УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМИ КЛЮЧАМИ ИНВЕРТОРА

Предлагаемая полезная модель относится к силовой электронике, к транзисторным преобразователям инверторного типа, в частности, к системам управления силовыми транзисторами.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что устройство управления выполняет функции усиления и трансляции управляющих импульсов от микромощного формирователя к оконечному каскаду управления силовыми транзисторами без фазовых искажений с обеспечением повышенной помехоустойчивости и с уменьшением числа соединительных проводов. Эти свойства устройства управления особенно важны для инверторов, имеющих вытянутую конструкцию и/или несколько параллельно или последовательно работающих силовых ключей или групп ключей (трехфазных мостов). Например, в системе электропривода погружного насоса нефтедобычи инвертор размещается в трубе ограниченного диаметра (примерно 120 мм) и состоит из нескольких последовательно и параллельно включенных транзисторных трехфазных мостов, управляемых от общего микропроцессорного контроллера, и из-за этого имеет вытянутую конструкцию, в которой силовые цепи и цепи управления прокладываются в трубе на небольшом расстоянии друг от друга. Поэтому важно обеспечить помехоустойчивость системы управления, синфазность импульсов, подаваемых от микроконтроллера к параллельно и последовательно включенным силовым транзисторам, уменьшить число проводов соединения микроконтроллера с выходными каскадами управления.
В современных преобразователях частоты наиболее широко применяемыми во всем мире и наиболее перспективными являются силовые ключи на IGBT и МДП-транзисторах, изготовляемых в виде одно- или многоключевых модулей. Выходные каскады управления, так называемые драйверы, производят в виде отдельных интегральных или гибридных микросхем, включаемых на входе силовых модулей, либо изготовляют в составе модулей, которые именуют интеллектуальными модулями.
Микропроцессорный контроллер производит управление транзисторным инвертором путем формирования импульсов, которые определяют частоту и величину напряжения на выходе инвертора. В контроллер вводят сигналы обратной связи, в нем реализуют функции регулирования инвертора, функции включения и выключения, а также функции защиты, контроля и диагностики.
Известны схемы устройств, которые разработаны для управления силовыми транзисторными ключами. В литературе [1] схема устройства управления силовыми ключами плеча инвертора разработана для управления биполярными транзисторами, недостатки которых в сравнении с IGBT и МДП-транзисторами известны.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство управления МДП-транзистором с трансформаторной гальванической развязкой на входе, недостатком которого является то, что оно не обладает повышенной помехоустойчивостью, требует большего числа активных и пассивных элементов, особенно при параллельной работе нескольких силовых ключей и большого числа проводов (24 провода) для передачи импульсов ШИМ к каждому из параллельно работающих инверторных мостов.
Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в том, чтобы управляющие импульсы передавались от микропроцессорного контроллера или другого формирователя импульсов к драйверам силовых ключей на IGBT и МДП-транзисторах или к интеллектуальным модулям на их основе с обеспечением повышенной помехоустойчивости, значительно меньшем, чем в прототипе, активных и пассивных элементов при управлении параллельно или последовательно работающими инверторными группами ключей (например трехфазных мостов), меньшем числе проводов, необходимых для указанной передачи импульсов.
Задача управления силовыми ключами инвертора решается путем включения в схему маломощного аналога силовой схемы на МОП-транзисторах, нагруженного на резисторы. При управлении силовыми ключами нескольких параллельно и последовательно включенных транзисторных трехфазных мостов достаточно использования одного маломощного аналога, выполненного в виде инвертора, так же по трехфазной мостовой схеме на МОП-транзисторах. Необходимая для силовых ключей гальваническая развязка произведена с помощью быстродействующих оптронов в цепях каждого потребителя и поэтому нет необходимости в гальванической развязке на входе маломощного аналога, и он может управляться непосредственно от микроконтроллера при соединении нулевых проводов этих узлов.
Задача повышенной помехоустойчивости решена путем выполнения маломощного вспомогательного инвертора, как источника тока, за счет включения резисторов на его выходе в линейных проводах или в каждом плече мостовой схемы.
На фигуре 1 показана схема предлагаемого устройства управления. В него входит микропроцессорный контроллер 1, формирующий шесть последовательностей импульсов ШИМ регулируемой скважности по числу силовых ключей инвертора. Известно, что в инверторах с ШИМ импульсами поочередно управляются два ключа в каждой фазе, причем во избежание совпадения моментов открытого состояния двух транзисторов (верхнего и нижнего), что приводило бы к сквозному к.з., в любой фазе микроконтроллер формирует небольшую (1-2 мкс) паузу между спадом импульса одного ключа фазы и фронтом импульса второго ключа той же фазы - так называемую «мертвую зону». Сформированные таким образом последовательности импульсов ТТЛ-уровня передаются от микроконтроллера к маломощному
вспомогательному инвертору напряжения 2, содержащему конденсаторы 5...7 и резисторы 3, 4 на входе, образующие нулевую точку источника, микросхемы драйверов 8...10, необходимые для управления МОП-транзисторами, входящими в транзисторные сборки 17...22.
Известно, что в трехфазном мостовом инверторе напряжения фазное напряжение на его выходе или фазный ток при чисто резистивной нагрузке и соединении нулевой точки нагрузки с нулевой точкой источника питания повторяют импульсную последовательность управляющих сигналов. Поэтому управляющие импульсы к силовым ключам инвертора передаются в виде токового сигнала, т.е. вспомогательный инвертор работает в режиме источника тока. Для этой цели в состав вспомогательного инвертора входят резисторы 23...28, включенные в плечи моста и выполняющие, кроме основной функции, также функцию ограничения аварийного тока в случае случайного одновременного отпирания обоих (верхнего и нижнего) транзисторов одной фазы. Токовые цепи служат для передачи с более высокой помехоустойчивостью импульсов от микроконтроллера к каждому из параллельно или/и последовательно работающих трехфазных мостов силовых ключей. Для этой цели в каждой фазе нагрузки включен последовательно резистор 35, 36, 37, ..., падение напряжения на котором воспроизводит последовательности импульсов для двух каналов силовых ключей. Импульсы двух каналов различаются полярностью и соответственно могут быть разделены с помощью быстродействующих оптронов 50, 51, 52 с диодным входом и распределены по каналам от 1 до 6. Серийно производятся двухканальные оптроны, удобные для использования в этой схеме, обеспечивающие также гальваническую развязку в каждом канале. На входе оптронов включены резисторы 38, 39, 40 для того, чтобы ток через диод оптрона имел оптимальное значение. Выходы оптронов выполнены по схеме «транзистор с открытым коллектором» и поканально подключены к входам драйверов 53...58 силовых ключей 59...64 одной из параллельно или/и последовательно включенных силовых схем транзисторов. Количество синхронно или синфазно управляемых силовых ключей практически неограниченно. Например, в системе погружного электропривода насоса оно обеспечивает управление шестью параллельно включенными трехфазными мостами на IGBT.
Устройство управления по схеме на фигуре 1 отличается простотой, малым числом компонентов, малыми габаритами, обладает повышенной помехоустойчивостью, а для передачи импульсов от микроконтроллера к драйверам силовых ключей при любом числе параллельно или/и последовательно работающих силовых ключей требуется четыре провода вместо 12-ти проводов, которые понадобились бы при построении устройства управления на классических импульсных усилителях в каждом канале.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №1757045 А1 Бюлл. №31 23.09.92
2. Патент России №2199812 С2 Бюлл. №6 27.02.2003