Драйвера предназначенных для управления мощными статическими преобразователями

September 10, 2013 by admin Комментировать »

А теперь мы поговорим о драйверах, предназначенных для управления мощными статическими преобразователями, построенными на дискретных элементах, но с применением вышеназванных драйверных микросхем. К слову, при разработке автором схем статических преобразователей с выходной мощностью 6 и 12 кВт, было принято решение применить драйверы, составленные из дискретных элементов, поскольку на момент разработки в наличии не оказалось подходящихдрайверов в интегральном исполнении. На рис. 2.3.21 показана электрическая принципиальная схема драйвера, используемого в составе преобразователя трехфазного сетевого напряжения 380 В 50 Гц в напряжение трехфазного вида 220 В 400 Гц с выходной мощностью 6 кВт.

Основой схемы служит оптоэлектронный драйвер D2 типа HCPL-3120, обеспечивающий гальваническую развязку схемы управления от силовой схемы. В целях реализации гальванической развязки питания драйвера установлен модульный DC/DC преобразователь D1 с входным номинальным напряжением 15 В и выходным напряжением

24                     В. Разработчикам, которые захотят использовать схему в своих проектах, необходимо учесть, что указанный на рис. 2.3.21 модульный DC/DC преобразователь обеспечивает электрическую прочность изоляции между входом и выходом не менее 1500 В по переменному напряжению частоты 50 Гц и не менее 3500 В по постоянному напряжению. В условиях работы преобразователя DC/DC в составе реального прибора между входом и выходом этого источника гарантированно будет присутствовать напряжение 540 В (выпрямленное напряжение трехфазной сети 380 В 50 Гц), а если принять во внимание* возможные коммутационные выбросы напряжения на паразитных индуктивностях, то и все 1000 В.

Рис. 2.3.21. Первый вариант драйвера на дискретных элементах

Стабилитрон VD1 формирует отрицательное напряжение минус 5 В, «подпирающее» затвор IGBT транзистора в закрытом состоянии. Резистор R2 задает ток перезарядки затвора, резистор R3 снижает импеданс затвора и предотвращает самопроизвольное открытие IGBT прибора в моменты коммутации.

Описываемый драйвер сопрягается с IGBT сборкой типа GA125TSl20U. Конструктивно он представляет собой печатную плату с лепестками «под пайку», с размерами 70 x 70 x 25 мм.

Осциллограмма выходного напряжения драйвера при работе преобразователя на реальную номинальную активно-индуктивную нагрузку

Рис. 2.3.22. Осциллограмма выходных сигналов драйвера

(трехфазные высокоскоростные вентиляторы) приведена на рис. 2.3.22. Частота управляющего ШИМ-сигнала выбрана равной 10 кГц.

Фиксируется хорошая крутизна фронтов и малая величина выбросов напряжения, возникающих вследствие прохождения силовых коммутационных процессов, что свидетельствует о достаточно высоком качестве функционирования драйвера и обеспечении им основной функции управления.

Теперь настало время влить ложку дегтя в бочку меда, то есть рассказать о недостатках такого драйвера. Во-первых, его габаритные размеры оказалисьдостаточно большими: для комплектования преобразователя, имеющего в своем составе трехфазный управляемый мост, необходимо шесть таких драйверных плат (по две на управление каждым IGBT модулем). Все бы ничего, но когда плата сопоставима по габаритным размерам с самим IGBT модулем, это обстоятельство в значительной степени осложняет компоновку силового инвертора, сокращает возможности доступа к отдельным узлам для регулировки, ремонта и т. д. Во-вторых, описываемый драйвер не имеет никаких функциональных узлов защиты от возникновения аварийных режимов, а значит, силовую схему преобразователя придется «нагружать» дополнительными датчиками, обнаруживающими перегрузку, короткое замыкания, выход силовых транзисторов из состояния насыщения. Кроме этого, сигналы датчиков должны схемотехнически обрабатываться для принятия решений об отключении или о переводе в режим ограничения.

Драйвер, схема которого приведена на рис. 2.3.23, имеет два идентичных гальванически развязанных канала. Питание каналов осуществляется высокочастотным преобразователем прямоходового типа на основе микросхемы D7. На элементах Dl…D4 построен монитор для схемы защиты от провалов питающего напряжения. Зачем он нужен? Дело в том, что IGBT транзистор, как и любой другой транзистор биполярного типа, может переходить из области насыщения в активную область работы, что ведет к значительному повышению рассеяния тепла на нем и, как следствие, выходу из строя. Работающий в условиях

Рис. 2.3.23. Второй вариант драйвера на дискретных элементах

стабильного питающего напряжения преобразователь однозначно обеспечит ключевой режим коммутации, а вот при кратковременных провалах сетевого напряжения (особенно при питании его схем управления от быстро сбрасывающих выходное напряжение высокочастотных источников напряжения собственных нужд) легко может наступить отказ. Введенный в схему драйвера монитор отслеживает напряжение его питания и вырабатывает сигнал отключения при снижении этого напряжения ниже опасного уровня.

