De IS200BPIAG1A IGBT Drive Bridge Personality Interface Board is een kritische interfacecomponent ontworpen door GE Industrial Control Systems voor op IGBT gebaseerde driefasige AC-aandrijfsystemen. De IS200BPIAG1A biedt een complete en betrouwbare signaalinterface tussen de besturingselektronica en de vermogenselektronica en dient als kernbrug die krachtige besturing en veilige werking van het aandrijfsysteem mogelijk maakt. De IS200BPIAG1A wordt gemonteerd in een standaard VME-kaartenrek en communiceert met de backplane van het besturingssysteem via de P1-connector. Het is rechtstreeks verbonden met de IGBT-voedingsapparaten van fasen A, B en C via zes fasespecifieke plug-connectoren.
De IS200BPIAG1A integreert zes onafhankelijk geïsoleerde IGBT-poortstuurcircuits, drie geïsoleerde shunt-spanningsgestuurde oscillator (VCO) stroomfeedbackcircuits en geïsoleerde VCO-feedbackcircuits voor het bewaken van de DC-tussenkringspanning en de VAB- en VBC-uitgangsspanningen. Bovendien beschikt het IS200BPIAG1A-bord over ingebouwde faseoverstroom- en IGBT-desaturatiefoutbeveiliging op hardwareniveau, waardoor een uitgebreid, lokaal beveiligingssysteem voor de IGBT-stroombrug wordt geboden. Al deze functies zijn geïntegreerd op een enkel standaard VME-vormfactorbord, wat GE's sterk geïntegreerde en modulaire ontwerpfilosofie voor vermogenselektronica-interfaces demonstreert.
Ontwerp van voedingssysteem
Het voedingssysteem van de IS200BPIAG1A maakt gebruik van een sterk geïsoleerd ontwerpschema om de elektrische veiligheid tussen de fasen en tussen de hoogspannings- en laagspanningszijde te garanderen. Het geïsoleerde vermogen voor het bord wordt afgeleid van de secundaire wikkelingen van drie transformatoren, één voor elke fase. Een blokgolfsignaal van 17,7 V AC, geleverd via de P1-connector, voedt de primaire transformatoren. Voor elke transformator:
Gate Drive-voedingen : Twee van de drie secundaire wikkelingen zijn halfgolfgelijkgericht en gefilterd om de geïsoleerde +15 V (VCC) en -7,5 V (VEE) voedingen te produceren die nodig zijn voor de bovenste en onderste IGBT-poortdrivercircuits. Deze bieden de noodzakelijke positieve en negatieve voorspanningen om een betrouwbare in- en uitschakeling van de IGBT's te garanderen.
Signaalverwerkingsvoeding : De derde secundaire wikkeling wordt dubbelzijdig gelijkgericht en gefilterd om de geïsoleerde ±12 V te leveren die nodig is voor de shuntstroomfeedbackcircuits, fasespanningsfeedback VCO-circuits en foutdetectiecircuits. Bovendien genereert een lineaire regelaar van 5 V op de +12 V-voeding een lichte logische 5 V-voeding.
Besturingslogicavoeding : De +5 V-referentievoeding die nodig is voor de systeembesturingslogica wordt rechtstreeks aan de IS200BPIAG1A-kaart geleverd via de P1-connector.
De totale stroomvereisten voor de IS200BPIAG1A zijn duidelijk gedefinieerd: maximaal 1,5 W uit de +5 V DC-voeding en uit de 17,7 V AC-voeding, maximaal 5 W zonder poortdriverversterkerbelasting en maximaal 18 W met poortdriverversterkerbelasting.
IGBT-poortaandrijfcircuits
De IS200BPIAG1A is geconfigureerd met twee volledig onafhankelijke en geïsoleerde IGBT-poortaandrijfcircuits voor elke fasepoot: één bestuurt de bovenste IGBT en de andere bestuurt de onderste IGBT. Dit betekent in totaal zes stuurcircuits voor de drie fasen. Elk circuit bestaat uit een optisch geïsoleerde hybride poortaandrijfmodule en een klein aantal discrete componenten.
