На рисунке 1 показана типичная блок-схема преобразователя мощности в блоке управления двигателем переменного тока. Он состоит из инвертора, который преобразует напряжение шины постоянного тока в переменный ток с переменной частотой для привода двигателя. IGBT-транзисторы — это дорогостоящие силовые переключатели, составляющие основу инвертора. Эти силовые устройства должны работать на высокой частоте и выдерживать высокие напряжения.
Изолирующие усилители, такие как ACPL-C79A, показанный на рисунке 1 (см. вставку), работают совместно с шунтирующими резисторами для обеспечения точных измерений тока в преобразователях мощности, даже при наличии высокого уровня коммутационных помех. При использовании с резистивным делителем изолирующие усилители функционируют как прецизионные датчики тока для контроля напряжения шины постоянного тока. Информация о токе и напряжении от изолирующих усилителей собирается микроконтроллером, который использует эти данные для расчета возвращаемых значений и выходных сигналов, необходимых для эффективного управления и обработки неисправностей преобразователей мощности.
Требования к защите от неисправностей:
В инверторе IGBT-транзисторы являются самыми дорогими компонентами, поэтому целесообразно обеспечить максимально надежную защиту от потенциальных повреждений. Изолирующие усилители обеспечивают быстрое обнаружение неисправностей, а алгоритмы, выполняемые микроконтроллером, могут предотвратить выход IGBT-транзисторов из строя из-за этих неисправностей. Кроме того, оптическая изоляция в усилителях предотвращает перегрузку микроконтроллера и его выход из строя.
Однако защита IGBT должна быть экономически эффективной — рынок продолжает требовать достаточной защиты IGBT от неисправностей по цене, которая не оказывает существенного влияния на общую стоимость системы управления двигателем. Для удовлетворения этого спроса были разработаны драйверы цепей управления затворами IGBT (например, ACPL-332J [1]) и датчики тока с защитными функциями для обнаружения основных неисправностей, в дополнение к их функциям управления и обнаружения. Эти продукты обеспечивают экономически эффективную схему реализации защиты IGBT и устраняют необходимость в отдельных компонентах обнаружения и обратной связи. См. ссылки [1], [2] для получения подробной информации о функциях защиты, интегрированных с драйверами цепей управления затворами, и о том, как реализовать эти функции защиты. Остальная часть этой статьи будет посвящена некоторым функциям защиты от неисправностей, которые могут быть реализованы с помощью датчиков тока/напряжения, как указано в таблице 1.
Обнаружение перегрузки по току:
Перегрузки по току в IGBT могут возникать из-за межфазного короткого замыкания, короткого замыкания между фазой и землей или тока короткого замыкания. Изолирующие усилители, подаваемые на выходные фазы и шину постоянного тока, обеспечивают обнаружение неисправностей в дополнение к измерению тока (см. рис. 1). Время работы обычных IGBT при коротком замыкании составляет до 10 мс [3, 4]. Для обеспечения эффективной защиты этот предел не должен быть превышен. В пределах этого предела неисправность должна быть обнаружена, передана контроллеру, и процедура отключения должна быть завершена в течение этого времени. Для выполнения этого требования в изолирующих усилителях используются различные методы.
Например, ACPL-C79A имеет быстрое время отклика 1,6 мкс для ступенчатого входного сигнала. Это позволяет усилителю улавливать переходные процессы в условиях короткого замыкания и перегрузки (см. рис. 2) [5]. Задержка распространения сигнала от входного сигнала до выхода составляет всего 2 мкс, а выходному сигналу требуется всего 2,6 мкс, чтобы сравняться с входным сигналом, достигнув 90% от конечного уровня.
