СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ IGBT ТРАНЗИСТОРОВ И ДРАЙВЕРОВ ИХ ЗАТВОРОВ

Полезная модель относится к конструкциям, используемым в электроэнергетике, в частности при ремонте источников бесперебойного питания (далее ИБП).
При выходе из строя силовой части инверторов ИБП требуется замена Биполярных Транзисторов с Изолированным Затвором (с англ. Insulated Gate Bipolar Transistor - далее по тексту IGBT) и драйверов их затворов. При этом в большинстве случаев, замене подлежат все IGBT и драйверы их затворов. Полная замена всего комплекта IGBT и драйверов их затворов вызвана необходимостью тщательного подбора этих элементов по их динамическим характеристикам.
Известно, что IGBT в силу некоторого технологического разброса параметров имеют различную паразитную емкость затвора, от которой напрямую зависит быстродействие транзистора. Применение в одном комплекте IGBT с различным быстродействием опасно на определенных режимах работы инвертора одновременным нахождением транзисторов IGBT-полумоста в линейном режиме, что влечет за собой их быстрый перегрев и выход из строя. Аналогично и драйверы затворов, будучи изготовленными из радиоэлементов различных заводских партий, имеют несколько различные параметры. Одним из важнейших динамических показателей IGBT является крутизна фронта управляющего импульса на его затворе. Для драйверов существенное значение имеют время задержки распространения сигнала, напряжения открытия и запирания. Указанные параметры подлежат тщательному контролю при формировании комплектов IGBT и их драйверов, однако, измерения этих параметров непосредственно на ИБП опасно повреждением других дорогостоящих узлов ИБП и требует принятия соответствующих мер электробезопасности при работе вблизи токоведущих частей.
Существующая технология ремонта силовой части ИБП предусматривает замену всего комплекта IGBT транзисторов и драйверов их затворов. Недостатки данной технологии:
- невозможность использования исправных IGBT, демонтированных в ходе предыдущих ремонтов с ИБП данного типа;
- невозможность использования исправных и отремонтированных драйверов затворов IGBT;
- невозможность проведения проверки IGBT перед монтажом в ИБП на равенство основных параметров, таких как напряжение открытия и закрытия драйверов IGBT, время задержки распространения сигнала, а также паразитную емкость затвора IGBT, оценивая ее по крутизне нарастающего фронта импульса затвора;
- невозможность выполнения проверки основных параметров IGBT и их драйверов при помощи специального стенда, имитирующего работу вновь монтируемых запчастей в условиях работы ИБП.
Задачей полезной модели является повышение эффективности проведения ремонта ИБП.
Техническим результатом полезной модели является создание и применение устройства, позволяющего контролировать важнейшие параметры IGBT и драйверов их затворов в лабораторных условиях.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается путём повторного применения драйверов затворов после ремонта и регулировки их параметров при помощи стенда и повторного применения IGBT после их группировки по измеренным с помощью стенда и сравненным между собой параметрам.
Электрическая принципиальная схема стенда приведена на фиг.1.
Низковольтная часть стенда подключается к лабораторному блоку питания с регулируемым постоянным напряжением 24 В через вход «24 V». Основу стенда составляет микроконтроллер 2 Zilog Z86E0812PEC[1]. При включении блока питания напряжение 24 В поступает на вход стабилизатора напряжения 1, где преобразуется в напряжение 5 В, являющимся электропитанием микроконтроллера. Напряжение 5 В с выхода стабилизатора напряжения 1 поступает на вход «Vcc»микроконтроллера 2 и в начальный момент времени вызывает аппаратный сброс микроконтроллера, инициализацию его портов ввода-вывода, стека, прерываний, таймеров-счетчиков, установку «по умолчанию» регистров специального и общего назначения и загрузку констант в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), после чего микроконтроллер 2 приступает к выполнению основного программного цикла.
К входному порту P3 (входы P31, P32 и P33)микроконтроллера 2подключены кнопки для управления стендом 3, 4 и 5. Нажатие на любую кнопку подтверждается коротким одиночным звуковым сигналом (бипом) при помощи звукоизлучателя6, включенного от бита «0» порта P00 через резистор 8 и оптопару 7. Резистор 8 во входной цепи оптопары предназначен для ограничения тока светодиода оптопары до 15-20 мА. Электропитание звукоизлучателя 6 осуществляется от стабилизатора напряжения 9, преобразующего напряжение лабораторного блока питания 24 В в постоянное напряжении 12 В.
