Bảng mạch giao diện cá tính cầu dẫn động IGBT IS200BPIAG1A là thành phần giao diện quan trọng được thiết kế bởi GE Industrial Control Systems cho các hệ thống truyền động xoay chiều ba pha dựa trên IGBT. IS200BPIAG1A cung cấp giao diện tín hiệu hoàn chỉnh và đáng tin cậy giữa thiết bị điện tử điều khiển và thiết bị điện tử công suất, đóng vai trò là cầu nối cốt lõi cho phép điều khiển hiệu suất cao và vận hành an toàn hệ thống truyền động. IS200BPIAG1A được gắn trên giá bo mạch loại VME tiêu chuẩn và giao tiếp với bảng nối đa năng của hệ thống điều khiển thông qua đầu nối P1 của nó. Nó được kết nối trực tiếp với các thiết bị nguồn IGBT của các pha A, B và C thông qua sáu đầu nối phích cắm dành riêng cho pha.
IS200BPIAG1A tích hợp sáu mạch điều khiển cổng IGBT cách ly độc lập, ba mạch phản hồi dòng điện dao động điều khiển điện áp shunt (VCO) cách ly và mạch phản hồi VCO cách ly để theo dõi điện áp liên kết DC cũng như điện áp đầu ra VAB và VBC. Ngoài ra, bo mạch IS200BPIAG1A còn có tính năng bảo vệ quá dòng pha ở cấp độ phần cứng tích hợp và bảo vệ lỗi giảm bão hòa IGBT, cung cấp hệ thống bảo vệ cục bộ, toàn diện cho cầu nguồn IGBT. Tất cả các chức năng này được tích hợp vào một bo mạch dạng VME tiêu chuẩn duy nhất, thể hiện triết lý thiết kế mô-đun và tích hợp cao của GE đối với các giao diện điện tử công suất.
Thiết kế hệ thống cung cấp điện
Hệ thống cấp điện của IS200BPIAG1A sử dụng sơ đồ thiết kế có tính cách ly cao để đảm bảo an toàn điện giữa các pha và giữa hai bên điện áp cao và điện áp thấp. Nguồn điện cách ly cho bo mạch được lấy từ cuộn dây thứ cấp của ba máy biến áp, mỗi máy dành riêng cho một pha. Tín hiệu sóng vuông 17,7 V AC được cung cấp qua đầu nối P1 cấp nguồn cho các dây sơ cấp của máy biến áp. Đối với mỗi máy biến áp:
Bộ nguồn điều khiển cổng : Hai trong số ba cuộn dây thứ cấp được chỉnh lưu và lọc nửa sóng để tạo ra nguồn cung cấp +15 V (VCC) và -7,5 V (VEE) cách ly theo yêu cầu của mạch điều khiển cổng IGBT trên và dưới. Chúng cung cấp điện áp phân cực dương và âm cần thiết để đảm bảo bật và tắt IGBT một cách đáng tin cậy.
Nguồn điện xử lý tín hiệu : Cuộn dây thứ cấp thứ ba được chỉnh lưu và lọc toàn sóng để cung cấp điện áp ±12 V cách ly theo yêu cầu của mạch phản hồi dòng điện song song, mạch phản hồi điện áp pha VCO và mạch phát hiện lỗi. Ngoài ra, bộ điều chỉnh tuyến tính 5 V trên nguồn +12 V sẽ tạo ra nguồn logic 5 V công suất nhẹ.
Nguồn logic điều khiển : Nguồn tham chiếu +5 V cần thiết cho logic điều khiển hệ thống được cung cấp trực tiếp cho bo mạch IS200BPIAG1A thông qua đầu nối P1.
Các yêu cầu về công suất tổng thể cho IS200BPIAG1A được xác định rõ ràng: tối đa 1,5 W từ nguồn DC +5 V và từ nguồn AC 17,7 V, tối đa 5 W khi không có tải bộ khuếch đại của trình điều khiển cổng và tối đa là 18 W với tải bộ khuếch đại của trình điều khiển cổng.
Mạch điều khiển cổng IGBT
IS200BPIAG1A được cấu hình với hai mạch điều khiển cổng IGBT hoàn toàn độc lập và cách ly cho mỗi nhánh pha: một mạch điều khiển IGBT phía trên và mạch còn lại điều khiển IGBT phía dưới. Tổng cộng có sáu mạch điều khiển cho ba giai đoạn. Mỗi mạch bao gồm một mô-đun ổ đĩa cổng lai cách ly về mặt quang học và một số lượng nhỏ các thành phần riêng biệt.
