Плата индивидуального интерфейса приводного моста IGBT IS200BPIAG1A — это критически важный интерфейсный компонент, разработанный GE Industrial Control Systems для систем трехфазного привода переменного тока на базе IGBT. IS200BPIAG1A обеспечивает полный и надежный сигнальный интерфейс между управляющей электроникой и силовой электроникой, выступая в качестве основного моста, обеспечивающего высокопроизводительное управление и безопасную работу системы привода. IS200BPIAG1A монтируется в стандартную стойку для плат типа VME и взаимодействует с объединительной платой системы управления через разъем P1. Он напрямую подключается к силовым устройствам IGBT фаз A, B и C через шесть разъемов для каждой фазы.
IS200BPIAG1A объединяет шесть независимо изолированных схем драйвера затвора IGBT, три изолированные шунтирующие цепи обратной связи по току генератора, управляемого напряжением (ГУН), и изолированные цепи обратной связи ГУН для мониторинга напряжения звена постоянного тока и выходных напряжений VAB и VBC. Кроме того, плата IS200BPIAG1A имеет встроенную защиту от перегрузки по фазному току на аппаратном уровне и защиту от короткого замыкания по насыщению IGBT, обеспечивая комплексную локализованную систему защиты силового моста IGBT. Все эти функции интегрированы на единой стандартной плате форм-фактора VME, демонстрируя высокоинтегрированную и модульную философию проектирования интерфейсов силовой электроники GE.
Проектирование системы электропитания
В системе электропитания IS200BPIAG1A используется высокоизолированная схема конструкции, обеспечивающая электрическую безопасность между фазами, а также между сторонами высокого и низкого напряжения. Изолированное питание платы поступает от вторичных обмоток трех трансформаторов, по одному на каждую фазу. Прямоугольный сигнал напряжением 17,7 В переменного тока, подаваемый через разъем P1, питает первичные обмотки трансформатора. Для каждого трансформатора:
Источники питания привода затвора : две из трех вторичных обмоток выпрямлены и фильтруются в полуволновом режиме для создания изолированных источников питания +15 В (VCC) и -7,5 В (VEE), необходимых для верхних и нижних цепей драйвера затвора IGBT. Они обеспечивают необходимые положительные и отрицательные напряжения смещения для обеспечения надежного включения и выключения IGBT.
Источник питания для обработки сигналов : Третья вторичная обмотка выпрямляется и фильтруется двухполупериодным способом, чтобы обеспечить изолированное напряжение ±12 В, необходимое для цепей обратной связи по току шунта, цепей ГУН с обратной связью по фазному напряжению и схем обнаружения неисправностей. Кроме того, линейный стабилизатор 5 В на источнике питания +12 В генерирует логическое напряжение 5 В для легких условий эксплуатации.
Питание логики управления : Источник опорного напряжения +5 В, необходимый для логики управления системой, подается непосредственно на плату IS200BPIAG1A через разъем P1.
Общие требования к мощности для IS200BPIAG1A четко определены: максимум 1,5 Вт от источника +5 В постоянного тока и от источника 17,7 В переменного тока, максимум 5 Вт без нагрузки усилителя драйвера затвора и максимум 18 Вт с нагрузкой усилителя драйвера затвора.
Схемы управления затворами IGBT
IS200BPIAG1A имеет две полностью независимые и изолированные схемы управления затвором IGBT для каждой фазы: одна управляет верхним IGBT, а другая — нижним IGBT. В общей сложности это шесть схем управления для трех фаз. Каждая схема состоит из оптически изолированного модуля привода гибридного затвора и небольшого количества дискретных компонентов.
Характеристики привода и функции защиты : Модуль управления затвором управляет затвором IGBT между VCC (+15 В) и VEE (-7,5 В), обеспечивая достаточное положительное смещение, чтобы гарантировать полное насыщение IGBT во время проводимости, и достаточное отрицательное смещение, чтобы гарантировать надежное выключение и устойчивость к паразитному включению. Управляющие входы верхнего и нижнего модулей соединены встречно-параллельно, чтобы предотвратить одновременную проводимость, которая может вызвать сквозное короткое замыкание в фазной ветви. Модуль имеет пиковый ток стока/источника 5,0 А с типичной задержкой включения/выключения всего 1,5 микросекунды.
Механизм обнаружения неисправностей . Каждая схема управления воротами может генерировать два типа неисправностей:
Ошибка десатурации : когда модуль получает команду на включение IGBT, он контролирует падение напряжения между коллектором и эмиттером IGBT. Если это напряжение превышает типичный порог около 10 В в течение периода, превышающего 4,2 микросекунды (максимум 6,6 микросекунды), это указывает на то, что IGBT вышел из насыщения и вошел в линейную рабочую область, что может быстро привести к перегреву и повреждению устройства. Модуль немедленно выключит IGBT и сообщит об ошибке рассыщения.
Неисправность пониженного напряжения (УФ) : Модуль также контролирует напряжение между VCC и VEE. Если это напряжение упадет ниже 18 В, напряжение управления затвором окажется недостаточным для надежного управления IGBT, и произойдет сбой из-за пониженного напряжения. Эти два сигнала неисправности объединяются по схеме «ИЛИ» и оптически соединяются обратно с логической схемой управления.