При нажатии кнопки3 «POWER»на битах 0 и 7 порта Р2 (выводы P20 и P27) появляются две парафазные импульсные последовательности частотой 40 кГц. Частота следования импульсов задается таймером-счетчиком микроконтроллера и с высокой точностью стабилизирована кварцевым резонатором 10. Корректирующие конденсаторы 11 и 12, подключенные к кварцевому резонатору 10, предназначены для подавления паразитных колебаний в колебательном контуре тактового генератора микроконтроллера 2. Обе последовательности импульсов с выводов P20 и P27 микроконтроллера 2 поступают на оптопары гальванической развязки 13 и 14. Резисторы 15 и 16 во входных цепях оптопар 13 и 14 предназначены для ограничения токов светодиодов до 15-29 мА. С выводов оптопар 13 и 14 импульсы поступают на затворы транзисторов 17, 18, 19, 20, образующие MOSFET-мост. Питание моста поступает с входа «24V», к которому подключается лабораторный блок питания 18-24 В.Нагрузкой MOSFET моста является вход питания обследуемого драйвера, подключаемого к выходу «40 kHz». Имеется возможность плавной регулировки амплитуды импульсов на выходе «40 kHz»путем регулировки в небольших пределах выходного напряжения лабораторного блока питания. Таким образом осуществляется полная имитация питания драйвера, соответствующая его питанию в ИБП. Имитация питания драйвера контролируется свечением светодиода 21 «POWER» на стенде.
При нажатии кнопки 4 «PULSE 4 kHz» на бите 1 порта Р2 микроконтроллера 2 (вывод P21) уровень логической единицы меняется на уровень логического ноля, что приводит к растормаживанию счетчика-делителя 22 и его работе от импульсной последовательности 40 кГц. Закольцованным выходом Q4 и входом D счетчика установлен коэффициент деления равным 10. В результате на выходе счетчика имеется импульсная последовательность частотой 4 кГц, равная частоте широтно-импульсной модуляции ИБП. Импульсы с частотой 4 кГц поступают на вход транзисторного ключа 23, увеличивающего нагрузочную способность выхода счетчика-делителя и далее на вход оптопары 24. Резистор 25 предназначен для ограничения тока светодиода оптопары 24 до 15-20 мА. В результате на выходе стенда «4 kHz» имеются импульсы частотой 4 кГц и амплитудой 12 В. Амплитуда импульсов определяется выходным напряжением стабилизатора 9. К выходу стенда «4 kHz» подключатся вход обследуемого драйвера. Наличие импульсов на выходе стенда «4 kHz» контролируется свечением светодиода 26 «PULSE 4 kHz». Таим образом, при подаче со стенда на входы драйвера импульсов питания частотой 40 кГц и импульсов управления частотой 4 кГц имитируется рабочий режим драйвера, в котором имеется возможность проверки как его исправности в целом, так и отдельных его узлов, а также измерения напряжения на выходе и времени задержки распространения сигнала. При подключении к выходу драйвера затвора и эмиттера IGBT имеется возможность оценки формы фронта управляющего импульса, а именно: проверки наличие на фронте импульса барьера Миллера и измерение скорости нарастания напряжения на затворе.
В предлагаемом стенде имеется возможность проверки исправности IGBT и испытания его под нагрузкой. Для этого эмиттер и коллектор IGBT последовательно с нагрузкой подключается к выходу стенда «IGBT», а эмиттер и затвор к выходу исправного драйвера, после чего на вход стенда «24V» подключается лабораторный блок питания, а вход «АС 220» выключателем 38 подключается к переменному напряжению 220 В, Подключение переменного напряжения 220 В контролируется свечением светодиода 39. Далее после нажатия на стенде кнопки 5 «HIGHVOLTAGE» от бита 3 порта Р2 (вывод P23), через транзисторный ключ 27 включается реле 28. Реле 28 своими контактами 29 подключает выпрямитель 30 к сети 220 В и начинается предварительный заряд конденсаторной батареи, состоящей из конденсаторов 31, 32 через ограничительный резистор 33. Предварительный заряд конденсаторной батареи, длящийся 15 секунд, сопровождается миганием светодиода 34«HIGHVOLTAGE»и короткими звуковыми сигналами звукоизлучателя 6. Через 15 секунд предварительного заряда от бита 2 порта Р2 (вывод P22) через транзисторный ключ 35включается реле 36, которое своим контактом 37 шунтирует резистор 33. При этом светодиод 34 горит ровным светом. Далее после нажатия кнопки3 «POWER» и кнопки 4 «PULSE 4 kHz» начинает работать драйвер затвора, а через IGBT и нагрузку, в качестве которой может быть применена лампа накаливания, протекает импульсный ток.
Предлагаемый в данной полезной модели испытательный стенд не имеет аналогов, в связи с чем считается «новым».
Источники информации:
1. М.А. Гладштейн. Микроконтроллеры семейства Z86. Москва. Издательство Додэка. 1999.