A placa de interface de personalidade de ponte de acionamento IGBT IS200BPIAG1A é um componente de interface crítico projetado pela GE Industrial Control Systems para sistemas de acionamento CA trifásicos baseados em IGBT. O IS200BPIAG1A fornece uma interface de sinal completa e confiável entre a eletrônica de controle e a eletrônica de potência, servindo como ponte central que permite controle de alto desempenho e operação segura do sistema de acionamento. O IS200BPIAG1A é montado em um rack de placa padrão tipo VME e faz interface com o backplane do sistema de controle através de seu conector P1. Ele é conectado diretamente aos dispositivos de alimentação IGBT das fases A, B e C através de seis conectores de tomada dedicados à fase.
O IS200BPIAG1A integra seis circuitos de driver de porta IGBT isolados independentemente, três circuitos de realimentação de corrente de oscilador controlado de tensão (VCO) de derivação isolada e circuitos de realimentação de VCO isolados para monitorar a tensão do link CC e as tensões de saída VAB e VBC. Além disso, a placa IS200BPIAG1A possui proteção integrada contra sobrecorrente de fase em nível de hardware e proteção contra falhas de dessaturação IGBT, fornecendo um sistema de proteção abrangente e localizado para a ponte de energia IGBT. Todas essas funções são integradas em uma única placa padrão VME, demonstrando a filosofia de design modular e altamente integrada da GE para interfaces de eletrônica de potência.
Projeto do sistema de fonte de alimentação
O sistema de alimentação do IS200BPIAG1A emprega um esquema de projeto altamente isolado para garantir a segurança elétrica entre as fases e entre os lados de alta e baixa tensão. A alimentação isolada da placa é derivada dos enrolamentos secundários de três transformadores, um dedicado a cada fase. Um sinal de onda quadrada de 17,7 V CA fornecido através do conector P1 alimenta os primários do transformador. Para cada transformador:
Fontes de alimentação do gate drive : Dois dos três enrolamentos secundários são retificados em meia onda e filtrados para produzir as fontes isoladas de +15 V (VCC) e -7,5 V (VEE) exigidas pelos circuitos do gate driver IGBT superior e inferior. Eles fornecem as tensões de polarização positivas e negativas necessárias para garantir a ativação e desativação confiáveis dos IGBTs.
Fonte de alimentação para processamento de sinal : O terceiro enrolamento secundário é retificado e filtrado em onda completa para fornecer os ±12 V isolados exigidos pelos circuitos de realimentação de corrente de derivação, circuitos VCO de realimentação de tensão de fase e circuitos de detecção de falhas. Além disso, um regulador linear de 5 V na alimentação de +12 V gera uma alimentação lógica de 5 V para serviços leves.
Alimentação Lógica de Controle : A alimentação de referência de +5 V necessária para a lógica de controle do sistema é fornecida diretamente à placa IS200BPIAG1A através do conector P1.
Os requisitos gerais de energia para o IS200BPIAG1A estão claramente definidos: um máximo de 1,5 W da fonte de +5 V CC e da fonte de 17,7 V CA, um máximo de 5 W sem carga do amplificador gate driver e um máximo de 18 W com carga do amplificador gate driver.
Circuitos de acionamento de porta IGBT
O IS200BPIAG1A é configurado com dois circuitos de acionamento de porta IGBT totalmente independentes e isolados para cada perna de fase: um controlando o IGBT superior e outro controlando o IGBT inferior. Isso totaliza seis circuitos de acionamento para as três fases. Cada circuito é composto por um módulo de acionamento de porta híbrido opticamente isolado e um pequeno número de componentes discretos.
Características do inversor e funções de proteção : O módulo de acionamento da porta aciona a porta IGBT entre VCC (+15 V) e VEE (-7,5 V), fornecendo polarização positiva suficiente para garantir que o IGBT esteja totalmente saturado durante a condução e polarização negativa suficiente para garantir desligamento confiável e resistência à ativação parasita. As entradas de controle dos módulos superior e inferior são conectadas em uma configuração antiparalela para evitar condução simultânea, o que causaria um curto-circuito na perna da fase. O módulo apresenta uma capacidade de corrente de pico/fonte de 5,0 A, com um atraso típico de ativação/desativação de apenas 1,5 microssegundos.
Mecanismo de detecção de falhas : Cada circuito de acionamento do portão pode gerar dois tipos de falhas:
Falha de dessaturação : Quando o módulo é comandado para ligar o IGBT, ele monitora a queda de tensão entre o coletor e o emissor do IGBT. Se esta tensão exceder um limite típico de cerca de 10 V por um período superior a 4,2 microssegundos (máximo de 6,6 microssegundos), isso indica que o IGBT saiu da saturação e entrou na região de operação linear, o que pode levar rapidamente ao superaquecimento e danos ao dispositivo. O módulo desligará imediatamente o IGBT e anunciará uma falha de dessaturação.
Falha de subtensão (UV) : O módulo também monitora a tensão entre VCC e VEE. Se esta tensão cair abaixo de 18 V, a tensão de acionamento da porta será insuficiente para acionar o IGBT de maneira confiável e ocorrerá uma falha de subtensão. Esses dois sinais de falha são unidos por OR e acoplados opticamente de volta ao circuito lógico de controle.
Sistema de feedback de corrente de derivação
O IS200BPIAG1A obtém medição precisa das correntes de fase de saída detectando a queda de tensão através de um resistor shunt em cada uma das fases A, B e C. O canal de feedback de corrente para cada fase é totalmente independente e isolado.
