De IS200DSFCG1A is een 1000/1800 Amp IGBT Gate Driver/Shunt Feedback Board, ontworpen door General Electric (GE) voor zijn Innovation Series™-productlijn. Dit bord is een cruciaal onderdeel binnen de DSFC-serie en wordt voornamelijk gebruikt in pulsbreedtegemoduleerde (PWM) bronbruggen en AC-aandrijfsystemen. De DSFCG1A integreert een stroomdetectiecircuit, een foutdetectiecircuit en twee IGBT-poortaandrijfcircuits. Zowel de driver- als de feedbackcircuits maken gebruik van galvanische en optische isolatietechnologieën om een veilige isolatie tussen hoogspannings- en laagspanningszijden te garanderen.
Dit bord is speciaal ontworpen voor aandrijf-/brontoepassingen met 600 V LL rms AC-ingang en ondersteunt aandrijfsystemen die geschikt zijn voor stroomniveaus van zowel 1000 Amp als 1800 Amp. In een 1000 A-systeem is per fase één DSFC-kaart vereist, dus in totaal drie kaarten. In een 1800 A-systeem zijn per fase twee DSFC-kaarten nodig die in een 'daisy chain'-configuratie zijn aangesloten, wat in totaal zes kaarten oplevert. De DSFCG1A communiceert met het aandrijfbesturingssysteem via de IS200BPIB Drive Bridge Personality Interface Board (BPIB).
Het DSFCG1A-bord wordt rechtstreeks op de bovenste en onderste IGBT-modules van elke fasepoot gemonteerd om ervoor te zorgen dat de uitgangs- en shuntingangsverbindingen van de poortaandrijving zo kort mogelijk zijn, waardoor parasitaire inductie en signaalinterferentie worden geminimaliseerd. Het bord is via poort-, emitter- en collectorverbindingen aan de IGBT's bevestigd. De juiste richting van de montagegaten van het bord tijdens de installatie is essentieel.
II. Belangrijkste functies
De primaire functies van de IS200DSFCG1A omvatten, maar zijn niet beperkt tot, het volgende:
1. Uitgangsfase-poortaandrijving
Biedt twee geïsoleerde IGBT-poortaandrijfcircuits: één die de bovenste IGBT(s) van een fasebeen bestuurt, de andere die de onderste IGBT(s) bestuurt.
Elk aandrijfcircuit kan twee parallel geschakelde IGBT-modules aansturen.
Het aandrijfspanningsbereik is VCC (+15 V) tot VEE (-15 V), waarbij de IGBT-emitter gebruikelijk is.
De piekbron-/afvoerstroomcapaciteit bedraagt maximaal 20 Ampère.
De maximale PWM-chopping-frequentie is 6 kHz.
De ingangsdiodes van de optocoupler voor de aandrijving zijn in een anti-parallelle configuratie geschakeld, waardoor besturing van zowel de bovenste als de onderste IGBT's vanaf één enkele differentiële twisted-pair-besturingslijn mogelijk is.
De poortserieweerstanden en poort-emittercondensatoren van het bord zijn specifiek gedimensioneerd voor de IGBT-modules.
2. Foutdetectie en rapportage
De DSFCG1A kan twee soorten fouten detecteren: desaturatiefout en onderspanningsfout. Deze fouten worden gerapporteerd via een enkele 'multiplexed' differentiële breuklijn die zowel de bovenste als de onderste IGBT-circuits bestrijkt.
Desaturatiefout: Wanneer de driver de opdracht krijgt om de IGBT AAN te zetten, wordt de spanningsval over de emitter-collector van de IGBT bewaakt. Als deze spanning gedurende 4 microseconden de 10 V overschrijdt, wordt een desaturatiefout geactiveerd. Bij een desaturatiefout bedient het BPIB-bord het DSFC-bord in een 'burst'-modus, waarbij gebruik wordt gemaakt van een 2 MHz PWM-signaal om de poortspanning binnen 2 tot 5 microseconden langzaam naar nul te brengen.
Onderspanningsfout: De spanning tussen de positieve voeding van de aandrijving (+15 V) en de negatieve voeding van de aandrijving (-15 V) wordt bewaakt. Als deze spanning onder de 20 V daalt, wordt er een onderspanningsfout geactiveerd.
Foutsignalen worden logisch ge-ORed, optisch geïsoleerd en via een differentiële driverinterface aan de besturingslogica gerapporteerd. In de normale (OK) toestand is de optocoupler AAN (uitgang laag).
