La Figura 1 mostra un tipico diagramma a blocchi di un convertitore di potenza in un'unità di controllo per motori CA. Esso è costituito da un inverter che converte la tensione del bus CC in corrente alternata a frequenza variabile per azionare il motore. Gli IGBT sono i costosi interruttori di potenza che costituiscono il cuore dell'inverter. Questi dispositivi di potenza devono operare ad alta frequenza ed essere in grado di sopportare tensioni elevate.
Gli amplificatori di isolamento, come l'ACPL-C79A mostrato in Figura 1 (vedi riquadro), lavorano in combinazione con resistori di shunt per fornire misurazioni di corrente accurate nei convertitori di potenza, anche in presenza di elevato rumore di commutazione. Se utilizzati con un partitore resistivo, gli amplificatori di isolamento funzionano come sensori di corrente di precisione per monitorare la tensione del bus CC. Le informazioni di corrente e tensione provenienti dagli amplificatori di isolamento vengono raccolte dal microcontrollore, che utilizza i dati per calcolare i valori di ritorno e i segnali di uscita necessari per garantire un controllo efficace e una gestione dei guasti dei convertitori di potenza.
Requisiti di protezione dai guasti:
In un inverter, gli IGBT sono i componenti più costosi, quindi è fondamentale garantire la massima protezione possibile contro potenziali danni. Gli amplificatori di isolamento consentono un rapido rilevamento delle condizioni di guasto e gli algoritmi eseguiti dal microcontrollore possono impedire che tali condizioni causino il malfunzionamento degli IGBT. Inoltre, l'isolamento ottico negli amplificatori impedisce che le condizioni di guasto sovraccarichino il microcontrollore e ne provochino il blocco.
Tuttavia, la protezione degli IGBT deve essere economicamente vantaggiosa: il mercato continua a richiedere una protezione sufficiente per gli IGBT contro le condizioni di guasto a un prezzo che non incida significativamente sul costo complessivo del sistema di controllo del motore. Per soddisfare questa esigenza, sono stati introdotti driver per circuiti di gate IGBT (come l'ACPL-332J [1]) e sensori di corrente con funzioni di protezione per il rilevamento essenziale dei guasti, oltre alle loro funzioni di controllo e rilevamento. Questi prodotti offrono uno schema economicamente vantaggioso per implementare la protezione degli IGBT ed eliminano la necessità di componenti di rilevamento e feedback separati. Vedere i riferimenti [1], [2] per i dettagli sulle funzionalità di protezione integrate con i driver per circuiti di gate e su come implementare tali funzioni di protezione. Il resto di questo articolo si concentrerà su alcune delle funzioni di protezione dai guasti che possono essere implementate con i sensori di corrente/tensione, come elencato nella Tabella 1.
Rilevamento di sovracorrente:
le condizioni di sovracorrente in un IGBT possono verificarsi a causa di un cortocircuito fase-fase, un cortocircuito linea-terra o una corrente di cortocircuito. I dispositivi di rilevamento della corrente di shunt dell'amplificatore di isolamento sulle fasi di uscita e sul bus CC forniscono il rilevamento dei guasti oltre alla misurazione della corrente (vedere Figura 1). I tempi di sopravvivenza al cortocircuito dei comuni IGBT sono stati valutati fino a un limite di 10 ms [3, 4]. Per garantire una protezione efficace, questo limite non deve essere superato. Entro questo limite, il guasto deve essere rilevato, segnalato al controllore e la procedura di arresto deve essere completata entro tale intervallo di tempo. Per soddisfare questo requisito, gli amplificatori di isolamento utilizzano diversi metodi.
Ad esempio, l'ACPL-C79A ha un tempo di risposta rapido di 1,6 µs per un ingresso a gradini. Ciò consente all'amplificatore di catturare i transienti durante le condizioni di cortocircuito e sovraccarico (vedere Figura 2) [5]. Il ritardo di propagazione del punto medio dal segnale di ingresso all'uscita è di soli 2 µs, mentre occorrono solo 2,6 µs perché il segnale di uscita raggiunga il segnale di ingresso, arrivando al 90% dei livelli finali.