В дополнение к быстрому времени отклика, ACPL-C79A обеспечивает точность усиления ±1%, превосходную нелинейность 0,05% и отношение сигнал/шум (SNR) 60 дБ. Также доступны ACPL-C79B, который предлагает более высокую точность усиления ±0,5%, и ACPL-C790, который имеет допуск усиления ±3%. Все устройства семейства ACPL-C79A сертифицированы на выдерживание пикового напряжения изоляции 1230 В и способны подавлять синфазные переходные помехи до 15 кВ/мкс. Эти характеристики реализованы в корпусе SO-8, который на 30% меньше стандартного корпуса DIP-8.
Другой пример — HCPL-788J, который использует другой подход для достижения быстрого отклика при обнаружении перегрузки по току (рис. 3) [6, 7]. В дополнение к выходному сигнальному каналу, он имеет сигнал неисправности, который быстро переключается с высокого уровня на низкий, указывая на состояние перегрузки по току. Этот изолирующий усилитель обеспечивает точность измерения ±3%.
В проектировании систем обратной связи при неисправностях одной из проблем, требующих решения, является срабатывание защиты от помех. Срабатывание защиты от помех — это ложное срабатывание системы обнаружения неисправности при отсутствии каких-либо явных признаков неисправности, которые могли бы повредить IGBT-транзисторы. Для предотвращения ложных срабатываний в HCPL-788J используется схема импульсного дискриминатора, эффективно подавляющая влияние неисправностей типа di/dt и dv/dt. Преимущество этого метода заключается в том, что подавление не зависит от амплитуды, а это значит, что пороговое значение неисправности может быть установлено на гораздо более низком уровне без увеличения риска срабатывания защиты от помех.
В реализации схемы быстрого обнаружения неисправностей в блоке обнаружения неисправностей используются два компаратора для определения отрицательных и положительных порогов неисправности. Порог переключения равен опорному сигналу сигма-дельта модулятора 256 мВ. Выходы этих компараторов подключены к фильтрам подавления с периодом подавления 2 мс и затем передаются в блок кодировщика.
Для обеспечения максимально быстрой передачи состояния неисправности через границу изоляции используются две уникальные цифровые кодирующие последовательности для представления состояния неисправности: один код для отрицательного уровня и другой для положительного уровня. При обнаружении неисправности обычная передача данных по оптическому каналу прерывается, и битовый поток заменяется кодом неисправности. Эти два кода неисправности значительно отличаются от обычного режима кодирования, поэтому на стороне детектора декодер немедленно распознает коды как состояния неисправности [7].
Время, необходимое декодеру для обнаружения и передачи состояния неисправности через границу изоляции, составляет приблизительно 1 мс. Добавление задержки в 400 нс к фильтру сглаживания приводит к задержке распространения в 1,4 мс. Задержка между событием неисправности и выходным сигналом неисправности представляет собой сумму задержки распространения и периода подавления (2 мс), в результате чего общее время обнаружения неисправности составляет 3,4 мс (см. рис. 4).
Выходной сигнал неисправности позволяет объединять сигналы неисправности от нескольких устройств, что позволяет соединять (или подключать) несколько частей для создания единого сигнала неисправности (см. верхний правый угол рис. 5) [6]. Затем этот сигнал может быть использован для непосредственного отключения ШИМ-входов через контроллер.
Обнаружение перегрузки.
Состояние перегрузки означает ситуацию, когда ток двигателя превышает номинальный ток устройства, но не настолько, чтобы это непосредственно угрожало инвертору или двигателю отказом, например, в случае механической перегрузки двигателя или остановки двигателя в результате выхода из строя подшипника.
Как правило, помимо номинальной мощности, инверторы имеют дополнительную защиту от перегрузки. Длительность допустимой перегрузки зависит от временного интервала до возникновения проблемы перегрева. Типичная допустимая перегрузка составляет 150% от номинальной нагрузки в течение до одной минуты.
