Oszczędności dzięki inteligentnym sterownikom bramek

W ofercie firmy Codico dostępne są innowacyjne sterowniki bramek IGBT opracowane przez firmę Power Integrations pod nazwą SCALE-iDriver™. Rozwiązanie to pozwala na uzyskanie licznych korzyści w inwerterach do zasilania silników. W niniejszym artykule zostały opisane możliwości ograniczenia kosztów rozwiązania, jakie można osiągnąć dzięki zastosowaniu tych układów.

 

Wyłączanie tranzystora IGBT ujemnym napięciem z użyciem zasilania unipolarnego.

Pomysł sterowania IGBT przy użyciu zasilania unipolarnego nie jest nowy. Do tej pory problem stanowił fakt, iż napięcie wyłączające jest równe 0 V, ale nie ujemne. Wiele istniejących rozwiązań zawodziło ze względu na włączanie się zjawisk pasożytniczych pod wpływem dV/dt. Typowe napięcie progowe tranzystora bipolarnego wynosi 6 V. Jeśli pasożytnicze napięcie o wartości 6 V pojawi się między bramką a emiterem, tranzystor może się włączyć i zatrzymać pracę systemu.

Układ SCALE-iDriver ma zintegrowany stabilizator dostarczający napięcie włączenia. Dzięki temu napięcie zasilania może być niestabilizowane w zakresie 22 – 30 V (Vtot). Układ SCALE-iDriver generuje stabilne napięcie +15 V włączające tranzystor. Napięcie wyłączenia jest różnicą między napięciem zasilania i generowaną wartością +15 V.

na przykład:  Vtot = 22 V =>Voff = -(22 – 15) = -7 V

 

Oszczędności

  • Stosowanie prostego transformatora (wkrótce w ofercie Power Integrations)
  • Mniejsza liczba elementów prostujących w obwodzie DC/DC
  • Brak potrzeby stosowania zewnętrznego stabilizatora
  • Brak potrzeby stosowania diod ograniczających napięcie bramka-emiter – wystarczy pojedyncza dioda między bramką a wyjściem +15 V.

 

Ograniczenie izolacji czujników dzięki wzmocnionej izolacji sterownika bramki, zgodnej ze standardem VDE 0884-1/17

Większość sterowników napędu używa czujników prędkości obecnych w silnikach lub mierników prądu, aby uzyskać informacje o stanie silnika. Z punktu widzenia opłacalności nie jest korzystne przesyłanie tych sygnałów przez barierę izolacyjną do mikroprocesora podłączonego do wysokiego napięcia. Optymalizacja kosztów (i często jednocześnie względy techniczne) sugerują, że najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie mikroprocesora podłączonego do potencjału masy (rys.1). W takiej sytuacji potrzebny jest izolowany sterownik bramki o zwiększonej wytrzymałości.

Rys. 1.

W układzie SCALE-iDriver wzmocnioną izolację galwaniczną uzyskano dzięki zastosowaniu innowacyjnego izolatora stałego FluxLink. Jest to technologia oparta na indukcji magnetycznej, która służy do przesyłania sygnału sterującego PWM ze strony pierwotnej na wtórną. Dzięki tej technologii SCALE-iDriver zapewnia bezpieczną izolację między stroną pierwotną (LDI) a wtórną (IGD), nawet jeśli układ po stronie wtórnej eksplodował na skutek uszkodzenia IGBT (rys. 2).

Rys. 2.

Oszczędności

  • Brak potrzeby stosowania dodatkowej bariery izolacyjnej dla sterownika i obwodu sygnału zwrotnego
  • Niższy koszt izolacji dla innych czujników
  • Prostsze testy zgodności i certyfikacji
  • Możliwość stworzenia inwerterów o wyższej jakości

 

Tabela 1

Mniejsza liczba komponentów potrzebna do uzyskania wymaganych wartości prądów szczytowych

Układ SCALE-iDriver jest dostępny w wersjach o wydajności prądowej 2,5 A, 5 A oraz 8 A. 8 A na wyjściu to najwyższa wartość wśród sterowników bramki oferowanych obecnie na rynku. Do wartości prądu 8 A nie ma potrzeby stosowania zewnętrznych wzmacniaczy. Prąd ten jest stabilizowany i dostępny w całym zakresie temperatur otoczenia od -40°C do +125°C. Włączenie i wyłączenie tranzystora jest obsługiwane przez dwa osobne piny – nie ma potrzeby stosowania do tej operacji zewnętrznej diody. Stabilizacja prądu w całym zakresie temperaturowym nie wymaga również zewnętrznego rezystora bramki.

 

Oszczędności

  • Brak potrzeb stosowania dodatkowego wzmacniacza do poziomu 8 A
  • Brak potrzeby stosowania diody pomiędzy rezystorami RGon i RGoff
  • Nie jest niezbędny rezystor bramki.