3. Shuntstroomfeedback
De uitgangsfasestroom wordt bewaakt door de spanningsval over de faseshunt te meten. Deze spanning wordt versterkt en naar een Voltage Controlled Oscillator (VCO) circuit gevoerd. Het VCO-frequentiebereik is 0 tot 2 MHz, waarbij het circuit voorgespannen is om 1 MHz bij nulstroom uit te voeren. Een verandering van ±200 mV in de shuntspanning wordt omgezet in een verandering van ±800 kHz in de VCO-uitgangsfrequentie. De VCO-uitgang is optisch geïsoleerd en via een differentiële driverinterface naar de besturingslogica verzonden.
Het stroomfeedbackcircuit kan twee soorten fouten genereren:
DI/DT-fout: Een stapverandering van 100% of meer in de nominale shuntstroom zorgt ervoor dat er binnen 25 microseconden een DI/DT-fout wordt gerapporteerd.
Instantaneous Overcurrent (IOC) Fault: Een IOC-fout wordt gerapporteerd wanneer de stroom een ingestelde drempel overschrijdt.
4. Voedingen
De hoogspanningszijde van de driver-/monitorcircuits wordt gevoed door een scheidingstransformator. De primaire fase van deze transformator is aangesloten op een ±17,7 V piek (35,4 V piek-tot-piek), 25 kHz blokgolf. Onder de drie secundaire wikkelingen:
Twee secundaire delen zijn halfgolf gelijkgericht en gefilterd om geïsoleerde +15 V (VCC) en -15 V (VEE) te leveren die nodig zijn voor de bovenste en onderste IGBT-stuurcircuits (niet-gereguleerd, ±5%, gemiddeld 1 A elk).
De derde secundaire is dubbelzijdig gelijkgericht en gefilterd om geïsoleerde ±12 V te leveren die nodig is voor de shuntstroomfeedback VCO en foutdetectiecircuits (niet-gereguleerd, ±10%, 100 mA gemiddeld maximum elk).
Het shuntcircuit vereist ook een logische voeding van 5 V, gegenereerd door een lineaire regelaar van 5 V aangesloten op de +12 V-voeding (±10%, 100 mA gemiddeld maximum). Alleen de 5 V-voeding wordt geregeld.
Maximale belastingen zijn als volgt:
±17,7 V: 0,65 A RMS
+5 V: 150 mA
5. LED-statusindicatoren
De DSFCG1A-kaart is voorzien van vijf LED-indicatoren voor het weergeven van de DC-link- en IGBT-driverstatus:
| LED- |
nomenclatuur |
Beschrijving |
| DS1 |
LINK BOVEN 50V |
Rode LED: AAN wanneer DC-tussenkringspanning > 50 V; UIT wanneer < 50 V |
| DS2 |
UFF |
Groene LED: AAN wanneer bovenste IGBT's UIT worden gestuurd; UIT wanneer AAN gereden |
| DS3 |
LFF |
Groene LED: AAN wanneer lagere IGBT's UIT worden gestuurd; UIT wanneer AAN gereden |
| DS4 |
UON |
Gele LED: AAN wanneer bovenste IGBT's AAN worden gezet; UIT wanneer UIT gereden |
| DS5 |
LON |
Gele LED: AAN wanneer lagere IGBT's AAN worden gezet; UIT wanneer UIT gereden |
III. Systeemtoepassingen
1. Toepassing in aandrijfsystemen
De IS200DSFCG1A is een essentieel onderdeel van GE Innovation Series™ PWM-aandrijfsystemen. De rollen binnen het systeem omvatten:
Gate Driving: Biedt betrouwbare in- en uitschakelsignalen aan IGBT-modules, waardoor een goede werking van de stroomschakelaars wordt gegarandeerd.
Stroomfeedback: meet nauwkeurig de fasestroom via een shunt en zet het stroomsignaal om in een frequentiesignaal voor regeling met gesloten lus door het besturingssysteem.
Foutbescherming: bewaakt voortdurend de IGBT-bedrijfsstatus en rapporteert snel fouten zoals desaturatie, onderspanning of overstroom om voedingsapparaten en de belasting te beschermen.
2. Systeemconfiguratie
1000 A-systeem: gebruikt 1 DSFCG1A-kaart per fase, 3 kaarten in totaal voor drie fasen. Elke kaart wordt via de PPL1-connector op de BPIB-kaart aangesloten.
1800 A-systeem: gebruikt 2 DSFCG1A-kaarten per fase, aangesloten in een serieschakeling. Het masterboard maakt via PPL1 verbinding met BPIB; het slavebord wordt via de PPL2-connector op de PPL1 van de master aangesloten voor signaaldoorvoer.
3. Typische toepassingsscenario's
Industriële AC-frequentieregelaars
PWM-stroomomvormers
Motorcontrolecentra
Excitatiecontrole voor energieopwekkingssystemen
Spoorwegtractiesystemen
Elektrische maritieme voortstuwingssystemen
IV. Installatie- en bedradingsinstructies
1. Montagelocatie
Het DFCCG1A-bord wordt rechtstreeks op de IGBT-modules gemonteerd. Zorg er tijdens de installatie voor dat de oogjes op de kaart correct zijn uitgelijnd met de poort-, emitter- en collectorpennen/noppen van de IGBT-modules. Zet de kaart vast met behulp van de meegeleverde hardware om betrouwbare elektrische verbindingen te garanderen.