Микросхема ACPL-C79A принимает полный диапазон входного напряжения ±300 мВ, а технические характеристики, указанные в техническом описании, основаны на номинальном диапазоне входного напряжения ±200 мВ. Разработчик может выбрать пороговое значение перегрузки на любом из этих значений или где-то между ними. Если точность измерения тока перегрузки при пороговом значении около 300 мВ менее критична по сравнению с точностью измерения тока при нормальном рабочем напряжении, что часто бывает, это хороший выбор, поскольку он позволяет в полной мере использовать динамический диапазон входного напряжения изолирующего усилителя. Однако установка порогового значения на уровне 200 мВ гарантирует точность измерения тока перегрузки. После определения уровней напряжения разработчик должен выбрать соответствующее значение измерительного резистора в зависимости от соответствующего уровня тока.
Микросхема HCPL-788J включает в себя дополнительную функцию — выход ABSVAL, который позволяет упростить схему обнаружения перегрузки. Схема ABSVAL выпрямляет выходной сигнал, обеспечивая выходной сигнал, пропорциональный абсолютному уровню входного сигнала, согласно формуле:
ABSVAL = |ENT V| *REF V,EXT / 252mV
Этот выход также может быть подключен (с помощью операции ИЛИ). При объединении трех синусоидальных фаз от двигателя выпрямленный выход (ABSVAL) по сути представляет собой сигнал постоянного тока, отражающий среднеквадратичное значение тока двигателя. Этот сигнал постоянного тока и пороговый компаратор могут указывать на перегрузку двигателя до того, как произойдет повреждение двигателя или контроллера (см. нижний правый угол рисунка 5).
Обнаружение перенапряжения:
Напряжение шины постоянного тока также должно постоянно контролироваться. В определенных условиях эксплуатации двигатель может работать как генератор, возвращая высокое напряжение на шину постоянного тока через источник питания инвертора и/или восстановительные диоды. Это высокое напряжение суммируется с напряжением постоянного тока и образует очень большой скачок, подаваемый на IGBT-транзисторы. Этот скачок может превысить максимальное напряжение коллектор-эмиттер IGBT-транзистора и привести к его повреждению.
Миниатюрный изолирующий усилитель (ACPL-C79A) часто используется в качестве датчика напряжения в системах управления шиной постоянного тока (рис. 6). Разработчику необходимо уменьшить напряжение шины постоянного тока, чтобы оно соответствовало входному диапазону изолирующего усилителя, выбрав значения R1 и R2 в соответствующем соотношении.
В заключение,
изолирующие усилители Avago Technologies обеспечивают эффективный метод защиты IGBT-транзисторов от перегрузки по току, перегрузки и перенапряжения, в дополнение к их функции измерения тока/напряжения. Использование этих устройств, наряду с многофункциональными драйверами затвора, такими как ACPL-332J, позволяет легко реализовать экономичную и комплексную схему защиты IGBT-транзисторов.
Автор:
Автор: Хонг Лэй Чен, менеджер по продуктам, Avago Technologies
Ссылки
1. Техническое описание ACPL-332J, Avago Technologies, AV02-0120EN.
2. Хонг Лей Чен и Чун Кеонг Ти, «Использование оптопар для управления затвором в защите IGBT», EETimes Europe, декабрь 2010 г., стр. 28-31.
3. Терье Рогне, «Способность IGBT (COMFET) транзисторов к короткому замыканию», IEEE, 1988 г.
4. Дж. Ли, Р. Херцер, Р. Аннакер, Б. Кениг, «Современные наборы микросхем IGBT/FWD для применений на 1200 В», Semikron Elektronik GmbH, 2007 г.
5. Техническое описание прецизионных миниатюрных разделительных усилителей ACPL-C79B, ACPL-C79A, ACPL-C790. Avago Technologies, AV02-2460EN.
6. Техническое описание HCPL-788J, Avago Technologies, AV02-1546EN.
7. Патрик Салливан, Денис Кобасевич, «Интеллектуальный датчик тока для управления приводом двигателя». PCIM Europe, 1998, том 10, № 4, стр. 182-186.