Aandrijfkarakteristieken en beveiligingsfuncties : De poortaandrijfmodule drijft de IGBT-poort aan tussen VCC (+15 V) en VEE (-7,5 V), waardoor voldoende positieve voorspanning wordt geboden om ervoor te zorgen dat de IGBT volledig verzadigd is tijdens geleiding en voldoende negatieve voorspanning om betrouwbare uitschakeling en weerstand tegen parasitaire inschakeling te garanderen. De stuuringangen van de bovenste en onderste modules zijn in een anti-parallelle configuratie verbonden om gelijktijdige geleiding te voorkomen, wat een doorschietkortsluiting in het fasebeen zou veroorzaken. De module heeft een peak sink/source-stroomcapaciteit van 5,0 A, met een typische in-/uitschakelvertraging van slechts 1,5 microseconden.
Foutdetectiemechanisme : elk poortaandrijfcircuit kan twee soorten fouten genereren:
Desaturatiefout : Wanneer de module de opdracht krijgt om de IGBT AAN te zetten, bewaakt deze de spanningsval tussen de collector en de emitter van de IGBT. Als deze spanning een typische drempel van ongeveer 10 V overschrijdt gedurende een periode langer dan 4,2 microseconden (maximaal 6,6 microseconden), geeft dit aan dat de IGBT uit de verzadiging is gekomen en het lineaire werkingsgebied is binnengegaan, wat snel kan leiden tot oververhitting en schade aan het apparaat. De module schakelt de IGBT onmiddellijk UIT en meldt een desaturatiefout.
Onderspanningsfout (UV) : De module bewaakt ook de spanning tussen VCC en VEE. Als deze spanning onder de 18 V daalt, is de poortaandrijfspanning onvoldoende om de IGBT betrouwbaar aan te sturen en zal er een onderspanningsfout optreden. Deze twee foutsignalen worden samen met een OF-bewerking uitgevoerd en optisch teruggekoppeld naar het logische besturingscircuit.
Shuntstroomfeedbacksysteem
De IS200BPIAG1A bereikt een nauwkeurige meting van de uitgangsfasestromen door de spanningsval over een shuntweerstand in elk van de fasen A, B en C te detecteren. Het stroomfeedbackkanaal voor elke fase is volledig onafhankelijk en geïsoleerd.
VCO-signaalconversie : het spanningssignaal over de shunt wordt eerst geconditioneerd door een versterker en vervolgens doorgegeven aan een VCO-circuit, dat het omzet in een frequentiesignaal. Het uitgangsfrequentiebereik van de VCO is 0–2 MHz, en het werkpunt is zodanig ingesteld dat bij nulstroom de nominale uitvoer 1 MHz bedraagt. Het volledige shuntspanningsbereik bedraagt ±200 mV, wat overeenkomt met een uitgangsfrequentieverandering van ±800 kHz. Dit maakt zeer nauwkeurige, real-time fasestroommetingen mogelijk die eenvoudig door het besturingssysteem kunnen worden gereconstrueerd door middel van eenvoudige frequentietelling.
Foutbeveiligingsfuncties : Het stroomfeedbackcircuit kan ook twee soorten fouten detecteren:
DI/DT-fout : Wanneer de shuntstroom een stapsgewijze verandering ondergaat van 100% of meer van de nominale waarde, kan het stroomfeedbackcircuit deze fout binnen 25 microseconden detecteren en rapporteren, waardoor systeemstoringen door overmatige stroomveranderingen worden voorkomen.
Overstroom (OC) fout : De overstroomdrempel is ingesteld op 250% van de nominale shuntstroom. Als wordt gedetecteerd dat de stroom deze drempel overschrijdt, wordt onmiddellijk een overstroomfoutsignaal geactiveerd. Deze twee huidige foutsignalen worden ook samen ge-OR-ed en via optische isolatie naar de logische besturingszijde verzonden.