2. Installatiestappen
Zorg ervoor dat het aandrijfsysteem is uitgeschakeld en zorg ervoor dat de condensatoren voldoende tijd (enkele minuten) hebben om te ontladen.
Open de deur van de drivekast en zoek de DSFC-kaart die moet worden geïnstalleerd of vervangen.
Lijn de DSFC-plaat uit over de IGBT-montagebouten en zorg ervoor dat alle oogjes goed passen.
Zet het bord vast met behulp van de 10 moeren en draai ze aan tot 70 in-lbs.
Sluit alle kabels opnieuw aan volgens hun labels en zorg ervoor dat de connectoren goed op hun plaats zitten.
3. Beschrijving van de bedrading
Steekklemmen: worden gebruikt voor het aansluiten van DC-tussenkring- en uitgangsfasespanningsdetectielijnen.
E1: Uitgangsfase spanningsdetectielijn (MVFB)
E17: DC-link positief (DCLP)
E18: DC-link negatief (DCLN)
IGBT-montageogen: gebruikt voor verbindingen met IGBT-poort, emitter en collector.
UC: Bovenste collectorverbinding (DC-tussenkring positief)
UGA/UEA: Bovenste A-apparaatpoort/-zender
UGB/UEB: Poort/zender van bovenste B-apparaat
LGA/LEA: Laat een apparaatpoort/-zender zakken
LGB/LEB: Poort/zender van onderste B-apparaat
LE: Onderste emitterverbinding (DC-tussenkring negatief)
Stekkerconnectoren:
PPL1: Wordt aangesloten op de BPIB-kaart en draagt aandrijfsignalen, foutsignalen, VCO-signalen en stroom over.
PPL2: Wordt aangesloten op de volgende DSFC-kaart in een serieschakeling (alleen gebruikt in 1800 A-systemen).
SHPL: Aansluiting op de stroomshunt, ingang voor shuntspanningssignaal.
THPL/THPL1/THPL2: Aansluitingen voor thermische weerstandsdetectoren (RTD) of doorvoerverbindingen voor doorlussen.
DPPL1/DPPL2: Ontvangt 18,4 V AC piekblokgolfvermogen van BPIB, of fungeert als stroomdoorvoer voor serieschakeling.
V. Diagnose en onderhoud
1. Statusindicatie
De systeemstatus kan snel worden beoordeeld via de vijf ingebouwde LED's:
DS1 (Rood): DC-link-spanningsindicator. Moet tijdens normaal bedrijf AAN zijn als de busspanning hoger is dan 50 V.
DS2/DS3 (groen): Bovenste/onderste IGBT UIT-statusindicatoren. AAN als IGBT's UIT worden gestuurd, UIT als IGBT's AAN worden gezet.
DS4/DS5 (Geel): Bovenste/onderste IGBT AAN-statusindicatoren. AAN wanneer IGBT's AAN worden gezet, UIT wanneer UITgeschakeld.
Tijdens normale PWM-werking kunnen DS2 en DS3 constant AAN zijn of afwisselend met DS4/DS5, afhankelijk van de status, terwijl DS4 en DS5 moeten knipperen in overeenstemming met de PWM-pulsen.
2. Foutdiagnose
De DSFCG1A biedt uitgebreide foutdetectie, uitleesbaar via het BPIB-bord:
Desaturatiefout: duidt doorgaans op IGBT-overstroom of kortsluiting. Controleer de belasting- en IGBT-modules.
Onderspanningsfout: Geeft aan dat de voedingsspanning van de drive onvoldoende is. Controleer het voedingscircuit.
DI/DT-fout: Geeft een excessieve snelheid van stroomverandering aan, mogelijk als gevolg van belastingstransiënten of besturingsafwijkingen.
IOC-fout: Geeft onmiddellijke overstroom aan. Controleer het belasting- en stroomfeedbackcircuit.
3. Onderhoudsmaatregelen
Houd u aan de ESD-voorzorgsmaatregelen (elektrostatische ontlading) bij het hanteren van het bord. Draag een aardingsband en bewaar borden in antistatische zakken.
Sluit geen kabels aan of koppel ze niet los terwijl er stroom op staat, om schade aan de kaart of veiligheidsrisico's te voorkomen.
Inspecteer de connectoren regelmatig op losheid en controleer of de LED normaal werkt.
Zorg er bij het vervangen van een kaart voor dat de nieuwe kaart het juiste modelnummer (IS200DSFCG1A) heeft en let op de montagerichting en aandraaimomentspecificaties.
