SEMIKRON: драйверы для трехфазных инверторов

Адаптер Board SKYPER 12 R to SKHI 61

Адаптер предназначен для замены устаревшего драйвера SKHI 61 в прежних разработках (рис. 1). Его использование позволяет в кратчайшие сроки модернизировать оборудование, а также получить опыт работы с новейшим цифровым устройством управления затворами SKYPER 12 R в типовых инверторных приложениях.

Рис. 1. Адаптер Board SKYPER 12 R to SKHI 61 предназначен для замены драйвера SKHI61 в трехфазных инверторах

Печатная плата SKYPER 12 R => SKHI 61 содержит совместимые с SKHI 61 коннекторы с одной стороны и разъемы для установки трех SKYPER 12 R и пользовательского интерфейса — с другой (рис. 2). Более подробная информация о характеристиках драйвера приведена в [6, 7].

Рис. 2. Драйвер SKHI 61 и адаптер Board SKYPER 12 R to SKHI 61

На плате адаптера предусмотрены посадочные места для установки затворных резисторов включения (R_Gon), выключения (R_Goff) и мягкого выключения (R_soft), а также элементов настройки схемы защиты. Выбор их номиналов зависит от типа IGBT и условий эксплуатации (напряжение, ток, индуктивность DC-шины).

Блок-схема и характеристики адаптера Board SKYPER 12 R to SKHI 61

На блок-схеме (рис. 3) зеленым цветом показаны драйверы SKYPER 12 R, размещаемые на плате адаптера (выделена голубым цветом). Кроме коннекторов для подключения SKYPER 12 R, на плате предусмотрены посадочные места для установки резисторов затворов и элементов схемы защиты (мониторинг напряжения насыщения V_CE).

Рис. 3. Блок-схема адаптера Board SKYPER 12 R to SKHI 61

Адаптер Board SKYPER 12 R => SKHI 61 предназначен для работы в следующих условиях:

• максимальное напряжение DC-шины V_DC = 900 В;
• максимальное выходное линейное напряжение, V_AC = 400 В (rms);
• максимальная частота коммутации, f_sw = 30 кГц;
• диапазон рабочих температур, T_a = 0…+40 °C.

Электрическая развязка между пользовательским интерфейсом и высоковольтными цепями обеспечивается изолирующим трансформатором SKYPER 12 R. Длина пути тока утечки по изолятору и по воздуху между первичным и вторичным каскадом составляет 9 мм. Размеры основания адаптера такие же, как у SKHI 61, — 113,8×56,7 мм, а высота с учетом установки SKYPER 12 R — 38 мм. Для механической фиксации драйверов на плате имеются монтажные отверстия для опорных стоек с двойной защелкой.

В SKYPER 12 R использована традиционная защита от короткого замыкания по выходу IGBT из насыщения (DESAT). Когда напряжение на коллекторе открытого транзистора превышает заданное значение, соответствующее высокому току перегрузки, драйвер выдает сообщение об ошибке. Силовые транзисторы при этом автоматически блокируются в режиме мягкого отключения (Soft Turn-Off).

Установка порогового значения прямого напряжения V_CE(sat) и времени блокировки t_blanc (рекомендации даны в техническом описании драйвера SKYPER 12 R [6]) осуществляется резистором R2 и конденсатором C_CFG типоразмера 0805. Входной резистор R1 (10 кОм, выделен желтым цветом на рис. 4) уже размещен на плате адаптера, R2 и C_CFG устанавливаются пользователем.

Рис. 4. Верхняя сторона платы адаптера. Цветными рамками выделены подборные элементы

Рис. 5. Нижняя сторона платы адаптера, размеры согласованы с SKHI 61

Плата адаптера: настройка и подключение

Для адаптации параметров устройства к конкретным режимам применения на плате адаптера предусмотрена возможность установки ряда подборных элементов. Они выделены цветными рамками на рис. 4, их функциональное назначение описано далее.

На рис. 6 показано размещение резисторов затворов для режимов включения (R_Gon), выключения (R_Goff) и мягкого выключения (R_soft). Блокировка IGBT через R_soft (вместо R_Goff, используемого при обычной коммутации) производится при отключении тока перегрузки. По умолчанию устанавливаются элементы с типовыми номиналами, которые могут быть изменены пользователем для лучшей адаптации к конкретным режимам работы.

Рис. 6. SKYPER 12 R: подключение резисторов затвора

Для каждого резистора затвора предусмотрено два посадочных места (типоразмер MiniMELF или 1206: голубая рамка для R_Gon, оранжевая — для R_Goff, зеленая — для R_soft на рис. 4). Номиналы резисторов и конденсаторов выбирают в зависимости от режимов работы (напряжение и индуктивность DC-шины, частота коммутации, динамические потери и т. д.). По умолчанию установлено два параллельных сопротивления по 1 Ом, таким образом начальная величина R_Gon = R_Goff = 0,5 Ом. Резистор R_soft по умолчанию составляет 1 Ом, однако рекомендуемое значение R_soft ≥ 10R_Goff.

