e inferiore.
Errore di desaturazione: quando al driver viene comandato di accendere l'IGBT, viene monitorata la caduta di tensione sull'emettitore-collettore dell'IGBT. Se questa tensione supera i 10 V per 4 microsecondi, viene attivato un guasto di desaturazione. In caso di guasto di desaturazione, la scheda BPIB attiva la scheda DSFC in modalità 'burst', utilizzando un segnale PWM da 2 MHz per portare lentamente la tensione di gate a zero entro 2-5 microsecondi.
Errore di sottotensione: viene monitorata la tensione tra l'alimentazione dell'azionamento positivo (+15 V) e l'alimentazione dell'azionamento negativo (-15 V). Se questa tensione scende al di sotto di 20 V, viene attivato un errore di sottotensione.
I segnali di guasto vengono collegati in OR logicamente, isolati otticamente e segnalati alla logica di controllo tramite un'interfaccia del driver differenziale. Nello stato normale (OK), il fotoaccoppiatore è ON (uscita bassa).
3. Shunt del feedback corrente
La corrente di fase in uscita viene monitorata rilevando la caduta di tensione attraverso lo shunt di fase. Questa tensione viene amplificata e alimentata a un circuito oscillatore controllato in tensione (VCO). La gamma di frequenza del VCO è compresa tra 0 e 2 MHz, con il circuito polarizzato per emettere 1 MHz a corrente zero. Una variazione di ±200 mV nella tensione shunt viene convertita in una variazione di ±800 kHz nella frequenza di uscita del VCO. L'uscita del VCO è otticamente isolata e trasmessa alla logica di controllo tramite un'interfaccia driver differenziale.
Il circuito di retroazione della corrente può generare due tipi di guasti:
Guasto DI/DT: una variazione di gradino pari o superiore al 100% nella corrente di shunt nominale causerà la segnalazione di un guasto DI/DT entro 25 microsecondi.
Guasto per sovracorrente istantanea (IOC): un guasto IOC viene segnalato quando la corrente supera una soglia impostata.
4. Alimentatori
Il lato ad alta tensione dei circuiti driver/monitor è alimentato da un trasformatore di isolamento. Il primario di questo trasformatore è collegato a un'onda quadra da ±17,7 V picco (35,4 V picco-picco), 25 kHz. Tra i tre avvolgimenti secondari:
Due secondari sono raddrizzati a semionda e filtrati per fornire +15 V (VCC) e -15 V (VEE) isolati richiesti dai circuiti di pilotaggio IGBT superiore e inferiore (non regolati, ±5%, 1 A massimo medio ciascuno).
Il terzo secondario è raddrizzato a onda intera e filtrato per fornire ±12 V isolati richiesti dal VCO di feedback della corrente shunt e dal circuito di rilevamento guasti (non regolato, ±10%, 100 mA massimo medio ciascuno).
Il circuito shunt richiede anche un'alimentazione logica da 5 V, generata da un regolatore lineare da 5 V collegato all'alimentazione da +12 V (±10%, 100 mA massimo medio). Viene regolata solo l'alimentazione a 5 V.
I carichi massimi sono i seguenti:
±17,7 V: 0,65 A efficace
+5 V: 150 mA
5. Indicatori di stato LED
La scheda DSFCG1A è dotata di cinque indicatori LED per la visualizzazione dello stato del collegamento CC e del driver IGBT:
| LED |
Nomenclatura |
Descrizione |
| DS1 |
COLLEGAMENTO SOPRA 50V |
LED rosso: acceso quando la tensione del circuito intermedio > 50 V; SPENTO quando < 50 V |
| DS2 |
UFF |
LED verde: acceso quando gli IGBT superiori sono spenti; SPENTO quando acceso |
| DS3 |
LFF |
LED verde: acceso quando gli IGBT inferiori sono spenti; SPENTO quando acceso |
| DS4 |
UON |
LED giallo: acceso quando gli IGBT superiori sono accesi; OFF quando guidato OFF |
| DS5 |
LONDRA |
LED giallo: acceso quando gli IGBT inferiori sono accesi; OFF quando guidato OFF |
III. Applicazioni di sistema
1. Applicazione nei sistemi di azionamento
IS200DSFCG1A è un componente essenziale nei sistemi di azionamento PWM GE Innovation Series™. I suoi ruoli all'interno del sistema includono:
Gate Driving: fornisce segnali di comando di accensione e spegnimento affidabili ai moduli IGBT, garantendo il corretto funzionamento degli interruttori di alimentazione.
Feedback di corrente: misura con precisione la corrente di fase tramite uno shunt e converte il segnale di corrente in un segnale di frequenza per il controllo ad anello chiuso da parte del sistema di controllo.
Protezione dai guasti: monitora continuamente lo stato operativo dell'IGBT, segnalando rapidamente guasti come desaturazione, sottotensione o sovracorrente per proteggere i dispositivi di alimentazione e il carico.
2. Configurazione del sistema
Sistema da 1000 A: utilizza 1 scheda DSFCG1A per fase, 3 schede in totale per tre fasi. Ciascuna scheda si collega alla scheda BPIB tramite il connettore PPL1.
