Karta interfejsu osobistego mostka napędowego IS200BPIAG1A IGBT to krytyczny element interfejsu zaprojektowany przez firmę GE Industrial Control Systems dla trójfazowych systemów napędowych prądu przemiennego opartych na IGBT. IS200BPIAG1A zapewnia kompletny i niezawodny interfejs sygnałowy pomiędzy elektroniką sterującą a elektroniką mocy, służąc jako mostek główny, który umożliwia wysoką wydajność sterowania i bezpieczną pracę układu napędowego. IS200BPIAG1A jest montowany w standardowej szafie typu VME i łączy się z płytą montażową systemu sterowania poprzez złącze P1. Jest bezpośrednio podłączony do urządzeń mocy IGBT faz A, B i C poprzez sześć złączy wtykowych przeznaczonych dla poszczególnych faz.
IS200BPIAG1A integruje sześć niezależnie izolowanych obwodów sterownika bramki IGBT, trzy izolowane obwody prądowego sprzężenia zwrotnego oscylatora sterowanego napięciem bocznikowym (VCO) oraz izolowane obwody sprzężenia zwrotnego VCO do monitorowania napięcia łącza DC oraz napięć wyjściowych VAB i VBC. Dodatkowo płytka IS200BPIAG1A posiada wbudowaną na poziomie sprzętowym ochronę nadprądową fazową i zabezpieczenie przed awarią desaturacji IGBT, zapewniając kompleksowy, zlokalizowany system ochrony mostka mocy IGBT. Wszystkie te funkcje są zintegrowane na jednej standardowej płycie VME, co demonstruje wysoce zintegrowaną i modułową filozofię projektowania GE w zakresie interfejsów energoelektroniki.
Projekt systemu zasilania
System zasilania IS200BPIAG1A wykorzystuje wysoce izolowany schemat konstrukcyjny, aby zapewnić bezpieczeństwo elektryczne pomiędzy fazami oraz pomiędzy stronami wysokiego i niskiego napięcia. Izolowana moc płytki pochodzi z uzwojeń wtórnych trzech transformatorów, po jednym dedykowanym dla każdej fazy. Sygnał prostokątny 17,7 V AC dostarczany przez złącze P1 zasila uzwojenia pierwotne transformatora. Dla każdego transformatora:
Zasilacze napędu bramki : Dwa z trzech uzwojeń wtórnych są prostowane półfalowo i filtrowane w celu wytworzenia izolowanego zasilania +15 V (VCC) i -7,5 V (VEE) wymaganego przez górny i dolny obwód sterownika bramki IGBT. Zapewniają one niezbędne dodatnie i ujemne napięcia polaryzacji, aby zapewnić niezawodne włączanie i wyłączanie tranzystorów IGBT.
Zasilanie przetwarzające sygnał : Trzecie uzwojenie wtórne jest prostowane pełnookresowo i filtrowane w celu zapewnienia izolowanego napięcia ±12 V wymaganego przez obwody sprzężenia zwrotnego prądu bocznikowego, obwody VCO ze sprzężeniem zwrotnym napięcia fazowego i obwody wykrywania usterek. Dodatkowo regulator liniowy 5 V na zasilaniu +12 V generuje lekkie zasilanie logiczne 5 V.
Zasilanie logiki sterującej : Zasilanie odniesienia +5 V wymagane dla logiki sterującej systemu jest dostarczane bezpośrednio do płytki IS200BPIAG1A poprzez złącze P1.
Ogólne wymagania dotyczące mocy dla IS200BPIAG1A są jasno określone: maksymalnie 1,5 W z zasilania +5 V DC i 17,7 V AC, maksymalnie 5 W bez obciążenia wzmacniacza sterownika bramki i maksymalnie 18 W z obciążeniem wzmacniacza sterownika bramki.
Obwody napędu bramki IGBT
IS200BPIAG1A jest skonfigurowany z dwoma w pełni niezależnymi i izolowanymi obwodami sterującymi bramką IGBT dla każdej gałęzi fazowej: jeden steruje górnym IGBT, a drugi steruje dolnym IGBT. Daje to w sumie sześć obwodów sterujących dla trzech faz. Każdy obwód składa się z izolowanego optycznie hybrydowego modułu sterującego bramką i niewielkiej liczby dyskretnych elementów.
