1. Принцип работы

Интеллектуальные силовые модули (IPM) объединяют в одном устройстве силовой ключ (одиночный, полумостовой или 3-фазный мостовой), драйвер, оптимизированный по сигналам управления, и устройство защиты. Минимальные длины линий связи позволяют получить низкие значения распределенных индуктивностей, что уменьшает уровень переходных перенапряжений и уровень EMI. Хорошая тепловая связь элементов кристалла повышает надежность работы схемы защиты.

Силовые силиконовые кристаллы IGBT размещаются на керамической подложке {DCB - А120з - керамика), являющейся электроизолирующим и теплопроводящим слоем. Нижняя сторона этого слоя покрыта методом напыления сплошной медной фольгой, верхняя сторона представляет собой печатную плату, на которой выполняются соединения силовых ключей, элементов управления (драйвер, компаратор, тепловая защиты и пр.) и управляющих выводов. Минимальные линии связей дают малые значения распределенных индуктивностей, что уменьшает уровень переходных напряжений. Надежность работы модуля оценивают областью безопасной работы (ОБР или SOA). Этот показатель определяет допустимые сочетания токов и напряжений, при которых не нарушается безопасная работа модуля, поэтому схема защиты ограничивает режимы модуля не по предельному току, а по параметрам ОБР. Для IPM задаются два вида ОБР: ОБР для короткого замыкания (SCSOA) и ОБР для импульсного режима (SSOA ). SSOA задает ограничения на ток и напряжение, одновременно действующие при отключении модуля. Алгоритмы работы драйвера и настройки системы защиты IPM исключают недопустимые сочетания тока и напряжения. Безопасным для ЙСМ считается режим, когда напряжение питания не превышает определенного для него напряжения источника питания Ucc, а перенапряжение при выключении не превышает предельного значения напряжения коллектор - эмиттер Uces. SCSO А гарантирует безопасную работу в однократном режиме короткого замыкания (к. з.) при напряжении питания ниже значения исс, при перенапряжении в цепи коллектор - эмиттер каждого модуля, меньше Uces, и температуре кристалла модуля ниже 125 С. Термин «однократное к. з.» подразумевает, что число к. з. ограничено (его значение приводится в технической характеристике на модуль) и время между к. з. значительно больше времени тепловой постоянной кристалла.

Современный интеллектуальный силовой модуль IPM содержит скоростные IGBT, соединенные определенной конфигурацией, схему управления ими, оптимизированную по характеристикам управления затвором этих транзисторов, схему защиты от перегрузок и схему индикации состояния модуля. Схема защиты анализирует режимы: перегрузки по току (overload), короткого замыкания нагрузки (SC), пробоя (breakdown), падение напряжения управления (UVTO) и перегрев модуля (overheat). Конфигурации соединений IGBT в силовом блоке могут быть по: полумостовой схеме, трехфазной мостовой схеме, трехфазной транзисторной мостовой схеме с тормозным транзистором, трехфазной транзисторной мостовой схеме, схеме трехфазного выпрямителя, а также одиночный IGBT-модуль. В IPM встроен драйвер, оптимизированный по сигналам управления, и устройство защиты от: короткого замыкания; максимального тока; потери напряжения питания; а также имеется тепловая защита. Модуль представляет собой многослойную конструкцию (рисунок 1).

Силовые силиконовые кристаллы IGBT размещаются на керамической подложке (DCB - Al2O3 - керамика), являющейся электроизолирующим и теплопроводящим слоем. Нижняя сторона этого слоя покрыта методом напыления сплошной медной фольгой, верхняя сторона представляет собой печатную плату, на которой выполняются соединения силовых ключей, элементов управления (драйвер, компаратор, тепловая защиты и пр.) и управляющих выводов. Минимальные линии связей дают малые значения распределенных индуктивностей, что уменьшает уровень переходных напряжений. Надежность работы модуля оценивают областью безопасной работы (ОБР или SOA). Этот показатель определяет допустимые сочетания токов и напряжений, при которых не нарушается безопасная работа модуля, поэтому схема защиты ограничивает режимы модуля не по предельному току, а по параметрам ОБР. Для IPM задаются два вида ОБР: ОБР для короткого замыкания (SCSOA) и ОБР для импульсного режима (SSOA). SSOA задает ограничения на ток и напряжение, одновременно действующие при отключении модуля. Алгоритмы работы драйвера и настройки системы защиты IPM исключают недопустимые сочетания тока и напряжения. Безопасным для IPM считается режим, когда напряжение питания не превышает определенного для него напряжения источника питания Ucc, а перенапряжение при выключении не превышает предельного значения напряжения коллектор - эмиттер Uces. SCSOA гарантирует безопасную работу в однократном режиме короткого замыкания (к. з.) при напряжении питания ниже значения Ucc, при перенапряжении в цепи коллектор - эмиттер каждого модуля, меньше Uces, и температуре кристалла модуля ниже 125°С. Термин «однократное к. з.» подразумевает, что число к. з. ограничено (его значение приводится в технической характеристике на модуль) и время между к. з. значительно больше времени тепловой постоянной кристалла.

Структурная схема одиночного IPM приведена на рисунке 2. При отклонении от нормы перечисленных параметров схема защиты выключает силовой транзистор и выдает сигнал неисправности. В полумостовых и мостовых конфигурациях IPM отключаются транзисторы нижнего уровня.

В качестве примера на рисунке 3 приведена структурная схема модуля IPM трехфазного инвертора, работающего в режиме ШИМ формирования выходного напряжения (выводы U-V-W).

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание блоков «Защита 1» и «Защита 2» приведено на рисунке 4, а и б. При работе инвертора совместно с асинхронным двигателем для ограничения напряжения в звене постоянного тока Ud в генераторных режимах предусматривается цепь гашения рекуперируемой двигателем энергии. Она представляет собою внешний резистор R, присоединяемый к точкам 1 и 2 модуля, и транзистор VT3. Значение сопротивления внешнего резистора рассчитывается в зависимости от мощности двигателя, а характер коммутации транзистора VT3 определяется интенсивностью генераторных процессов. Обязательным для модуля инвертора является наличие цепей защиты (снабберов) IGBT от коммутационных перенапряжений. Для трехфазных мостовых схем достаточна установка одной емкости С в снаббере (рисунок 3). Для полумостовой схемы применяется RCD-снаббер, присоединенный к каждой полумостовой схеме (рисунок 4, в). Для одиночных модулей, рисунок 2, применяется RCD-снаббер, присоединенный к каждому силовому ключу (рисунок 4, г).

В модуле инвертора используются две внутренних обратных связи - по току id и напряжению Ud. Для сложных структур системы автоматического управления координатами электропривода применяются обратные связи по токам фаз двигателя и обратная связь по положению ротора двигателя, причем значение скорости вычисляется микропроцессором. Для управления координатами технологического процесса используются внешние сигналы: по аналоговым входам, по дискретным входам через модуль ввода-вывода SPI или по последовательному порту CAN от внешних «интеллектуальных» устройств.

Питание обмоток фаз двигателя в вентильно-индукторных электроприводах ВИП с самоподмагничиванием осуществляется однополярными импульсами тока. Для этого на выходе преобразователя применяется коммутатор, а не инвертор. Коммутатор обеспечивает подачу напряжения звена постоянного тока Ud поочередно на обмотки двигателя по информации датчика о положении ротора. При необходимости коммутатор может ограничивать ток в обмотках двигателя, работающего в режиме широтно-импульсного регулирования, поэтому он состоит из ряда одинаковых преобразователей постоянного тока, число которых равно числу фаз двигателя.