Fase-naar-fase- en DC-link-spanningsfeedback
VAB en VBC Fase-naar-fase spanningsfeedback : De IS200BPIAG1A meet op ingenieuze wijze de fase-naar-fase uitgangsspanningen VAB en VBC via twee kanalen afgeleid van de shuntaansluitpunten. Het VAB-circuit is gebaseerd op het fase B-shunt-VCO-circuit en is verbonden met fase A via een resistief verzwakkingsnetwerk. Het VCB-circuit is gebaseerd op het fase C-shunt-VCO-circuit en is verbonden met fase B via een resistief verzwakkingsnetwerk. Het uitgangsfrequentiebereik van elke VCO is 0–2 MHz, met een nominaal uitgangsvermogen van 976,8 kHz bij fase-naar-fase nulspanning. Een fase-naar-fase-spanning van ±1,0 V komt overeen met een uitgangsfrequentieverandering van ±959,58 Hz. Alle VCO-uitgangen zijn via optische isolatie verbonden met de besturingslogica.
DC-linkspanningsfeedback : Een derde VCO-spanningsfeedbackcircuit is bedoeld voor het bewaken van de DC-tussenkringspanning. Dit circuit verwijst naar het fase A onderste poortaandrijfcircuit, met een resistieve verzwakkingsverbinding met de fase A bovenste IGBT-collectoraansluiting. Het VCO-uitgangsbereik is eveneens 0–2 MHz. De ingang is zo geschaald dat een tussenkringspanning van 0 tot 1198 V DC overeenkomt met een uitgangsfrequentie van 0 tot 2 MHz.
Foutcontrole en poortdriver-uitschakelmechanisme
De foutsignalen van de IS200BPIAG1A zijn van voorbijgaande aard en blijven slechts geldig gedurende de duur van de foutconditie. Daarom moet het besturingssysteem een foutafhandelingscircuit via de P1-connector gebruiken om deze signalen te vergrendelen.
Wanneer er een fout wordt gedetecteerd, neemt de IS200BPIAG1A beslissende beschermende maatregelen door de stuurstroom van alle zes IGBT-poortdrivermodules te verwijderen. Er zijn speciale hogesnelheids- en fail-safe uitschakellijnen in de P1-connector voorzien om deze functie te implementeren:
Hogesnelheidsstuurprogramma uitgeschakeld : tijdens normaal bedrijf moet de DRVPC-lijn logisch laag zijn en moet +5 V worden toegepast op de DRVP5-lijn. Wanneer er een fout wordt gedetecteerd, wordt door het hoog zetten van de DRVPC-lijn een snelle uitschakeling van de poortdriver geïnitieerd, waardoor de beschermingsresponstijd wordt geminimaliseerd.
Fail-Safe driver uitschakelen : Het verwijderen van de +5 V-voeding van de DRVP5-lijn via een set externe contacten biedt een fail-safe methode om de IGBT-drivermodules uit te schakelen. Zelfs als het snelle uitschakelkanaal uitvalt, zorgt deze op contact gebaseerde methode ervoor dat de IGBT's betrouwbaar worden uitgeschakeld.
Kaartidentificatie en interfaceverbindingen
De IS200BPIAG1A beschikt over een 1024-bits ingebouwd serieel geheugenapparaat dat is geprogrammeerd met kaartidentificatie en revisie-informatie, ter ondersteuning van een automatische plug-and-play kaartidentificatiemogelijkheid voor het besturingssysteem.
De P1 Bridge Control Connector maakt gebruik van een standaard VME-connector. Een groot aantal pinnen in rijen A en D wordt gebruikt voor spanningsvrijheid om een veilige isolatieafstand tussen hoog- en laagspanningssignalen te garanderen. Rijen B en C bevatten alle kernbesturingssignalen: 17,7 V wisselstroomingang, bruginschakelsignalen, vermogensregeling van de driver, foutreset, desaturatie/UV en shuntfoutstatus voor alle drie de fasen, commandosignalen van de poortaandrijving, VCO-frequentie-uitgangssignalen, een seriële kaart-ID-lijn en de geschakelde +5 V-uitgang van de driver.
De zesfasige connectoren worden rechtstreeks aangesloten op de driefasige IGBT-voedingsapparaten en zijn onderverdeeld in: APL, BPL en CPL (die de poortaandrijflijnen en shuntdetectiepunten voor elke fase dragen), en AAPL, BAPL en CAPL (die de geïsoleerde stroom leveren voor de bovenste en onderste stuurcircuits van elke fase).