Đặc điểm ổ đĩa và chức năng bảo vệ : Mô-đun ổ đĩa cổng điều khiển cổng IGBT giữa VCC (+15 V) và VEE (-7,5 V), cung cấp đủ độ lệch dương để đảm bảo IGBT bão hòa hoàn toàn trong quá trình dẫn và đủ độ lệch âm để đảm bảo tắt đáng tin cậy và khả năng chống bật ký sinh. Đầu vào điều khiển của mô-đun trên và mô-đun dưới được kết nối theo cấu hình chống song song để ngăn chặn sự dẫn truyền đồng thời, điều này có thể gây ra hiện tượng đoản mạch ở chân pha. Mô-đun này có khả năng dòng điện cực đại/nguồn là 5,0 A, với độ trễ bật/tắt thông thường chỉ là 1,5 micro giây.
Cơ chế phát hiện lỗi : Mỗi mạch điều khiển cổng có thể phát sinh 2 loại lỗi:
Lỗi giảm bão hòa : Khi mô-đun được lệnh BẬT IGBT, nó sẽ giám sát sự sụt giảm điện áp giữa bộ thu và bộ phát của IGBT. Nếu điện áp này vượt quá ngưỡng thông thường khoảng 10 V trong khoảng thời gian dài hơn 4,2 micro giây (tối đa 6,6 micro giây), điều đó cho thấy IGBT đã thoát khỏi trạng thái bão hòa và đi vào vùng vận hành tuyến tính, điều này có thể nhanh chóng dẫn đến thiết bị quá nóng và hư hỏng. Mô-đun sẽ ngay lập tức TẮT IGBT và thông báo lỗi giảm độ bão hòa.
Lỗi điện áp thấp (UV) : Mô-đun này cũng giám sát điện áp giữa VCC và VEE. Nếu điện áp này giảm xuống dưới 18 V, điện áp ổ đĩa cổng không đủ để điều khiển IGBT một cách đáng tin cậy và sẽ xảy ra lỗi điện áp thấp. Hai tín hiệu lỗi này được OR-ed cùng nhau và được ghép quang trở lại mạch logic điều khiển.
Shunt hệ thống phản hồi hiện tại
IS200BPIAG1A đạt được phép đo chính xác dòng điện pha đầu ra bằng cách phát hiện sự sụt giảm điện áp trên điện trở song song ở mỗi pha A, B và C. Kênh phản hồi hiện tại cho mỗi pha hoàn toàn độc lập và tách biệt.
Chuyển đổi tín hiệu VCO : Tín hiệu điện áp trên shunt trước tiên được điều hòa bởi bộ khuếch đại và sau đó được chuyển đến mạch VCO, mạch này chuyển đổi nó thành tín hiệu tần số. Dải tần số đầu ra VCO là 0–2 MHz và điểm hoạt động của nó bị sai lệch sao cho ở dòng điện bằng 0, đầu ra danh nghĩa là 1 MHz. Dải điện áp shunt toàn thang đo là ±200 mV, tương ứng với sự thay đổi tần số đầu ra là ±800 kHz. Điều này cho phép đo dòng điện pha theo thời gian thực, có độ chính xác cao mà hệ thống điều khiển có thể dễ dàng tái tạo lại thông qua việc đếm tần số đơn giản.
Chức năng bảo vệ lỗi : Mạch phản hồi dòng điện cũng có khả năng phát hiện hai loại lỗi:
Lỗi DI/DT : Khi dòng điện shunt thay đổi từng bước từ 100% giá trị định mức trở lên, mạch phản hồi dòng điện có thể phát hiện và báo cáo lỗi này trong vòng 25 micro giây, ngăn ngừa nhiễu loạn hệ thống do tốc độ thay đổi dòng điện quá mức.
Lỗi quá dòng (OC) : Ngưỡng quá dòng được đặt ở mức 250% dòng điện shunt định mức. Nếu dòng điện được phát hiện vượt quá ngưỡng này, tín hiệu lỗi quá dòng sẽ ngay lập tức được kích hoạt. Hai tín hiệu lỗi hiện tại này cũng được OR-ed cùng nhau và truyền đến phía logic điều khiển thông qua cách ly quang.