Все шесть каналов адаптера имеют функцию мониторинга напряжения насыщения V_CEsat, на соответствующих входах установлены подтягивающие сопротивления R1 = 10 кОм. Резистор R2, определяющий порог срабатывания защиты DESAT, и конденсатор C_CFG, задающий время блокировки, должны быть выбраны пользователем в соответствии с рекомендациями [5].

При обнаружении состояния перегрузки (выход из насыщения) IGBT должен быть блокирован в течение определенного в специ­фикации времени t_psc. Индикация любой неисправности в высоковольтном каскаде драйвера приводит к мгновенному выключению транзистора через сопротивление R_soft. Одновременно драйвер генерирует сигнал ошибки, который поступает на все остальные каналы управления, блокирующие соответствующие IGBT через номинальные резисторы затвора R_Goff. Описание схемы динамической защиты от перегрузки по току дано в следующем разделе.

В адаптере Board SKYPER 12 R to SKHI 61 предусмотрена возможность включения и выключения функции INTERLOCK, запрещающей одновременное включение обоих IGBT в полумосте [6]. Настройка производится с помощью резисторов R15 и R16 (типоразмер 0805, выделено голубым цветом на рис. 4). При замене R15 на перемычку опция INTERLOCK блокируется, то есть оба канала драйвера могут управляться одновременно. При установке перемычки на место R16 включается INTERLOCK, при этом устанавливается длительность «мертвого времени» 2 мкс.

С помощью резисторов R13 и R14 (типоразмер 0805, выделены зеленым цветом на рис. 4) можно выбрать аналоговый или цифровой способ фильтрации помех во входном ШИМ-сигнале. При установке перемычки вместо R13 выбирают режим цифровой фильтрации, замена R14 на перемычку активирует аналоговый фильтр.

Для подключения управляющего контроллера предназначен разъем X10 (X11 не задействован). Соединение с сигнальными выводами IGBT выполняется с помощью коннекторов X201 (TOP 1), X251 (BOT 1), X401 (TOP 2), X451 (BOT 2), X601 (TOP 3) и X651 (BOT 3).

Минимальная величина резистора затвора определяется перепадом выходных напряжений драйвера: оно меняется в пределах –9…+15 В, то есть разница составляет 24 В. Пиковый выходной ток SKYPER 12 R — I_peak = 20 А, поэтому суммарное сопротивление в цепи затвора должно быть не меньше 1,2 Ом. Эта величина складывается из внутреннего R_Gint (указано в спецификации модуля) и внешних резисторов затвора R_Gon и R_Goff. Они могут быть рассчитаны в соответствии с выражением: R_Gon,min = R_Goff,min = = 1,2 Ом – R_Gint.

Выбор затворных резисторов следует производить с учетом ограничений по пиковой мощности (P_peak = I_peak²/R_G), которая может во много раз превышать номинальное значение. Следует учитывать, что чип-резисторы типоразмера 1206 допускают меньшую импульсную нагрузку, чем MiniMELF. Подробную информацию о выборе затворных сопротивлений можно найти в АN-7003 [4].

Адаптер SKiM 63/93 Adapter Board

В отличие от универсального устройства управления затворами, описанного в предыдущем разделе, адаптерная плата SKiM 63/93 GD SKYPER 42 LJ предназначена для установки на трехфазные модули SEMIKRON SKiM 63/93, имеющие пружинные сигнальные контакты. Адаптер используется совместно с тремя цифровыми драйверами SKYPER 42 LJ R (рис. 7).

Рис. 7.
а) Плата адаптера SKiM 93 GD SKYPER 42 LJ R на модуле SKiM 93,
б) драйвер SKYPER 42 LJ R

Предусмотрена возможность адаптации параметров устройства к используемому силовому модулю и конкретным режимам эксплуатации. Характеристики переключения IGBT оптимизируются путем выбора резисторов затвора R_Gon и R_Goff. Также существует возможность настройки порога и времени срабатывания динамической схемы защиты от перегрузки по току DSCP (Dynamic Short Circuit Protection).

Основные характеристики платы адаптера SKiM 63/93 GD SKYPER 42 LJ:

• управление трехфазными модулями SKiM 63/93 при напряжении DC-шины до 1200 В;
• мониторинг напряжения питания V_DC;
• регулируемая защита от перегрева;
• динамическая защита от перегрузки по напряжению насыщения (DSCP).