 

Wykorzystanie mniejszych IGBT

Układ SCALE-iDriver ma stopień wyjściowy z n-kanałowym tranzystorem MOSFET, dzięki czemu posiada on niską impedancję wyjściową. Układ ten – w porównaniu do innych sterowników o takim samym prądzie nominalnym – pozwala dostarczyć wyższy prąd wyjściowy przy wykorzystaniu tych samych rezystorów bramki. Pomiary wykazały, że pozwala to obniżyć straty włączenia (Eon) tranzystora IGBT nawet o 70%. Natomiast straty wyłączenia (Eoff) pozostają bez zmian. W zależności od częstotliwości kluczowania i kryteriów projektowych decydujących o wyborze prądu IGBT, dzięki ograniczeniu strat przełączania można wybrać mniejszy i tańszy tranzystor.

Rys. 3.

Oszczędności

  • Zastosowanie mniejszego tranzystora

 

Zintegrowana ochrona nadprądowa: mniejsza ilość czujników.

Ochrona IGBT przed nadmiernym prądem jest niezbędna w sterownikach napędów. Dzięki proponowanemu rozwiązaniu można użyć w tym celu mniej czujników prądu i układów elektronicznych. Większość systemów z IGBT do ochrony przed zniszczeniem wykorzystuje technologię wykrywania wyjścia ze stanu nasycenia (DESAT). Zasada jej działania opiera się na obserwacji czy IGBT wychodzi z nasycenia przy prądzie około czterokrotnie wyższym od nominalnego. Wówczas przechodzi w stan wysokiej impedancji a napięcie kolektor-emiter (Vce) wzrasta do napięcia w stanie ustalonym (DC). Detekcja DESAT pozwala wykryć to zjawisko i bezpiecznie wyłączyć tranzystor bipolarny. Niestety klasyczna implementacja DESAT może powodować niewłaściwą reakcję ze względu na niezerowy czas stabilizacji diody – szczególnie w systemach z dynamicznymi obciążeniami, takimi jak serwomechanizmy, które ignorują początkowe, niestabilne stany napięcia (blankingtime).

Dlatego właśnie większość producentów inwerterów zrezygnowała z funkcji DESAT i stosuje inne rozwiązania, takie jak pomiar prądu za pomocą kosztownych czujników. Niestety potrzebny jest czujnik dla każdej fazy – na przykład inwerter trójfazowy wymaga stosowania trzech czujników. W idealnym przypadku projekt układu powinien zapewnić wyłączenie tranzystora bipolarnego, zanim dwukrotnie przekroczy on wartość prądu nominalnego. To wymaga jednak dużego wysiłku inżynierów i adaptacji oprogramowania dla każdego napędu silnika osobno. Detekcja DESAT zrealizowana w sterowniku SCALE-iDriver ignoruje krótkie impulsy napięcia, a jednocześnie pozwala zapewnić ochronę przed zbyt dużym prądem również w serwomechanizmach. Gdy wykryte zostanie zdarzenie DESAT, układ SCALE-iDriver wyłączy tranzystor za pomocą opatentowanej funkcji ASSD (Advanced Soft Shut Down). Zasada działania ASSD opiera się na sprzężeniu zwrotnym w zamkniętej pętli, która nie wykorzystuje żadnych zewnętrznych komponentów. Wykryte zwarcie zostanie zgłoszone na wyprowadzeniu SO po stronie pierwotnej. Aby obsłużyć problem zbyt wysokiego prądu sterownika nie ma potrzeby znajomości prądu każdej fazy. Prąd systemu trójfazowego można zatem zmierzyć przy pomocy układu Arona, który potrzebuje tylko dwóch mierników prądu.

 

Oszczędności

  • Stosowanie szeregu rezystorów zamiast diod wysokonapięciowych
  • Prostsze pomiary prądu i przetwarzanie sygnału
  • Wymagane są tylko dwa czujniki prądu dla obwodu AC
  • Brak potrzeby dostosowania oprogramowania do różnych wartości prądu

 

Inne korzyści ze stosowania SCALE-iDriver:

  • Wejścia 5 V CMOS, wyjścia typu otwarty dren
  • Blokada w przypadku zbyt niskiego napięcia po stronie pierwotnej i wtórnej
  • Praca w zakresie temperatur otoczenia od -40°C do 125°C
  • Maksymalna temperatura obudowy 150°C,
  • Możliwość użycia płytek dwuwarstwowych
  • Certyfikat UL (E358471)
  • Wysoka częstotliwość kluczowania do 250 kHz
  • Dobra kompatybilność elektromagnetyczna

 

Kontakt z dystrybutorem produktów Power Integrations: Paweł Pajda – przedstawiciel CODICO w Polsce, Pawel.Pajda@codico.com, tel. +48 124171083.

 

O autorze

Field Application Engineer, POWER INTEGRATIONS GmbH