Phản hồi điện áp liên kết pha và pha DC
Phản hồi điện áp pha-pha VAB và VBC : IS200BPIAG1A đo khéo léo điện áp đầu ra giữa các pha VAB và VBC thông qua hai kênh bắt nguồn từ các điểm kết nối shunt. Mạch VAB dựa trên mạch VCO shunt pha B và kết nối với pha A thông qua mạng suy giảm điện trở. Mạch VCB dựa trên mạch VCO shunt pha C và kết nối với pha B thông qua mạng suy giảm điện trở. Dải tần số đầu ra của mỗi VCO là 0–2 MHz, với đầu ra danh nghĩa là 976,8 kHz ở điện áp giữa các pha bằng 0. Điện áp giữa các pha ±1,0 V tương ứng với sự thay đổi tần số đầu ra là ±959,58 Hz. Tất cả các đầu ra VCO được kết nối với logic điều khiển thông qua cách ly quang.
Phản hồi điện áp liên kết DC : Mạch phản hồi điện áp VCO thứ ba được dành riêng để giám sát điện áp liên kết DC. Mạch này được tham chiếu đến mạch điều khiển cổng phía dưới pha A, với sự suy giảm điện trở liên kết với kết nối bộ thu IGBT phía trên pha A. Dải đầu ra VCO tương tự là 0–2 MHz. Đầu vào được điều chỉnh sao cho điện áp liên kết DC từ 0 đến 1198 V tương ứng với tần số đầu ra từ 0 đến 2 MHz.
Cơ chế vô hiệu hóa trình điều khiển cổng và kiểm soát lỗi
Các tín hiệu lỗi từ IS200BPIAG1A có bản chất là nhất thời, chỉ đúng trong khoảng thời gian xảy ra lỗi. Vì vậy, hệ thống điều khiển phải sử dụng mạch xử lý lỗi thông qua đầu nối P1 để chốt các tín hiệu này.
Khi phát hiện bất kỳ lỗi nào, IS200BPIAG1A sẽ thực hiện hành động bảo vệ quyết định bằng cách ngắt nguồn điện điều khiển khỏi tất cả sáu mô-đun trình điều khiển cổng IGBT. Các đường vô hiệu hóa tốc độ cao và an toàn chuyên dụng trong đầu nối P1 được cung cấp để thực hiện chức năng này:
Vô hiệu hóa trình điều khiển tốc độ cao : Trong quá trình hoạt động bình thường, đường dây DRVPC phải ở mức logic thấp và nên áp dụng +5 V cho đường dây DRVP5. Khi phát hiện ra lỗi, việc đưa đường DRVPC lên cao sẽ bắt đầu vô hiệu hóa trình điều khiển cổng tốc độ cao, giảm thiểu thời gian phản hồi bảo vệ.
Vô hiệu hóa trình điều khiển an toàn : Việc tháo nguồn +5 V khỏi đường dây DRVP5 thông qua một bộ tiếp điểm bên ngoài cung cấp một phương pháp không an toàn để vô hiệu hóa các mô-đun trình điều khiển IGBT. Ngay cả khi kênh vô hiệu hóa tốc độ cao không thành công, phương pháp dựa trên liên hệ này đảm bảo IGBT được tắt một cách đáng tin cậy.
Nhận dạng bảng và kết nối giao diện
IS200BPIAG1A có thiết bị bộ nhớ nối tiếp 1024-bit trên bo mạch được lập trình với thông tin nhận dạng và sửa đổi bo mạch, hỗ trợ khả năng nhận dạng bo mạch cắm và chạy tự động cho hệ thống điều khiển.
Đầu nối điều khiển cầu P1 sử dụng đầu nối VME tiêu chuẩn. Một số lượng lớn các chân ở hàng A và D được sử dụng để giải phóng điện áp nhằm đảm bảo khoảng cách cách điện an toàn giữa tín hiệu điện áp cao và điện áp thấp. Hàng B và C mang tất cả các tín hiệu điều khiển lõi: đầu vào nguồn AC 17,7 V, tín hiệu kích hoạt cầu nối, điều khiển nguồn trình điều khiển, đặt lại lỗi, khử bão hòa/UV và trạng thái lỗi shunt cho cả ba pha, tín hiệu lệnh điều khiển cổng, tín hiệu đầu ra tần số VCO, dòng ID bo mạch nối tiếp và đầu ra nguồn trình điều khiển +5 V đã chuyển đổi.
Đầu nối sáu pha kết nối trực tiếp với các thiết bị nguồn IGBT ba pha và được chia thành: APL, BPL và CPL (mang các đường truyền động cổng và điểm cảm biến shunt cho từng pha) và AAPL, BAPL và CAPL (cung cấp nguồn điện cách ly cho các mạch điều khiển trên và dưới của từng pha).
