Программно-аппаратные решения по управлению IGBT модулями на основе драйвера на микроконтроллере
SOFTWARE AND HARDWARE SOLUTIONS FOR MANAGING IGBT MODULES BASED ON DRIVER ON MICROCONTROLLER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к силовым модулям на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ, англ. Insulated-gate bipolar transistor, IGBT) - транзисторов, которые широко применяют в преобразовательной технике, вытесняющие биполярные силовые приборы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изучение опыта существующих решений в области техники при разработке частотных приводов успешных производителей полупроводниковых приборов в области преобразователей частоты (ПЧ) таких компаний как Alstom, ABB, Schneider Electric, CT-Concept Technologie AG и Power Integrations и других крупнейших производителей драйверов для модулей IGBT позволило выявить ряд недостатков алгоритмов управления этими модулями.
Также в ходе проведения экспериментов по разработке алгоритма управления формированием сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) были выявлены различные характеристики у идентичных модулей разных производителей. Эксперименты проводились как на IGBT модулях европейских производителей, так и на модулях, приобретенных в азиатской части мира.
По итогам экспериментов было определено, что для реализации алгоритма управления совокупностью IGBT модулей недостаточно данных, получаемых с драйвера о состоянии этих самых IGBT модулей при реализации ПЧ на аппаратной части, имеющейся в продаже.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала средств регистрации данных о режиме работы IGBT модулей для формирования сигналов корректировки режима работы через кусочно-линейную аппроксимацию модели транзистора при расчете температуры.
Было принято решение о реализации проекта по созданию собственного драйвера IGBT модуля на основе контроллера, например, выполненного на архитектуре ARM Cortex-M4.
В одном из вариантов реализации драйвер построен на ARM Cortex-M4 STM32F405 производства ST и операционных усилителях производства Analog Devices.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации структурная схема драйвера регистрации данных о режиме работы биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) модулей и формирования управляющих сигналов реализована в контроллере, который создает опорное Vref напряжение для операционного усилителя, создающего управляющее напряжение на затворе транзистора G. Транзисторный буфер создает необходимый ток iG перезарядки емкости затвора G. Дополнительная цепь измеряет напряжение VEe, пропорциональное току iC, выделяющее на индуктивности LE и сопротивлении RE эмиттерного вывода транзистора. Это напряжение VEe участвует в измерение тока коллектора и в формировании сигнала ошибки - большой ток эмиттера. Также VEe подают на операционный усилитель (ОУ), замыкая обратную связь по току. Это контур безопасного токового режима: больше ток iC - меньше управляющий сигнал на затворе. Второй контур безопасного режима - по напряжению. Напряжение коллектора Uc через дифференциальную цепь Cv подают на ОУ, замыкая обратную связь по изменению напряжения Uc. Быстрый рост напряжения (обычно при выключении) вызывает повышение напряжения на затворе, затягивая фронт роста напряжения коллектора Uc.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 отображает схему драйвера.
Фиг. 2 изображает схему формирования сигналов ошибок.
Фиг. 3 зависимости напряжения насыщения коллектора от тока при различных температурах кристалла.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 изображена система драйвера, в соответствии с которой драйвер регистрации данных о режиме работы IGBT модулей для формирования сигналов корректировки режима работы, при этом схема драйвера реализована в контроллере, который создает опорное Vref 101 напряжение для операционного усилителя, создающего управляющее напряжение на затворе транзистора G 102. Транзисторный буфер создает необходимый ток iG 103 перезарядки емкости затвора G 102. Дополнительная цепь измеряет напряжение VEe 104, пропорциональное току iC 105, выделяющее на индуктивности LE 106 и сопротивлении RE эмиттерного вывода транзистора. Это напряжение VEe 104 участвует в измерение тока коллектора и в формировании сигнала ошибки - большой ток эмиттера. Также VEe 104 подают на операционный усилитель (ОУ) 107, замыкая обратную связь по току. Это контур безопасного токового режима: больше ток iC 105 - меньше управляющий сигнал на затворе. Второй контур безопасного режима - по напряжению. Напряжение коллектора Uc через дифференциальную цепь Cv 108 подают на ОУ 107, замыкая обратную связь по изменению напряжения Uc. Быстрый рост напряжения (обычно при выключении) вызывает повышение напряжения на затворе, затягивая фронт роста напряжения коллектора Uc.
В соответствии с Фиг. 2 контроллер принимает сигналы тока эмиттера ic и напряжения насыщения коллектора Vce,on для оцифровки и расчета температуры кристалла. Также компараторы напряжения формируют сигналы ошибок при превышении тока >ic,max, напряжения >Vce,max.
Кусочно-линейная аппроксимация модели транзистора описывает напряжение насыщения: Usat=Vo+(Ro+Температура/K)*Ic.
В соответствии с Фиг. 3 температуру кристалла определяют по следующий зависимости: Температура=((Usat-Vo)/Ic-Ro)*K+To, где Usat - измеренное напряжение насыщения 0,8-8 В, To - 25С, Vo - начальное напряжение насыщения 0,8-1,2 В Ic - измеренный ток эмиттера, коллектора 0-800 А, Ro - сопротивление коллектора-эмиттера для конкретного IGBT модуля, K - коэффициент для конкретного IGBT модуля.
Раскрытая выше структурная схема драйвера позволяет реализовать следующие преимущества:
1. Изолировать источники питания.
2. Выполнять включение и выключение транзистора по состоянию управляющего сигнала.
3. Создать безопасный режим работы транзистора: ограничение тока, ограничение роста напряжения коллектора, ограничение напряжения коллектора.
4. Формировать сигнал статуса, состояния драйвера.
5. Измерять параметры транзистора и вычислять температуру кристалла транзистора.
6. Принимать и передавать данные параметров транзистора и коды ошибок драйвера.
Дополнительные преимущества реализованного драйвера заключаются в обеспечении защитных функции, таких как:
1. Низкое напряжение питания - при падении напряжения +18 В ниже 15 В.
2. Высокое напряжение насыщения транзистора, возможно при большом токе коллектора.
3. Большой ток эмиттера.
4. Высокая температура кристалла транзистора.
Исходя из приведенных выше аппаратных измерений и их программной обработки выполнение драйвера на контроллере дополнительно позволяет прогнозировать состояния инвертора в целом.
В одном из вариантов реализации контроллер осуществляет расчет температуры кристалла по техническим характеристикам зависимости температуры кристалла IGBT модуля от режима его работы, которые известны из документации. Расчет возможен только во время включения транзистора и времени ШИМ не менее 20 мксек. Основываясь на полученных данных, микроконтроллер драйвера IGBT рассчитывает ожидаемую модель поведения как IGBT модуля, так и отдельного транзистора в модуле. При расхождении реальной модели от математической контроллер принимает меры по стабилизации рабочего состояния совокупности IGBT модулей (инвертора).