Шунтирующая система обратной связи по току
IS200BPIAG1A обеспечивает точное измерение выходных фазных токов путем обнаружения падения напряжения на шунтирующем резисторе в каждой из фаз A, B и C. Канал обратной связи по току для каждой фазы полностью независим и изолирован.
Преобразование сигнала ГУН : сигнал напряжения на шунте сначала обрабатывается усилителем, а затем передается в схему ГУН, которая преобразует его в частотный сигнал. Диапазон выходных частот ГУН составляет 0–2 МГц, а его рабочая точка смещена так, что при нулевом токе номинальная выходная мощность составляет 1 МГц. Полномасштабный диапазон шунтирующего напряжения составляет ±200 мВ, что соответствует изменению выходной частоты ±800 кГц. Это обеспечивает высокоточное измерение фазного тока в реальном времени, которое может быть легко восстановлено системой управления посредством простого подсчета частоты.
Функции защиты от неисправностей : Цепь обратной связи по току также способна обнаруживать два типа неисправностей:
Неисправность DI/DT : Когда шунтирующий ток претерпевает ступенчатое изменение на 100% или более от номинального значения, схема обратной связи по току может обнаружить и сообщить об этом сбое в течение 25 микросекунд, предотвращая помехи в системе из-за чрезмерной скорости изменения тока.
Ошибка перегрузки по току (OC) : Порог перегрузки по току установлен на уровне 250 % номинального тока шунта. Если обнаруживается, что ток превышает этот порог, немедленно срабатывает сигнал неисправности перегрузки по току. Эти два текущих сигнала неисправности также объединяются по схеме «ИЛИ» и передаются на сторону логики управления через оптическую развязку.
Междуфазная и обратная связь по напряжению звена постоянного тока
Обратная связь по фазному напряжению VAB и VBC : IS200BPIAG1A изобретательно измеряет выходные междуфазные напряжения VAB и VBC по двум каналам, получаемым от точек шунтирующего соединения. Схема VAB основана на шунтирующем ГУН фазы B и подключается к фазе A через резистивную схему ослабления. Схема VCB основана на шунтирующем ГУН фазы C и подключается к фазе B через резистивную цепь ослабления. Диапазон выходных частот каждого ГУН составляет 0–2 МГц с номинальной выходной частотой 976,8 кГц при нулевом междуфазном напряжении. Междуфазное напряжение ±1,0 В соответствует изменению выходной частоты на ±959,58 Гц. Все выходы ГУН подключены к логике управления через оптическую изоляцию.
Обратная связь по напряжению звена постоянного тока . Третья схема обратной связи по напряжению ГУН предназначена для мониторинга напряжения звена постоянного тока. Эта схема связана со схемой управления нижним затвором фазы A с резистивной связью затухания с соединением верхнего коллектора фазы A IGBT. Выходной диапазон ГУН аналогично составляет 0–2 МГц. Вход масштабируется таким образом, что напряжение звена постоянного тока от 0 до 1198 В соответствует выходной частоте от 0 до 2 МГц.
Механизм контроля неисправностей и отключения драйвера ворот
Сигналы неисправности от IS200BPIAG1A носят временный характер и остаются верными только на время существования неисправности. Поэтому система управления должна использовать схему обработки неисправностей через разъем P1 для фиксации этих сигналов.
При обнаружении какой-либо неисправности IS200BPIAG1A предпринимает решительные защитные меры, отключая управляющее питание от всех шести модулей драйверов затворов IGBT. Для реализации этой функции предусмотрены выделенные высокоскоростные и отказоустойчивые линии отключения в разъеме P1:
Отключение высокоскоростного драйвера : во время нормальной работы линия DRVPC должна иметь низкий логический уровень, а на линию DRVP5 должно быть подано +5 В. При обнаружении неисправности установка высокого уровня на линии DRVPC инициирует отключение драйвера высокоскоростных ворот, минимизируя время реакции защиты.
Безопасное отключение драйвера : отключение питания +5 В от линии DRVP5 через набор внешних контактов обеспечивает безопасный метод отключения модулей драйвера IGBT. Даже если высокоскоростной канал отключения выйдет из строя, этот контактный метод гарантирует надежное выключение IGBT.
Идентификация платы и интерфейсные соединения
IS200BPIAG1A оснащен 1024-битным встроенным последовательным запоминающим устройством, в которое запрограммирована информация об идентификации платы и версии, поддерживающая возможность автоматической идентификации платы по принципу «включай и работай» для системы управления.
Разъем управления мостом P1 использует стандартный разъем VME. Большое количество контактов в рядах A и D используется для зазора по напряжению, чтобы обеспечить безопасное изоляционное расстояние между сигналами высокого и низкого напряжения. В строках B и C передаются все сигналы управления ядром: вход питания переменного тока 17,7 В, сигналы включения моста, управление питанием драйвера, сброс неисправности, состояние десатурации/УФ и состояния неисправности шунта для всех трех фаз, сигналы управления приводом затвора, выходные сигналы частоты ГУН, линия идентификатора последовательной платы и коммутируемый выход питания драйвера +5 В.
Шестифазные разъемы подключаются непосредственно к трехфазным силовым устройствам IGBT и делятся на: APL, BPL и CPL (которые несут линии управления затвором и точки измерения шунта для каждой фазы) и AAPL, BAPL и CAPL (которые подают изолированное питание для верхней и нижней цепей драйвера каждой фазы).