Oltre al tempo di risposta rapido, l'ACPL-C79A offre una precisione di guadagno di ±1%, un'eccellente non linearità dello 0,05% e un rapporto segnale/rumore (SNR) di 60 dB. Sono disponibili anche l'ACPL-C79B, che offre una precisione di guadagno superiore di ±0,5%, e l'ACPL-C790, che ha una tolleranza di guadagno di ±3%. Tutti i dispositivi della famiglia ACPL-C79A sono certificati per resistere a una tensione di isolamento di picco di 1230 V e possono respingere il rumore transitorio di modo comune fino a 15 kV/µs. Queste caratteristiche sono offerte in un package SO-8, più piccolo del 30% rispetto al package DIP-8 standard.
Un altro esempio è l'HCPL-788J, che adotta un approccio diverso per ottenere una risposta rapida nel rilevamento di sovracorrente (Figura 3) [6, 7]. Oltre al segnale di uscita, presenta un segnale di guasto che commuta rapidamente da alto a basso per indicare una condizione di sovracorrente. Questo amplificatore di isolamento fornisce una precisione di misura di ±3%.
Nella progettazione dei sistemi di retroazione di guasto, una problematica da affrontare è quella dell'attivazione accidentale dovuta a interferenze. L'attivazione accidentale dovuta a interferenze si verifica quando il sistema di rilevamento guasti viene attivato in assenza di una condizione di guasto apparente che potrebbe danneggiare gli IGBT. Per prevenire i falsi allarmi, l'HCPL-788J integra un circuito discriminatore di impulsi che inibisce efficacemente l'influenza dei guasti di/dt e dv/dt. Il vantaggio di questo metodo risiede nel fatto che il rifiuto è indipendente dall'ampiezza, il che significa che la soglia di guasto può essere impostata a un livello molto più basso senza aumentare il rischio di attivazione accidentale dovuta a interferenze.
Nell'implementazione del circuito per il rilevamento rapido dei guasti, nel blocco di rilevamento dei guasti vengono utilizzati due comparatori per rilevare le soglie di guasto negative e positive. La soglia di commutazione è pari al riferimento del modulatore sigma-delta di 256 mV. Le uscite di questi comparatori sono collegate a filtri di soppressione con un periodo di soppressione di 2 ms e vengono quindi inviate al blocco di codifica.
Per garantire che lo stato di guasto venga trasmesso attraverso il confine di isolamento il più rapidamente possibile, vengono utilizzate due sequenze di codifica digitale univoche per rappresentare la condizione di guasto: un codice per il livello negativo e un altro per il livello positivo. Quando viene rilevato un guasto, il normale trasferimento dei dati attraverso il canale ottico viene interrotto e il flusso di bit viene sostituito con il codice di guasto. Questi due codici di guasto si discostano significativamente dal normale regime di codifica, quindi sul lato del rilevatore, il decodificatore riconosce immediatamente i codici come condizioni di guasto [7].
Il tempo richiesto al decodificatore per rilevare e comunicare la condizione di guasto attraverso il confine di isolamento è di circa 1 ms. L'aggiunta del ritardo di 400 ns al filtro anti-aliasing si traduce in un ritardo di propagazione di 1,4 ms. Il ritardo tra l'evento di guasto e il segnale di uscita di guasto è la somma del ritardo di propagazione e del periodo di soppressione (2 ms), risultando in un tempo di rilevamento del guasto complessivo di 3,4 ms (vedere Figura 4).
Il segnale di uscita di guasto consente di collegare insieme i segnali di guasto provenienti da più dispositivi, permettendo di cablare più parti per creare un singolo segnale di guasto (vedere la parte superiore destra della Figura 5) [6]. Questo segnale può quindi essere utilizzato per disabilitare direttamente gli ingressi PWM tramite il controller.
Rilevamento di sovraccarico
Una condizione di sovraccarico si riferisce a una situazione in cui la corrente del motore supera la corrente nominale dell'unità, ma non in misura tale da mettere l'inverter o il motore in immediato pericolo di guasto, ad esempio, se il motore è sovraccarico meccanicamente o si verifica un arresto del motore a seguito di un guasto a un cuscinetto.
Gli inverter sono generalmente specificati con una capacità di sovraccarico oltre alla loro potenza nominale. La durata di questa capacità di sovraccarico consentita dipende dall'intervallo di tempo prima che il surriscaldamento diventi un problema. Una capacità di sovraccarico tipica è pari al 150% del carico nominale per un massimo di un minuto.