Sistema da 1800 A: utilizza 2 schede DSFCG1A per fase, collegate in catena a margherita. La scheda master si collega a BPIB tramite PPL1; la scheda slave si collega al PPL1 del master tramite il suo connettore PPL2 per il passaggio del segnale.
3. Scenari applicativi tipici
Azionamenti a frequenza variabile CA industriale
Invertitori di potenza PWM
Centri di controllo motorio
Controllo dell'eccitazione per sistemi di generazione di energia
Sistemi di trazione ferroviaria
Sistemi di propulsione elettrica marina
IV. Istruzioni di installazione e cablaggio
1. Posizione di montaggio
La scheda DSFCG1A si monta direttamente sui moduli IGBT. Durante l'installazione, assicurarsi che gli occhielli sulla scheda siano allineati correttamente con il cancello, l'emettitore e i perni/perni del collettore dei moduli IGBT. Fissare la scheda utilizzando l'hardware fornito per garantire collegamenti elettrici affidabili.
2. Passaggi di installazione
Assicurarsi che il sistema di azionamento sia spento e attendere un tempo sufficiente (alcuni minuti) affinché i condensatori si scarichino.
Aprire lo sportello dell'armadio del convertitore e individuare la scheda DSFC da installare o sostituire.
Allineare la scheda DSFC sui perni di montaggio dell'IGBT, assicurandosi che tutti gli occhielli si adattino correttamente.
Fissare la scheda utilizzando i 10 dadi, serrandoli a 70 pollici-libbre.
Ricollegare tutti i cavi in base alle rispettive etichette, assicurandosi che i connettori siano completamente inseriti.
3. Descrizione del cablaggio
Terminali collegati: utilizzati per collegare il collegamento CC e le linee di rilevamento della tensione di fase in uscita.
E1: Linea di rilevamento della tensione di fase in uscita (MVFB)
E17: Collegamento CC positivo (DCLP)
E18: Negativo collegamento CC (DCLN)
Occhielli di montaggio IGBT: utilizzati per i collegamenti al gate, all'emettitore e al collettore IGBT.
UC: Collegamento collettore superiore (collegamento CC positivo)
UGA/UEA: Gate/emettitore del dispositivo A superiore
UGB/UEB: Gate/emettitore del dispositivo B superiore
LGA/LEA: Gate/emettitore del dispositivo inferiore
LGB/LEB: Gate/emettitore del dispositivo B inferiore
LE: collegamento emettitore inferiore (collegamento CC negativo)
Connettori a spina:
PPL1: si collega alla scheda BPIB, trasporta segnali di azionamento, segnali di guasto, segnali VCO e alimentazione.
PPL2: si collega alla scheda DSFC successiva in un collegamento a margherita (utilizzato solo nei sistemi da 1800 A).
SHPL: si collega allo shunt di corrente, ingresso per il segnale di tensione shunt.
THPL/THPL1/THPL2: connessioni per rilevatori termici a resistenza (RTD) o connessioni pass-through per il collegamento a margherita.
DPPL1/DPPL2: riceve alimentazione a onda quadra di picco da 18,4 V CA da BPIB o funge da pass-through di alimentazione per il collegamento a margherita.
V. Diagnostica e Manutenzione
1. Indicazione dello stato
Lo stato del sistema può essere valutato rapidamente tramite i cinque LED integrati:
DS1 (rosso): indicatore di tensione del collegamento CC. Dovrebbe essere acceso durante il normale funzionamento quando la tensione del bus supera i 50 V.
DS2/DS3 (verde): indicatori di stato IGBT disattivato superiore/inferiore. ON quando gli IGBT sono spenti, OFF quando sono accesi.
DS4/DS5 (giallo): indicatori di stato ON IGBT superiore/inferiore. ON quando gli IGBT sono accesi, OFF quando sono spenti.
Durante il normale funzionamento PWM, DS2 e DS3 potrebbero essere costantemente accesi o alternati con DS4/DS5 a seconda dello stato, mentre DS4 e DS5 dovrebbero lampeggiare in corrispondenza degli impulsi PWM.
2. Diagnosi dei guasti
Il DSFCG1A fornisce un rilevamento completo dei guasti, leggibile tramite la scheda BPIB:
Errore di desaturazione: in genere indica una sovracorrente o un cortocircuito dell'IGBT. Controllare il carico e i moduli IGBT.
Guasto di sottotensione: indica una tensione di alimentazione del convertitore insufficiente. Controllare il circuito di alimentazione.
Guasto DI/DT: indica una velocità eccessiva di variazione di corrente, probabilmente dovuta a transitori di carico o anomalie di controllo.
Guasto IOC: indica una sovracorrente istantanea. Controllare il carico e il circuito di feedback della corrente.
3. Precauzioni per la manutenzione
Attenersi alle precauzioni ESD (scariche elettrostatiche) quando si maneggia la scheda. Indossare una cinghia di messa a terra e conservare le schede in borse antistatiche.
Non collegare o scollegare i cavi mentre è collegata l'alimentazione, per evitare danni alla scheda o rischi per la sicurezza.
Ispezionare periodicamente i connettori per verificare che non siano allentati e verificare il normale funzionamento del LED.
Quando si sostituisce una scheda, assicurarsi che la nuova scheda abbia il numero di modello corretto (IS200DSFCG1A) e prestare attenzione all'orientamento di montaggio e alle specifiche di coppia.