Conversão de sinal VCO : O sinal de tensão através do shunt é primeiro condicionado por um amplificador e depois passado para um circuito VCO, que o converte em um sinal de frequência. A faixa de frequência de saída do VCO é de 0–2 MHz e seu ponto de operação é polarizado de modo que, em corrente zero, a saída nominal seja de 1 MHz. A faixa de tensão shunt em escala total é de ±200 mV, correspondendo a uma mudança de frequência de saída de ±800 kHz. Isso permite a medição da corrente de fase em tempo real e de alta precisão, que pode ser facilmente reconstruída pelo sistema de controle por meio de uma simples contagem de frequência.
Funções de proteção contra falhas : O circuito de realimentação de corrente também é capaz de detectar dois tipos de falhas:
Falha DI/DT : Quando a corrente shunt sofre uma mudança gradual de 100% ou mais de seu valor nominal, o circuito de realimentação de corrente pode detectar e reportar esta falha dentro de 25 microssegundos, evitando perturbações no sistema devido a taxas excessivas de mudança de corrente.
Falha de sobrecorrente (OC) : O limite de sobrecorrente é definido em 250% da corrente nominal de derivação. Se for detectado que a corrente excede esse limite, um sinal de falha de sobrecorrente é imediatamente acionado. Esses dois sinais de falha de corrente também são unidos por OR e transmitidos para o lado lógico de controle por meio de isolamento óptico.
Feedback de tensão do barramento CC e fase a fase
Feedback de tensão fase a fase VAB e VBC : O IS200BPIAG1A mede engenhosamente as tensões fase a fase de saída VAB e VBC através de dois canais derivados dos pontos de conexão shunt. O circuito VAB é baseado no circuito VCO shunt da fase B e se conecta à fase A por meio de uma rede de atenuação resistiva. O circuito VCB é baseado no circuito VCO de derivação da fase C e se conecta à fase B por meio de uma rede de atenuação resistiva. A faixa de frequência de saída de cada VCO é de 0–2 MHz, com uma saída nominal de 976,8 kHz em tensão fase-fase zero. Uma tensão fase a fase de ±1,0 V corresponde a uma mudança de frequência de saída de ±959,58 Hz. Todas as saídas do VCO estão conectadas à lógica de controle através de isolamento óptico.
Feedback de tensão do barramento CC : Um terceiro circuito de realimentação de tensão do VCO é dedicado ao monitoramento da tensão do barramento CC. Este circuito é referenciado ao circuito de acionamento da porta inferior da fase A, com uma ligação de atenuação resistiva à conexão do coletor IGBT superior da fase A. A faixa de saída do VCO é semelhante a 0–2 MHz. A entrada é dimensionada de modo que uma tensão de link CC de 0 a 1198 V corresponda a uma frequência de saída de 0 a 2 MHz.
Mecanismo de controle de falhas e desativação do driver de portão
Os sinais de falha do IS200BPIAG1A são de natureza transitória, permanecendo verdadeiros apenas durante a condição de falha. Portanto, o sistema de controle deve utilizar um circuito de tratamento de falhas através do conector P1 para travar esses sinais.
Quando qualquer falha é detectada, o IS200BPIAG1A toma uma ação de proteção decisiva, removendo a energia de controle de todos os seis módulos de gate driver IGBT. Linhas dedicadas de desativação de alta velocidade e à prova de falhas no conector P1 são fornecidas para implementar esta função:
Desativação do driver de alta velocidade : Durante a operação normal, a linha DRVPC deve estar com nível lógico baixo e +5 V deve ser aplicado à linha DRVP5. Quando uma falha é detectada, colocar a linha DRVPC em nível alto inicia uma desabilitação do gate driver de alta velocidade, minimizando o tempo de resposta da proteção.
Desativação do driver à prova de falhas : Remover a alimentação de +5 V da linha DRVP5 por meio de um conjunto de contatos externos fornece um método à prova de falhas para desativar os módulos do driver IGBT. Mesmo se o canal de desabilitação de alta velocidade falhar, esse método baseado em contato garante que os IGBTs sejam desligados de forma confiável.
Identificação da placa e conexões de interface
O IS200BPIAG1A possui um dispositivo de memória serial integrado de 1024 bits que é programado com identificação da placa e informações de revisão, suportando um recurso de identificação automática da placa plug-and-play para o sistema de controle.
O conector de controle de ponte P1 usa um conector VME padrão. Um grande número de pinos nas linhas A e D é usado para liberação de tensão para garantir uma distância de isolamento segura entre sinais de alta e baixa tensão. As linhas B e C transportam todos os sinais de controle principais: entrada de energia de 17,7 V CA, sinais de habilitação de ponte, controle de energia do driver, redefinição de falha, dessaturação/UV e status de falha de derivação para todas as três fases, sinais de comando de acionamento de portão, sinais de saída de frequência VCO, uma linha de ID de placa serial e a saída de energia do driver comutada de +5 V.
Os conectores de seis fases conectam-se diretamente aos dispositivos de alimentação IGBT trifásicos e são divididos em: APL, BPL e CPL (que transportam as linhas de acionamento do portão e pontos de detecção de derivação para cada fase) e AAPL, BAPL e CAPL (que fornecem a energia isolada para os circuitos de acionamento superior e inferior de cada fase).