L'ACPL-C79A accetta un intervallo di ingresso completo di ±300 mV, mentre le specifiche del datasheet si basano su un intervallo di ingresso nominale di ±200 mV. Il progettista ha la flessibilità di scegliere la soglia di sovraccarico a uno di questi valori, o a un valore intermedio. Se la precisione della misurazione della corrente di sovraccarico con la soglia vicina a 300 mV è meno critica rispetto a quella della corrente di funzionamento normale, come spesso accade, questa è una buona scelta, in quanto consente di sfruttare appieno la gamma dinamica di ingresso dell'amplificatore di isolamento. Tuttavia, impostare la soglia a 200 mV garantisce la precisione della misurazione della corrente di sovraccarico. Una volta determinati i livelli di tensione, il progettista deve scegliere il valore appropriato della resistenza di rilevamento in base al corrispondente livello di corrente.
L'HCPL-788J include una funzione aggiuntiva, l'uscita ABSVAL, che può essere utilizzata per semplificare il circuito di rilevamento del sovraccarico. Il circuito ABSVAL raddrizza il segnale di uscita, fornendo un segnale di uscita proporzionale al livello assoluto del segnale di ingresso secondo la formula:
VALORE ASSEGNATO = |ENT V| *V RIF, EST / 252mV
Questa uscita può anche essere cablata (configurabile in OR). Quando tre fasi sinusoidali provenienti dal motore vengono combinate, l'uscita raddrizzata (ABSVAL) è essenzialmente un segnale CC che rappresenta la corrente RMS del motore. Questo segnale CC e un comparatore di soglia possono indicare condizioni di sovraccarico del motore prima che si verifichino danni al motore o al controllore (vedere la parte inferiore destra della Figura 5).
Rilevamento di sovratensione:
anche la tensione del bus CC deve essere mantenuta sotto costante controllo. In determinate condizioni operative, un motore può agire da generatore, restituendo un'alta tensione al bus CC attraverso l'alimentazione dell'inverter e/o i diodi di recupero. Questa alta tensione si somma alla tensione CC e forma un picco molto elevato applicato agli IGBT. Questo picco può superare la tensione collettore-emettitore massima dell'IGBT e causare danni.
L'amplificatore di isolamento miniaturizzato (ACPL-C79A) viene spesso utilizzato come sensore di tensione nelle applicazioni di controllo del bus CC (Figura 6). Il progettista deve ridurre la tensione del bus CC per adattarla all'intervallo di ingresso dell'amplificatore di isolamento, scegliendo i valori di R1 e R2 secondo il rapporto appropriato.
In conclusione,
gli amplificatori di isolamento di Avago Technologies offrono un metodo efficace per proteggere gli IGBT da sovracorrente, sovraccarico e sovratensione, oltre alla loro funzione di rilevamento di corrente/tensione. Utilizzando questi dispositivi, insieme a driver di gate multifunzione come l'ACPL-332J, è possibile implementare facilmente uno schema di protezione degli IGBT completo ed economico.
Autore:
A cura di: Hong Lei Chen, Product Manager, Avago Technologies
Riferimenti
1. Scheda tecnica ACPL-332J, Avago Technologies, AV02-0120EN.
2. Hong Lei Chen e Chun Keong Tee, "Utilizzo di optoaccoppiatori gate drive nelle protezioni IGBT", EETimes Europe, dicembre 2010, pp. 28-31.
3. Terje Rogne, "Capacità di cortocircuito dei transistor IGBT (COMFET)", IEEE, 1988.
4. J. Li, R. Herzer, R. Annacker, B. Koenig, "Moderni chipset IGBT/FWD per applicazioni a 1200 V", Semikron Elektronik GmbH, 2007.
5. Scheda tecnica degli amplificatori di isolamento miniaturizzati di precisione ACPL-C79B, ACPL-C79A, ACPL-C790. Avago Technologies, AV02-2460EN.
6. Scheda tecnica HCPL-788J, Avago Technologies, AV02-1546EN.
7. Patrick Sullivan, Denis Kobasevic, “Sensore di corrente intelligente per il controllo degli azionamenti motore.” PCIM Europe, 1998, Vol. 10 n. 4, pp. 182-186.