Charakterystyka napędu i funkcje zabezpieczające : Moduł napędowy bramki steruje bramką IGBT pomiędzy VCC (+15 V) a VEE (-7,5 V), zapewniając wystarczające dodatnie odchylenie, aby zapewnić pełne nasycenie IGBT podczas przewodzenia i wystarczające ujemne odchylenie, aby zapewnić niezawodne wyłączenie i odporność na pasożytnicze włączenie. Wejścia sterujące modułu górnego i dolnego są połączone w konfiguracji antyrównoległej, aby zapobiec jednoczesnemu przewodzeniu, które mogłoby spowodować zwarcie przelotowe w odnodze fazowej. Moduł charakteryzuje się szczytową wydajnością prądu pobieranego/źródłowego wynoszącą 5,0 A, przy typowym opóźnieniu włączenia/wyłączenia wynoszącym zaledwie 1,5 mikrosekundy.
Mechanizm wykrywania usterek : Każdy obwód napędu bramki może generować dwa rodzaje usterek:
Błąd desaturacji : Kiedy moduł otrzymuje polecenie włączenia IGBT, monitoruje spadek napięcia pomiędzy kolektorem i emiterem IGBT. Jeśli napięcie to przekracza typowy próg około 10 V przez okres dłuższy niż 4,2 mikrosekundy (maksymalnie 6,6 mikrosekundy), oznacza to, że IGBT wyszedł ze stanu nasycenia i wszedł w liniowy obszar pracy, co może szybko doprowadzić do przegrzania i uszkodzenia urządzenia. Moduł natychmiast wyłączy IGBT i ogłosi błąd desaturacji.
Błąd zbyt niskiego napięcia (UV) : Moduł monitoruje również napięcie pomiędzy VCC i VEE. Jeśli napięcie to spadnie poniżej 18 V, napięcie sterujące bramką będzie niewystarczające do niezawodnego sterowania IGBT i wystąpi błąd zbyt niskiego napięcia. Te dwa sygnały błędu są łączone w OR i optycznie sprzężone z powrotem do logicznego obwodu sterującego.
Bocznikowy system sprzężenia zwrotnego prądu
IS200BPIAG1A umożliwia precyzyjny pomiar wyjściowych prądów fazowych poprzez wykrywanie spadku napięcia na rezystorze bocznikowym w każdej fazie A, B i C. Kanał sprzężenia zwrotnego prądu dla każdej fazy jest w pełni niezależny i izolowany.
Konwersja sygnału VCO : Sygnał napięciowy na boczniku jest najpierw kondycjonowany przez wzmacniacz, a następnie przekazywany do obwodu VCO, który przekształca go na sygnał częstotliwościowy. Zakres częstotliwości wyjściowej VCO wynosi 0–2 MHz, a jego punkt pracy jest odchylony tak, że przy zerowym prądzie moc wyjściowa wynosi 1 MHz. Pełny zakres napięcia bocznikowego wynosi ±200 mV, co odpowiada zmianie częstotliwości wyjściowej o ±800 kHz. Umożliwia to bardzo precyzyjny pomiar prądu fazowego w czasie rzeczywistym, który może być łatwo odtworzony przez system sterowania poprzez proste zliczanie częstotliwości.
Funkcje ochrony przed błędami : Obwód sprzężenia zwrotnego prądu jest również w stanie wykryć dwa rodzaje błędów:
Błąd DI/DT : Gdy prąd bocznikowy ulegnie skokowej zmianie o 100% lub więcej wartości znamionowej, obwód sprzężenia zwrotnego prądu może wykryć i zgłosić tę usterkę w ciągu 25 mikrosekund, zapobiegając zakłóceniom systemu spowodowanym nadmiernymi zmianami prądu.
Błąd przetężenia (OC) : Próg przetężenia jest ustawiony na 250% znamionowego prądu bocznikowego. Jeśli zostanie wykryte, że prąd przekracza ten próg, natychmiast generowany jest sygnał błędu przetężenia. Te dwa aktualne sygnały błędów są również łączone w OR i przesyłane do strony logiki sterującej poprzez izolację optyczną.