Описываемый здесь драйвер осуществляет управление IGBT сборками полумостового типа CM200DY-24A (производитель — фирма «Mitsubishi electric»), обладающими достаточно большой входной емкостью затвора, поэтому потребовалось умощнить выход драйвера транзисторными усилителями тока на элементах VTl…VT4. Таким образом, схемотехнически удалось обеспечить импульсный ток управления не ниже 5 А.

Конструктивно драйвер размещен на плате с размерами 80 x 80 мм, что говорит о почти двукратном сокращении габаритов по сравнению с ранее описанным вариантом (см. рис. 2.3.21). К сожалению, в этом случае также просматривается ряд недостатков как схемотехнического, так и технологического характера. Главный технологи ческий недостаток вызван необходимостью использования трансформатора T1 собственного изготовления. Трансформатор разработан в малогабаритном исполнении, магнитопроводом служит ферритовый сердечник броневого типа. Как было уже сказано ранее, межобмоточная изоляция трансформатора должна обеспечивать стойкость к испытательному напряжению не менее 1500 В, что реализовать достаточно сложно, если изготовитель лишен возможности выполнить качественную вакуумную пропитку трансформаторной катушки.

Рассмотрим теперь схемотехнические недостатки. Они выражаются в отсутствии отдельных полезных защитных функций, которыми ведущие мировые производители «нагружают» свои драйверы, исходя из опыта эксплуатации силовой техники. Для пояснения обратимся к рис. 2.3.24. Как показывает практика, более эффективный вариант управления IGBT транзисторами заключается в раздельном задании токов заряда и разряда входных затворных емкостей. На рис. 2.3.24 токи заряда и разряда задаются резисторами R1 и R2 (для «верхнего» плеча), а также резисторами R3 и R4 (для «нижнего» плеча). Кроме того, значительное внимание уделяется контролю величины напряжения насыщения транзисторов. Схемотехнически эта часть имеет электрические связи «контроль 1» и «контроль 2», подключающие коллекторы транзисторов к драйверным узлам контроля. Оправдана ли эта идея? Несомненно, и вот почему. Разработчикам силовой техники хорошо известно, что достаточно трудно обеспечить незамедлительное аварийное отключение силовой части преобразователя при возникновении токовой перегрузки. Классический метод контроля основан на применении датчика тока на основе эффекта Холла (датчика Холла) или резистивных шунтов, сигнал с которых обрабатывается электронной схемой защиты. Но, как показала мировая практика, в качестве такого датчика можно использовать непосредственно силовой переход «коллектор—эмиттер» IGBT транзистора, отслеживая величину напряжения насыщения на нем (мы об этом уже говорили).

В полумостовых преобразовательных схемах необходимо также принимать специальные меры по предотвращению возникновения «сквозных» токов вследствие одновременного открытия транзисторов «верхнего» и «нижнего» плеча. Эта функция в составе интегральных драйверов также легко реализуема, причем величину «мертвого времени» (паузы между моментами коммутации VT1 и VT2) можно регулировать с помощью внешних элементов (резисторов или конденсаторов).

На отечественном рынке электронных компонентов сегодня в достаточном количестве присутствует широкая номенклатура импортных интегральных драйверов, обеспечивающих все перечисленные выше функции, и даже некоторые другие второстепенного свойства, о которых мы здесь просто не упоминаем. Учитывая это, производители преобразовательной техники общепромышленного исполнения не тратят попусту времени на разработку уникальных драйверов, а просто покупают готовые. Но разработчикам специальной техники, особенно тем, кто работает в рамках госзаказов, жить в данном изобилии ничуть не легче: спецтехника традиционно должна содержать только отечественную комплектацию, изготовленную для работы в жестких условиях (например, с приемкой «5»). Почему не легче — объясняется просто: одних принципиально-важных отечественных элементов пока не разработано, другие находятся на стадии разработки, и неизвестно, когда закончится их освоение в серийном производстве. Поэтому в ряде случаев разработчики спецтехники просто вынуждены использовать элементы общепромышленного исполнения, поставляемые с приемкой «1» (приемкой OTK), но фактически — по своим параметрам — удовлетворяющие жестким условиям эксплуатации. Заметим также, что отечественные элементы могут быть интересны и производителям коммерческой электроники с точки зрения сокращения расходов на приобретение и снижения конечной себестоимости продукции.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты