Сучасний інтелектуальний силовий модуль ΙΡΜ містить швидкісні IGBT, зєднані певною конфігурацією, схему управління ними, оптимізовану за характеристиками управління затвором цих транзисторів, схему захисту від перевантажень і схему індикації стану модуля Схема захисту аналізує режими: перевантаження по струму (overload), короткого замикання навантаження (SC), пробою (breakdown), падіння напруги управління (UVTO) і перегрів модуля {overheat) Конфігурації зєднань IGBT в силовому блоці можуть бути по: напів-бруківці схемою, трифазної мостовою схемою, трифазної транзисторної бруківці схемою з гальмівним транзистором, трифазної транзисторної бруківці схемою, схемою трифазного випрямляча, а також одиночний / (/ / С /-модуль В IPM вбудований драйвер, оптимізований за сигналами управління, і пристрій захисту від: короткого замикання максимального струму втрати напруги живлення а також є тепловий захист Модуль являє собою багатошарову конструкцію (рис 31)

Рис 31 Варіант конструкції інтелектуального силового модуля

Силові силіконові кристали IGBT розміщуються на керамічній підкладці {DCB – А120З – кераміка), що є електроізолюючим і теплопровідними шаром Нижня сторона цього шару покрита методом напилення суцільний мідною фольгою, верхня сторона являє собою друковану плату, на якій виконуються зєднання силових ключів, елементів управління (драйвер, компаратор, теплова захисту і пр) і керуючих висновків Мінімальні лінії звязків дають малі значення розподілених індуктивностей, що зменшує рівень перехідних напруг Надійність роботи модуля оцінюють областю безпечної роботи (ОБР або SOA) Цей показник визначає допустимі поєднання струмів і напруг, при яких чи не порушується безпечна робота модуля, тому схема захисту обмежує режими модуля не за граничним току, а за параметрами ОБР Для IPM задаються два види ОБР: ОБР для короткого замикання (SCSOA) і ОБР для імпульсного режиму (SSOA) SSOA задає обмеження на струм і напруга, одночасно діють при відключенні модуля Алгоритми роботи драйвера і налаштування системи захисту IPM виключають неприпустимі поєднання струму і напруги Безпечним для ΙΡΜ вважається режим, коли напруга живлення не перевищує визначеного для нього напруги джерела живлення Ucc, А перенапруга при виключенні не перевищує граничного значення напруги колектор – емітер Uces SCSO А гарантує безпечну роботу в одноразовому режимі короткого замикання (к з) При напрузі живлення нижче значення ісс, При перенапруженні в ланцюзі колектор – емітер кожного модуля, менше Uces, І температурі кристала модуля нижче 125 С Термін «одноразове к з» Має на увазі, що число к з обмежено (його значення наводиться в технічній характеристиці на модуль) і час між к з значно більше часу теплової постійної кристала

Структурна схема одиночного IPM наведена на рис 32 При відхиленні від норми перерахованих параметрів схема захисту вимикає силовий транзистор і видає сигнал несправності У підлозі мостових і мостових конфігураціях IPM відключаються транзистори нижнього рівня

Рис 32 Структурна схема одиночного 1GBT – модуля

Повторне включення модуля, яке сталося після його відключення з причини перевищення температури, відбудеться після охолодження модуля до порога включення Однак кристал модуля може перегрітися до того, як розігріється підставу модуля і термодатчик, і захист не забезпечить відключення Це може статися, наприклад, через збій роботи контролера і підвищеної частоти комутації або через перешкоди в системі управління У IPM використовують IGBT з вбудованим датчиком струму Датчик струму розрізняє два граничних значення: струм перевантаження, починаючи з якого напруга на затворі знижується, що призводить до зменшення струму колектора і формуванню індикації несправності струм к з, за яким відбувається відключення модуля Якщо стан перевантаження зберігається 5 .. 10 мкс, напруга на затворі знижується до нуля Зниження напруги на затворі виконується за певним законом Таке «мяке» вимикання зменшує значення di / dt і перехідне напруга при виключенні

У сучасних IPM використовується безперервний моніторинг струму кожного силового ключа і загального струму споживання Режим к з настає при замиканні навантаження або збій роботи контролера, коли сигнали включення надходять відразу на IGBT в обох плечах мостової схеми, викликаючи наскрізний струм Якщо безпосередньо вимірюваний струм колектора досягає граничного значення ISC, процес виключення модуля починається миттєво, але зниження напруги на затворі відбувається за певним законом для зниження перехідних напруг Для зменшення часу між моментом виявлення к з і моментом виключення використовується схема контролю струму в реальному часі (RTC) Це пристрій працює паралельно драйверу і зменшує час обробки сигналу до 100, що зменшує струм к з і рівень перенапруг майже в два рази IPM може містити вбудоване обмеження (супресор) від імпульсних перенапруг IPM для своєї роботи вимагає гальванічно ізольовані джерела живлення і гальванічно ізольований інтерфейс для звязку з контролером Щоб усунути проблеми, повязані з шумами і перешкодами, створюваними потужними силовими модулями, доцільно застосовувати для кожного силового ключа окреме джерело живлення При використанні ізольованого джерела живлення слід звернути увагу на значення паразитної ємності між ізольованими частинами джерела Воно не повинно бути більше 100 пФ, в іншому випадку виникають шуми і збої в роботі драйвера Паралельно висновків харчування схеми управління приєднується електролітичний або танталовий конденсатор для фільтрації синфазних перешкод і забезпечення високих пікових струмів заряду затвора Гальванічна розвязка забезпечується оптопарами (з високим коефіцієнтом придушення синфазного сигналу CMR не більше 10 кВ / мкс, з часом перемикання не більше 0,8 мкс), імпульсними трансформаторами, волоконно-оптичними звязками

Як приклад на рис 33 наведено структурну схему модуля IPM трифазного інвертора, що працює в режимі ШІМ формування вихідної напруги (висновки UVW)

Зміст блоків «Захист 1» і «Захист 2» наведено на рис 34, а і б При роботі інвертора спільно з асинхронним двигуном для обмеження напруги в ланці постійного струму Ud в генераторних режимах передбачається ланцюг гасіння рекуперіруемой двигуном енергії Вона являє собою зовнішній резистор R, що приєднується до точок 1 і 2 модуля, і транзистор 173 Значення опору зовнішнього резистора розраховується залежно від потужності двигуна, а характер комутації транзистора VT3 визначається інтенсивністю генераторних процесів Обовязковим для модуля інвертора є наявність ланцюгів захисту (снабберов) IGBT від комутаційних перенапруг Для трифазних мостових схем достатня установка однієї ємності С в снаббере (рис 33) Для полумостовой схеми застосовується RCD-снаббер, приєднаний до кожної полумостовой схемою (рис 34, в) Для одиночних модулів, рис 32, застосовується RCD-снаббер, приєднаний до кожного силового ключу (рис 34, г)

У модулі інвертора використовуються дві внутрішніх зворотних звязку – по струму ij і напрузі Ud Для складних структур системи автоматичного управління координатами електропривода застосовуються зворотні звязки за струмами фаз двигуна і зворотний звязок по положенню ротора двигуна, при чому значення швидкості обчислюється мікропроцесором Для управління координатами технологічного процесу використовуються зовнішні сигнали: по аналогових входів, по дискретним входам через модуль введення-виведення SPI або по послідовному порту CAN від зовнішніх «інтелектуальних» пристроїв

Рис 34 Елементи інтелектуального модуля

Харчування обмоток фаз двигуна в вентильно-індукторних електроприводах ВПП з самоподмагнічіваніем здійснюється однополярним імпульсами струму Для цього на виході перетворювача застосовується комутатор, а не інвертор Комутатор забезпечує подачу напруги ланки постійного струму Ud по черзі на обмотки двигуна за інформацією датчика про становище ротора При необхідності комутатор може обмежувати струм в обмотках двигуна, що працює в режимі широтно-імпульсного регулювання, тому він складається з ряду однакових перетворювачів постійного струму, число яких дорівнює числу фаз двигуна На рис 35 наведено структурну схему модуля комутатора, що представляє симетричний однофазний міст з IPM Всі можливі комутації обмоток двигуна зазначених електроприводів забезпечує схема несиметричного моста Якщо в схемі (рис 33) між висновками «Р» IPMI і IPM2 поставити перемичку (Пунктирна лінія), тобто Ud = U0, І управляти в наведеній схемі транзисторами тільки однієї діагоналі VTI .. VT4 або (72 .. (73, то забезпечується несиметрична схема комутатора, в якій маємо два IGBT ключа і два бистровосстанавлівающіхся діода, що знаходяться в транзисторному модулі другого діагоналі Розглянута схема модуля дозволяє виконувати повишающе-понижувальний двонаправлене перетворення постійного струму Для цього має бути відсутня перемичка між висновками «Р» IPMI і IPM2 Замість обмотки двигуна підключається високочастотний дросель спеціальної конструкції і встановлюються електролітичні конденсатори Cd і С про більшої ємності, ніж ці ж конденсатори при схемі комутатора

При передачі енергії зліва направо використовується несиметричний міст, причому управління ключами ведеться роздільне: VTI працює в режимі широтноімпульсної модуляції ШИМ (174 виключений) при зниженні напруги, коли Ud < Uо, або працює 174 в режимі ШІМ (171 виключений) при підвищенні напруги, коли Ud > Ні Якщо виключити зі схеми / / 7172, а висновок 2 дроселя ΙΛ приєднати до + Uj, то утворюється схема понижуючого перетворювача Якщо виключити зі схеми / EMI, а висновок 1 дроселя / 1 приєднати до + I /,, то утворюється схема підвищувального перетворювача постійного струму при тому ж напрямку передачі енергії Для забезпечення двобічної передачі енергії при Ud < U0 достатньо залишити у схемі IPMI і окремо використовувати ключ 171 для передачі енергії зліва направо, а ключ VT2 – для передачі енергії справа наліво При Ud > U0 у схемі залишається / 7м2, в якому окремо використовується ключ 174 – для передачі енергії зліва направо, а ключ VT3 – для передачі енергії справа наліво

Для електроприводів постійного струму застосовується модуль випрямляча, структурна схема якого наведена на рис 36 Цей модуль забезпечує роботу двигуна з чотириквадрантний механічними характеристиками Наявність вхідного / (-фільтра надає модулю характер активного випрямляча, формуючого досить синусоїдальну форму струму в живильній випрямляч мережі змінного струму

Рис 36 Структурна схема модуля випрямляча

У режимі рекуперації енергії в мережу модуль працює як інвертор, ведений мережею, а в режимі споживання енергії з мережі – як три узгоджено керованих двонапрямлених підвищують перетворювачів постійного струму Щоб забезпечити необхідний рівень напруги на стороні постійного струму, використовується датчик напруги U0, А для управління потоком енергії з мережі в ланцюг постійного струму або назад – датчик струму /,, · Для обмеження струму заряду конденсатора фільтра С через зворотний міст активного випрямляча при його підключенні до мережі використовується обмежувальний резистор R, який шунтируется після заряду конденсатора контактом До контактора по команді мікроконтролера Обмеження до безпечних меж напруги на силових висновках (колектор – емітер) досягається застосуванням пасивних снабберних ланцюгів, активним обмеженням напруги або регулюванням швидкості перемикання за допомогою схеми управління затвором MOSFLY-транзистор здатний поглинати без пошкодження лавинную енергію високих значень, що дозволяє йому безпечно працювати на індуктивне навантаження, на відміну від IGBT Основні схеми снабберних ланцюгів показані на рис 34 Пасивні снабберние ланцюга призначені для обмеження рівня перенапруг, викликаних наявністю паразитних індуктивностей шин харчування При комутації струму h в індуктивності шини запасається енергіяПри наявності снабберной ємності ця енергія пере

ходить в конденсатор, номінал якого визначає рівень перенапруги:

Накопичена в ємності енергія повинна бути скинута на снаббер-ний резистор або шину живлення до наступного циклу комутації струму Найпростіший спосіб обмеження викидів напруги на силовий шині живлення – Установка снабберной ємності безпосередньо на висновки харчування модуля Цей метод виявляється цілком придатним для більшості схем інверторів середньої потужності, номінал конденсатора зазвичай вибирається в діапазоні 0,1 .. 2 мкФ Щоб придушити паразитні генерації, що наводяться в контурі, утвореному ємністю снаббера і індуктивністю шини, застосовують / ((-снаббери Такі схеми рекомендуються для низьковольтних сільноточних схем, побудованих, як правило, на MOSFET У потужних високочастотних перетворювачах використовуються RCD-снаббери, приклади яких наведено на рис 8, в, г Основна вимога, що предявляється до діода снаббера, – це мінімальна індуктивність висновків Природно, що топологія снабберной схеми повинна забезпечувати низьку розподілену індуктивність звязків

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р