Sprzężenie zwrotne napięcia międzyfazowego i napięcia łącza DC
Sprzężenie zwrotne napięcia międzyfazowego VAB i VBC : IS200BPIAG1A w genialny sposób mierzy wyjściowe napięcia międzyfazowe VAB i VBC poprzez dwa kanały pochodzące z punktów połączeń bocznika. Obwód VAB oparty jest na obwodzie VCO bocznika fazy B i łączy się z fazą A poprzez rezystancyjną sieć tłumiącą. Obwód VCB opiera się na obwodzie VCO bocznika fazy C i łączy się z fazą B poprzez rezystancyjną sieć tłumiącą. Zakres częstotliwości wyjściowej każdego VCO wynosi 0–2 MHz, przy nominalnej częstotliwości wyjściowej 976,8 kHz przy zerowym napięciu międzyfazowym. Napięcie międzyfazowe ±1,0 V odpowiada zmianie częstotliwości wyjściowej o ±959,58 Hz. Wszystkie wyjścia VCO są podłączone do logiki sterującej poprzez izolację optyczną.
Sygnał zwrotny napięcia łącza DC : Trzeci obwód sprzężenia zwrotnego napięcia VCO jest przeznaczony do monitorowania napięcia łącza prądu stałego. Obwód ten odnosi się do obwodu sterującego dolną bramką fazy A, z rezystancyjnym połączeniem tłumiącym z przyłączem górnego kolektora IGBT fazy A. Zakres wyjściowy VCO wynosi podobnie 0–2 MHz. Sygnał wejściowy jest skalowany w taki sposób, że napięcie obwodu pośredniego od 0 do 1198 V odpowiada częstotliwości wyjściowej od 0 do 2 MHz.
Kontrola usterek i mechanizm wyłączania sterownika bramy
Sygnały o usterce z IS200BPIAG1A mają charakter przejściowy i pozostają prawdziwe tylko przez czas trwania stanu usterki. Dlatego system sterowania musi wykorzystywać obwód obsługi usterek poprzez złącze P1, aby zablokować te sygnały.
W przypadku wykrycia jakiejkolwiek usterki IS200BPIAG1A podejmuje zdecydowane działania ochronne, odłączając zasilanie sterujące od wszystkich sześciu modułów sterowników bramek IGBT. Do realizacji tej funkcji służą dedykowane, szybkie i niezawodne linie wyłączające w złączu P1:
Wyłączenie sterownika dużej prędkości : Podczas normalnej pracy linia DRVPC powinna mieć stan logiczny niski, a do linii DRVP5 powinno być przyłożone napięcie +5 V. W przypadku wykrycia usterki, przełączenie linii DRVPC na wysoki poziom inicjuje wyłączenie sterownika szybkiej bramki, minimalizując czas reakcji zabezpieczenia.
Wyłączenie sterownika odpornego na awarie : Usunięcie zasilania +5 V z linii DRVP5 poprzez zestaw zewnętrznych styków zapewnia bezpieczną metodę wyłączania modułów sterownika IGBT. Nawet w przypadku awarii szybkiego kanału wyłączającego ta metoda stykowa zapewnia niezawodne wyłączenie tranzystorów IGBT.
Identyfikacja płytki i połączenia interfejsów
IS200BPIAG1A jest wyposażony w 1024-bitową wbudowaną pamięć szeregową, która jest zaprogramowana pod kątem identyfikacji i wersji płytki, obsługując funkcję automatycznej identyfikacji płytki typu plug-and-play dla systemu sterowania.
Złącze sterowania mostkiem P1 wykorzystuje standardowe złącze VME. Duża liczba pinów w rzędach A i D służy do usuwania napięcia, aby zapewnić bezpieczną odległość izolacyjną pomiędzy sygnałami wysokiego i niskiego napięcia. Wiersze B i C przenoszą wszystkie podstawowe sygnały sterujące: wejście zasilania 17,7 V AC, sygnały włączania mostka, sterowanie mocą sterownika, resetowanie błędu, desaturację/UV i stan błędu bocznika dla wszystkich trzech faz, sygnały poleceń napędu bramki, sygnały wyjściowe częstotliwości VCO, linia identyfikacyjna karty szeregowej i przełączana moc wyjściowa sterownika +5 V.
Złącza sześciofazowe łączą się bezpośrednio z trójfazowymi urządzeniami mocy IGBT i są podzielone na: APL, BPL i CPL (które przenoszą linie sterujące bramki i punkty wykrywania bocznika dla każdej fazy) oraz AAPL, BAPL i CAPL (które dostarczają izolowane zasilanie dla górnego i dolnego obwodów sterownika każdej fazy).