Функция защиты от перегрева реализуется при подключении термодатчика к входу SEC_TOP_ERR_IN драйверного ядра SKYPER 42 LJ R. Если температура достигает предельного значения (устанавливается пользователем), драйвер отключает выходной каскад и формирует сигнал ошибки на выводе HALT.

До 2019 года выпускалась версия модуля SKiM 63/93 с термодатчиком NTC, однако по просьбе производителей приводов для электрического и гибридного транспорта он был заменен PTC-сенсором, что требуется для повышения функциональной безопасности приводов. Соответственно, начиная с 2020 года схема защиты от перегрева платы управления предусматривает использование датчика с положительной температурной характеристикой.

Настройка термозащиты адаптера SKiM 63/93 GD SKYPER 42 LJ производится следующим образом:

• определяется пороговая температура, обеспечивающая безопасную эксплуатацию силового модуля в конкретных условиях применения;
• рассчитывается омическое сопротивление сенсора, соответствующее пороговому значению температуры (рекомендации по выбору резистора даны в техническом описании модуля Technical Explanations SKiM 63/93, которое можно скачать на сайте [1]);
• порог срабатывания термозащиты устанавливается резистором R453 на плате адаптера.

Динамическая защита от короткого замыкания (DSCP) контролирует напряжение коллектор-эмиттер V_CE IGBT во включенном состоянии. Для сокращения времени реакции на перегрузку характер изменения опорного сигнала V_CEref согласуется с поведением транзистора при его коммутации. При включении IGBT напряжение V_CE спадает с начального высокого значения (как правило, это напряжение питания V_CC) до уровня насыщения V_CEsat. Как видно на рис. 8, динамическое опорное напряжение V_CEref достигает установившегося значения V_CEstat. Оно регулируется внешним резистором R_Conf в зависимости от максимального напряжения насыщения конкретного IGBT, но не должно превышать 10 В.

Рис. 8.
а) Изменение опорного напряжения VCEref динамической защиты от перегрузки по току (DSCP);
б) подключение внешних элементов схемы DSCP на плате адаптера

В начале процесса включения IGBT уровень V_CE намного больше 10 В, поэтому схема защиты заблокирована на время t_bl, устанавливаемое внешним конденсатором C_Conf. После окончания периода блокировки DSCP активизируется, а при выполнении условия V_CE > V_CEref защита срабатывает и отключает IGBT.

Пример расчета:

R1 = 30,1 кОм

R_Vce = 551 Ом

U_VCE(R_conf,R1,R_Vce) = 15 B×(R_conf/(R_conf + R1)) – R_v×1мА

t_bl(R_conf,R1,C_config) = 60×10^-9c + R1×R_conf/(R_conf + R1)×C_conf×ln(3)

Примечание. Падение напряжения на высоко­вольтном диоде в коллекторе IGBT (рис. 8) не учитывается.

Рекомендуемые значения:

C_conf< 1 нФ

R1+R_conf > 10 кОм

Плата адаптера формирует дифференциальный выходной сигнал U_Out для помехозащищенного измерения напряжения DC-шины на выводах P:03/P:04 (схема показана на рис. 9). Крутизна преобразования составляет 3 мВ/1 В(V_DC) с погрешностью ±2,5% при Т = +25 °С.

Рис. 9. Схема измерения напряжения DC-шины

Заключение

Драйвер IGBT — один из самых ответственных узлов силового каскада, от которого во многом зависит надежность и эффективность работы всей системы. Стремясь к максимальной унификации схемы и конструкции, многие ведущие производители схем управления затворами пришли к идее универсального «ядра», предназначенного для решения широкого круга задач.

Рынок требует непрерывного увеличения эффективности преобразования, что достигается, в частности, за счет параллельного и последовательного соединения модулей и инверторных ячеек. Это предъявляет высокие требования к качеству передачи сигнала и стабильности временных характеристик в широком диапазоне температур и в течение всего срока службы. Платы управления изолированным затвором SKYPER 12 и SKYPER 42LJ, реализующие концепцию «ядра», объединяют преимущества цифровой передачи данных и широкие функциональные возможности. Эти устройства были использованы при разработке трехфазных адаптеров Board SKYPER 12 R to SKHI 61 и SKiM 63/93 GD SKYPER 42 LJ R.

Применение цифровых технологий в драйверах IGBT позволяет существенно улучшить их временные характеристики и показатели надежности, расширить функциональные возможности. В SKYPER 12 реализована передача данных по дифференциальному каналу с помощью пакета высокочастотных импульсов. Благодаря этому удалось уменьшить разброс временных параметров, а также сделать их независимыми от изменения номиналов компонентов схемы и стабильными в течение всего срока службы.